蒸发冷却通风空调技术在国内外数据中心的应用

黄翔，韩正林，宋姣姣，折建利

（西安工程大学，陕西西安 710048）

蒸发冷却通风空调技术在国内外数据中心的应用

黄翔*，韩正林，宋姣姣，折建利

（西安工程大学，陕西西安 710048）

本文介绍了数据中心设备热环境要求和蒸发冷却空调技术的几种形式，主要通过对风侧直接蒸发冷却和风侧间接蒸发冷却空调技术在国内外典型工程案例的应用分析，总结出蒸发冷却空调技术将是数据中心空调系统未来的发展趋势。

风侧蒸发冷却；数据中心；工程案例

0 前言

当今数据中心由两个层面组成，IT层面和机房设施层面，其中机房高密度化引起的排热控制带来了严峻的挑战，机房空调的能耗受到社会极大的关注，以节能、低耗为目的的绿色数据中心成为发展趋势[1]。目前，传统的机房空调将室内空气冷却，然后通过架高地板下送风至室内，其能量消耗巨大；蒸发冷却空调技术是一种环保、高效、经济的冷却方式，设备成本较低，也不使用传统的压缩机，所以其能耗较低，同时，它能减少温室气体和CFC的排放量，将这项技术应用在数据中心机房空调中，符合数据中心环境的特点，且初投资少、运行和维护费用低，节能潜力巨大[2]。

1 数据中心设备热环境要求

美国采暖制冷与空调工程师学会ASHRAETC 9.9小组，介绍了4档环境及NEBS中环境要求，并分别介绍了设备运行与设备停机时的要求，总结了数据中心和其他数据处理环境允许和推荐的环境工况，ASHRAE2004与ASHRAE2008扩大了热环境的要求，两者热环境参数包络区推荐数据的比较，如表1所示[3]。

表1 ASHRAE2004与ASHRAE2008热环境参数包络区推荐数据比较

ASHRAE2008推荐的1档热环境参数包络区如图1所示，在焓湿图上绘制出推荐区和允许区，推荐区为实施以推荐运行环境范围为目标进行设计与运行的值，允许区为设施以极端运行环境范围进行设计与运行的值[4]。

图1 ASHRAE2008推荐的环境参数1级设备要求包络区

在纵向和横向两方面上，数据中心明显扩大了设备环境要求，放宽的环境要求是非常有利的，在保证机房设备正常运行的时候，可以提高蒸发冷却技术的适用性，可以减少机房加湿、除湿、加热的能耗，降低机房空调系统的能耗。

2 蒸发冷却空调技术介绍

蒸发冷却空调技术按照产出介质形式分为风侧蒸发冷却空调技术和水侧蒸发冷却空调技术[5]。本文主要介绍风侧蒸发冷却空调技术，它是根据水蒸发冷却原理，采用直接蒸发冷却或间接蒸发冷却方式或加以机械制冷辅助获取冷风的空调技术，而水侧蒸发冷却是获取冷水的空调技术，同时，对加以机械制冷辅助的蒸发冷却器也被称为“经济器”[6-7]。

对于风侧蒸发冷却空调技术大致可分为两种类型，即风侧直接蒸发冷却空调技术和风侧间接蒸发冷却空调技术[8]。目前，在数据中心应用的风侧直接蒸发冷却空调技术主要有高压微雾和填料，风侧间接蒸发冷却技术主要有管式和露点式。风侧直接蒸发冷却空调技术的优点：风量大、焓差小，冬季加湿效果好，还具有过滤除尘的特性[9]；风侧间接蒸发冷却空调技术的优点：不增加空气含湿量，全回风容易控制机房洁净度，作为空气热交换器可延长节能运行时间[10]；对于数据中心自身特点：显热大、潜热小，风量大、焓差小，温湿度要求严格，洁净度要求高，全年365天制冷[11]；可见，风侧蒸发冷却空调技术优点与数据中心自身特点吻合之处较多，因此蒸发冷却空调技术在数据中心应用可以满足机房的条件要求。

3 蒸发冷却通风空调技术在国内外应用的典型工程案例

3.1 国外应用的典型工程案例分析

3.1.1 喷雾型直接蒸发冷却器的应用[12]

