程 序，賀 曉，張 飛（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

0 前言

數(shù)據(jù)中心是公認(rèn)的高耗能行業(yè)，過去10 年間，我國(guó)數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增，2018 年全年共消耗1 608.89 億kWh 電量，超過整個(gè)上海市用電量［1-3］。到2030 年用電量預(yù)計(jì)將突破4 000億kWh，占全社會(huì)用電量的比重將升至3.7%［4-6］?？梢钥闯觯瑪?shù)據(jù)中心是未來(lái)為數(shù)不多能源消耗占社會(huì)總用電量比例持續(xù)增長(zhǎng)的行業(yè)。因此，數(shù)據(jù)中心行業(yè)積極踐行碳中和，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)2060年的目標(biāo)意義重大。

中央明確提出“扎實(shí)做好碳中和堅(jiān)持綠色發(fā)展”，這表明國(guó)家在加速發(fā)展“新基建”的同時(shí)，將嚴(yán)格控制高耗能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級(jí)。目前我國(guó)從國(guó)家戰(zhàn)略層面提出了“碳中和”目標(biāo)，同時(shí)實(shí)施路徑逐步明確［7-8］。對(duì)以電力消耗為主的數(shù)據(jù)中心而言，受限于目前我國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)狀況以及國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)的交易機(jī)制，未來(lái)我們?cè)凇疤贾泻汀狈矫鎸⒚媾R巨大的挑戰(zhàn)。

為了降低碳排放，降低能耗，國(guó)家對(duì)新建數(shù)據(jù)中心PUE（小于1.3）進(jìn)行了更嚴(yán)格的約束，機(jī)房建設(shè)前期的設(shè)計(jì)和規(guī)劃就把節(jié)能、環(huán)?？紤]到，并在設(shè)計(jì)和規(guī)劃的過程中達(dá)到機(jī)房的使用要求的前提下，把機(jī)房的PUE值作為機(jī)房的設(shè)計(jì)和規(guī)劃要求。

本文結(jié)合數(shù)據(jù)中心的用能特點(diǎn)，從降低制冷負(fù)載系數(shù)角度，介紹一種綠色節(jié)能環(huán)保的制冷技術(shù)-蒸發(fā)冷卻技術(shù)，該技術(shù)可以減少國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心碳排放，是實(shí)現(xiàn)能源側(cè)“碳中和”目標(biāo)以及“可再生能源”比例的可能路徑。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要分為直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，在空氣的飽和蒸汽分壓力差的作用下，驅(qū)動(dòng)液態(tài)水蒸發(fā)吸熱而實(shí)現(xiàn)制冷的一種節(jié)能環(huán)保技術(shù)。利用直接蒸發(fā)冷卻和間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)制取冷風(fēng)和制取冷水。

1.1 制取冷風(fēng)原理

目前在實(shí)際工程中，主要是依靠直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)或間接蒸發(fā)冷卻與直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合制取冷風(fēng)。單獨(dú)依靠直接蒸發(fā)冷卻制取冷風(fēng)如圖1 所示，循環(huán)水噴淋到填料或者霧化到空氣中，W 狀態(tài)的室外空氣與填料中的水膜或空氣中的水滴進(jìn)行熱濕處理，液態(tài)水蒸發(fā)吸收空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，將室外空氣溫度降低處理到狀態(tài)O 點(diǎn)，其制取的冷風(fēng)溫度極限溫度為空氣的濕球溫度。圖1（b）為利用原理制取冷風(fēng)的設(shè)備。

間接蒸發(fā)冷卻與直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合制取冷風(fēng)原理如圖2 所示，W 狀態(tài)室外空氣首先經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行等濕降溫到W1，濕球溫度得到降低的W1狀態(tài)的空氣再進(jìn)入到填料與濕膜進(jìn)行熱濕交換，液態(tài)水蒸發(fā)吸收空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，將室外空氣溫度降低處理到狀態(tài)O 點(diǎn)，其制取的冷風(fēng)溫度可以低于W 狀態(tài)空氣的濕球溫度，極限溫度是W1狀態(tài)空氣的濕球溫度。圖2（b）為利用該原理制取冷風(fēng)的設(shè)備。

1.2 制取冷水原理

在實(shí)際工程中應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取冷水與制取冷風(fēng)原理類似，也是依靠直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)或間接蒸發(fā)冷卻與直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合制取冷水。單獨(dú)依靠直接蒸發(fā)冷卻制取冷水如圖3（a）所示，循環(huán)水噴淋到填料或者霧化到空氣中，W 狀態(tài)的室外空氣與填料中的水膜或空氣中的水滴進(jìn)行熱濕處理，液態(tài)水蒸發(fā)吸收噴淋水的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，將噴淋水溫度從E 點(diǎn)溫度降到F 點(diǎn)，其制取的冷水溫度極限溫度為W 狀態(tài)空氣的濕球溫度。圖3（b）為利用原理制取冷水的設(shè)備。

間接蒸發(fā)冷卻與直接蒸發(fā)冷卻復(fù)合制取冷水原理如圖4（a）所示，O 狀態(tài)室外空氣首先經(jīng)過間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行等濕降溫到C，濕球溫度得到降低的C 狀態(tài)空氣再進(jìn)入到填料與濕膜進(jìn)行熱濕交換，液態(tài)水蒸發(fā)吸收淋水的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，將淋水溫度從H 點(diǎn)降低到G 點(diǎn)，其制取的冷風(fēng)溫度可以低于O 狀態(tài)空氣的濕球溫度，極限溫度是C 狀態(tài)空氣的濕球溫度。圖4（b）為利用原理制取冷水的設(shè)備。