Facebook公司数据中心采用了一套蒸发冷却喷雾型空调系统，外面的空气先经过垂直排水百叶进入集装箱，当外面的空气太冷时，外部空气与数据中心的回风混合；其次经滤波器组进入蒸发冷却区，即喷雾系统开始喷雾；再经除雾器来防止水残留；之后冷湿空气经送风机墙进入送风区域，经送风口送到集装箱的冷过道；最后进入服务器机柜的热通道，部分空气返回到过滤区，或者排至室外大气，如此循环。喷雾型蒸发冷却空调系统如图2所示，与普通数据中心相比，Facebook数据中心的能效高38%，建造成本低24%。

图2 Facebook数据中心喷雾型直接蒸发冷却空调系统图

3.1.2 滴水型直接蒸发冷却器的应用

哥伦比亚大学工程学院数据中心位于某建筑物四层，某公司对数据中心进行节能改造，原数据中心空调系统采用直接膨胀式制冷（DX）系统，改造后采用通信机房专用蒸发式冷气机。滴水型直接蒸发冷却空调系统如图3所示[13]，室外新风经过蒸发式冷气机降温，在变频轴流风机的压力下输送到吊顶空间，空气通过安装在吊顶的空气过滤器过滤后，输送至冷通道，冷通道设置密封隔板，使得冷空气只能从机柜正面穿到机柜背面的热通道，带走IT设备的散热量，服机柜背面的热空气在变频轴流风机的抽吸下经过风管返回空调机房，这部分热空气通过风阀调节，可以与蒸发冷却降温后的室外空气混合或直接与室外空气混合，循环送入机房，也可以通过屋顶的排风口排入大气。

哥伦比亚大学数据中心采用“动态控制送风状态系统”，如图4所示，春秋过渡季节直接采用填料实现等焓冷却，获得温度和湿度都适宜的工况；而冬季调节风阀将一部分室内回风与室外新风混合，提高了送风的温度，避免了寒冷的室外空气直接送入机房会导致服务器关闭或产生结露。

图3 哥伦比亚大学数据中心滴水型直接蒸发冷却空调系统图

图4 动态控制送风状态的系统

3.1.3 板管式间接蒸发冷却器的应用

Munter公司利用EPX聚合物开发了板管式间接蒸发冷却器，也称风侧间接经济器[14-15]，板管式间接蒸发冷却器的工作原理如图5所示：管内的产出空气是数据中心室内回风，与管外的工作空气和水膜换热冷却后，冷空气经风管送到数据中心的冷通道。另一方面，管外的工作空气是室外空气，工作空气经管壁吸走产出空气的热量，最后由排风机排至室外。板管式间接蒸发冷却器在冬季可以选择干燥模式，而夏季可以选择蒸发模式，在室外高热高湿的环境时可以选用第三种模式，蒸发冷却结合直接膨胀式制冷的模式。

图5 板管式间接蒸发冷却器工作原理图

板管式间接蒸发冷却空调系统如图6所示，该系统运行和冷却完全使用数据中心室内回风，省去了间接蒸发冷却器的空气过滤器，而是额外设置旁通过滤机组，这与所有的机组都装过滤器相比，减少了过滤器的投入、维护费用及风机功率，也减少了室外空气污染物影响IT设备的风险。同时，为了给人员提供新风或维持室内正压，根据当地气候条件，装配设有加湿和除湿功能的新风机组，以此来提供通风和湿度控制。

图6 Munter公司板管式间接蒸发冷却空调系统图

3.1.4 露点式间接蒸发冷却器的应用

Coolerado 公司基于M-Cycle的间接蒸发传热传质换热器，它开发了一系列露点间接蒸发冷却器产品，资料显示：换热器的湿球效率可达到94%～122%，型号M50的露点间接蒸发冷却器的结构及原理[16-17]和露点间接蒸发冷却空调系统的安装[18]如图7所示。

图7 露点间接蒸发冷却器结构示意图和空调系统安装图

屋顶布置的空气处理机组经风管送室外空气到机组进风口，经机组处理后空气的含湿量不变而温度降低，再经机组背面进入数据中心，吸收IT设备散出的热量后，最终排出室外或作为回风循环工作；而机组里面的工作空气经机组顶部风管排至室外。在室外空气温度低于室内温度的情况下，机组处理室外冷空气后直接送入数据中心，获得近似“免费”的供冷；也可实现近似“免费”的加湿，在数据中心室内回风干燥的情况下，作为废气排室外的工作空气，可通过排风管设置的旁通风阀进入数据中心。

3.2 国内应用的典型工程案例分析

3.2.1 滴水型直接蒸发冷却器的应用

福建省联通福州金山通信机房属于二类通信机房，节能改造后采用蒸发式冷气机[19-20]，蒸发式冷气机用一进一排的通风方式，实现等焓降加湿的空气处理过程，同时，蒸发式冷气机相当于湿式过滤器，其核心部件填料具有良好的吸水性能和通风、过滤功能，蒸发式冷气机能达到降温和换气的双重功效，该改造项目蒸发式冷气机进风管及蒸发式冷气机的室外布置方式见图8所示。

3.2.2 管式间接蒸发冷却器的应用

西安市某通讯产业园的项目，2层为通信机房，建筑面积约440 m2，机房优化空调机组由管式间接蒸发冷却段、新回风混合段、机械制冷表冷段、直接蒸发冷却段和轴流送风段组成，优化机组实物和结构示意如图9所示，该机房内采用上送上回的通风方式[23]。

图8 金山通信机房安装蒸发式冷的节能改造

图9 优化空调机组实物图和结构示意图

全年运行模式空气处理过程的焓湿图如图10所示。由于数据中心设备散热量大、散湿量小，故热湿比线接近于无穷大。夏季运行模式：管式间接蒸发冷却段＋新回风混合段＋机械制冷表冷段+送风段组合处理方式，过渡季节运行模式：管式间接蒸发冷却段＋直接蒸发冷却段+送风段组合处理方式，冬季运行模式：新回风混合段+直接蒸发冷却段+送风段组合处理方式（注：未考虑全回风运行情况[24]）。

图10 蒸发冷却与机械制冷联合空调机组空气的焓湿图处理过程

3.2.3 露点式间接蒸发冷却器的应用

在福建省福州市某模拟通信机房内用交叉式露点间接蒸发冷却空调机组、露点间接-直接蒸发冷却空调机组的直流式和循环式作实验研究，露点式蒸发冷却空调机组是由横向和纵向垂直的干湿通道组成，干通道分为穿孔和不穿孔，室外空气通过干通道时，被湿通道内的空气和水间接冷却，之后，一部分空气经穿孔的干通道进入湿通道直至排向室外大气，而另一部分空气经不穿孔的干通道继续向前最后送入空调区[25]。

图11 交叉式露点间接蒸发冷却空调机组结构示意图和实物图

交叉式露点间接蒸发冷却空调机组结构示意图如11所示，在模拟机房进行实验，开启机组在最佳风量比下，2 kW发热源表面最大温降为8.9 ℃，设备温湿度基本上满足ASHRAETC9.9发布的2、3级环境要求允许值。开启机组在最差风量比下，1 kW发热源表面最大温降为2.3 ℃，设备温湿度基本满足（1～4）级环境要求允许值[26]。露点间接-直接蒸发冷却空调循环式和直流式机组结构示意如图12所示，其送风温度均在室外空气的湿球温度±1 ℃范围内，机组整体的蒸发效率为100%左右，露点效率在75%左右，机组温降大约为室外空气的干湿球温度之差。

图12 露点间接-直接蒸发冷却空调机组循环式和直流式系统示意图

4 结论

数据中心机房空调的未来发展以节能、低耗、绿色为目的，首先在温湿度设定方面，ASHRAETC 9.9放宽的要求在保证机房设备正常运行的同时，可以减少机房制冷、加热、加湿、除湿的耗能，降低机房空调系统的能耗并提高能效，其次蒸发冷却空调技术在国内外数据中心应用案例分析，得出实现绿色数据中心的方案之一是利用蒸发冷却空调技术，同时通过机房冷热通道，最大化地提高冷源利用率，最终使得机房PUE值趋向于1。

[1] GB/T 50174-2008 电子信息系统机房设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2009.