圖4 間接-直接蒸發(fā)冷卻制取冷水原理

2 蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用節(jié)能分析

2.1 節(jié)能分析

根據(jù)夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)濕球溫度，可將全國(guó)分為干燥地區(qū)、中等濕度地區(qū)及高濕度地區(qū)，如表1 所示，濕球溫度低于23℃的地區(qū)被定義為干燥地區(qū)，大于等于23℃小于28℃的地區(qū)為中等濕度地區(qū)，大于等于28℃的地區(qū)為高濕度地區(qū)。蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在不同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用節(jié)能率不同，在干燥地區(qū)應(yīng)用，相對(duì)于水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)平均可節(jié)能65%，相對(duì)于風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率平均達(dá)80%多；在中等濕度地區(qū)應(yīng)用，相對(duì)于水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)平均可節(jié)能40%，相對(duì)于風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率平均達(dá)70%多；在高濕度地區(qū)應(yīng)用，相對(duì)于水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)平均可節(jié)能30%，相對(duì)于風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率平均達(dá)65%左右。具體地區(qū)節(jié)能率需要以當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)計(jì)算得出。

表1 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)能性對(duì)比表

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

以制冷量需求為11 000 kW 新疆某地區(qū)數(shù)據(jù)中心為例，分析蒸發(fā)冷卻冷水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，如表2 所示，采用蒸發(fā)冷卻冷水空調(diào)系統(tǒng)，每年節(jié)約電費(fèi)920余萬(wàn)元，投資回報(bào)期在2年內(nèi)。

表2 蒸發(fā)冷卻冷水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

2.3 適用性分析

蒸發(fā)冷卻技術(shù)因其制取的冷水冷風(fēng)溫度與室外空氣的干燥程度有關(guān)，所以也有自身的限制因素。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時(shí)，像烏魯木齊這樣氣候的城市可以做到全蒸發(fā)冷卻供冷，但如果在全國(guó)其他城市，因氣候因素，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在全年運(yùn)行時(shí)有部分時(shí)間達(dá)不到運(yùn)行條件，可以采用壓縮補(bǔ)冷的方式解決問題。比如目前采用的間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷結(jié)合的AHU 機(jī)組，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組與機(jī)械制冷冷水機(jī)組結(jié)合的一體化冷站。

另外，針對(duì)蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的冷水溫度，可以采用高效末端來(lái)盡可能地延長(zhǎng)蒸發(fā)冷卻供冷的時(shí)長(zhǎng)而節(jié)能。

3 蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的實(shí)際應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行模式

以中國(guó)聯(lián)通（新疆云）數(shù)據(jù)中心為例，分析蒸發(fā)冷卻技術(shù)為數(shù)據(jù)中心制取冷源的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。從圖5可以看出，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組與機(jī)房末端通過板式換熱器間接連接，系統(tǒng)有3種運(yùn)行模式［9-10］。模式Ⅰ：極端天氣開啟風(fēng)側(cè)、水側(cè)復(fù)合蒸發(fā)冷卻模式，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機(jī)房末端回水，此時(shí)機(jī)房為全新風(fēng)模式；模式Ⅱ：夏季或過渡季節(jié)開啟水側(cè)蒸發(fā)冷卻模式，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機(jī)房末端回水，此時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)部為全回風(fēng)模式；模式Ⅲ：冬季開啟乙二醇自然冷卻模式，乙二醇自然冷卻段與機(jī)房末端通過乙二醇水溶液管道連接，機(jī)房?jī)?nèi)部發(fā)熱量通過乙二醇溶液傳遞。項(xiàng)目機(jī)組實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)圖

圖6 項(xiàng)目機(jī)組實(shí)物圖

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行性能及安全性分析

對(duì)項(xiàng)目實(shí)際機(jī)組運(yùn)行狀況進(jìn)行了測(cè)試，如表3 所示，蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的出水溫度比濕球溫度低2.75℃，能效比達(dá)15.77；蒸發(fā)冷卻新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)溫度比濕球溫度低3.59℃，能效比達(dá)18.08；機(jī)房?jī)?nèi)冷通道平均干球溫度22.32℃，機(jī)房?jī)?nèi)冷通道平均相對(duì)濕度46.39%［11-15］。全年空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行制冷系數(shù)達(dá)16.44，項(xiàng)目PUE 在1.2 以下［16］，與傳統(tǒng)機(jī)械制冷數(shù)據(jù)中心相比節(jié)能效果顯著。

表3 項(xiàng)目機(jī)組性能測(cè)試

另外該項(xiàng)目通過中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心CQC 認(rèn)證，表明該項(xiàng)目具有較高的質(zhì)量、安全、電磁兼容性等。

4 結(jié)論

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種節(jié)能環(huán)保的制冷技術(shù)，將該技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心具有以下特點(diǎn)：

a）蒸發(fā)冷卻技術(shù)安全性比較高，可滿足國(guó)A 機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)要求。

b）蒸發(fā)冷卻技術(shù)節(jié)能性比較好，可大幅度降低數(shù)據(jù)中心PUE，是碳中和的最佳選擇之一。

c）隨著蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展，蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用區(qū)域和領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。