[2] 周海东, 黄翔, 屈元. 蒸发冷却空调在通信机房（基站）中的应用探讨[J]. 洁净与空调技术, 2011(3): 40-43.

[3] ASHRAE TC 9.9（美）. 数据处理环境热指南[M]. 沈添鸿, 杨国荣, 陈巍, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[4] ASHRAE TC 9.9（美）. 数据通信设施节能最佳实践[M]. 任兵, 杨国荣, 陈亮, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010: 47-62.

[5] 黄翔, 夏青, 孙铁柱, 等. 蒸发冷却空调技术分类及术语探讨[J]. 暖通空调, 2012, 42(9): 52-57.

[6] ASHRAE. 1991 ASHRAE Terminology of Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigerating[M]. Atlanta: Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, Inc., 1991.

[7] ASHRAE TC 9.9（美）. 数据中心通信设备中心液体冷却指南[M]. 杨国荣, 胡仰耆, 沈添鸿, 译. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[8] 夏青, 黄翔, 殷清海. 浅析风侧蒸发冷却空调技术术语[J]. 制冷技术, 2012, 32(4): 63-67.

[9] 黄翔, 周海东, 范坤, 等. 通信机房应用直接蒸发冷却空调方式的优化及节能分析[J]. 暖通空调, 2013, 43(10): 28-34.

[10] 宋姣姣, 黄翔, 范坤, 等. 管式间接蒸发冷却技术在通信机房的适用性分析[J]. 洁净与空调技术, 2013(2): 28-31.

[11] 数据中心机房空调系统技术白皮书[Z]. 北京: 中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组, 2011.

[12] 黄翔. 国内外蒸发冷却空调技术研究进展(1)[J]. 暖通空调, 2007, 37(2): 24-30.

[13] 范坤, 黄翔, 周敏, 等. 浅谈蒸发式冷气机在通信机房应用的几种形式[J]. 发电与空调, 2012, 33(4): 52-57.

[14] 黄翔. 国内外蒸发冷却空调技术研究进展(2)[J]. 暖通空调, 2007, 37(3): 32-37.

[15] 黄翔. 蒸发冷却空调理论与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[16] 黄翔. 国内外蒸发冷却空调技术研究进展(3)[J]. 暖通空调, 2007, 37(4): 24-30.

[17] 周海东, 黄翔, 范坤. 露点间接蒸发冷却器结构对比分析[J]. 流体机械, 2013, 41(2): 71-77.

[18] MAISOTENKO V, GILLAN L E, HEATON T L, et al. Method and plate apparatus for dew point evaporative cooler: U.S. Patent 6,581,402[P]. 2003-6-24.

[19] ZHAN C, DUAN Z, ZHAO X, et al. Comparative study of the performance of the M-cycle counter-flow and cross-flow heat exchangers for indirect evaporativecooling-paving the path toward sustainable cooling of buildings[J]. Energy, 2011, 36(12): 6790-6805.

[20] 范坤, 黄翔, 周敏, 等. 浅谈蒸发式冷气机在通信机房应用的几种形式[J]. 发电与空调, 2012, 33(4): 52-57.

[21] 范坤, 黄翔, 周敏, 等. 蒸发式冷气机在湿热地区通信基站中的应用[J]. 制冷与空调(北京), 2013, 13(3): 88-92.

[22] 何华明. 蒸发式冷气机应用于通信机房的节能分析[J].制冷与空调, 2011, 11(3): 107-111.

[23] 陈沛霖. 间接蒸发冷却在我国适用性的分析[J]. 暖通空调, 1994, 24(5): 3-5.

[24] 范坤, 黄翔, 宋姣姣, 等. 管式间接—直接蒸发冷却空气处理机组在通信机房中的应用[J]. 暖通空调, 2012, 43(1): 253-257.

[25] 周海东, 黄翔, 范坤. 露点间接蒸发冷却器结构对比分析[J]. 流体机械, 2013, 41(2): 71-77.

[26] 宋姣姣, 黄翔, 范坤, 等. 交叉式露点间接蒸发冷却空调机组应用于模拟机房的试验研究[J]. 流体机械, 2014, 42(4): 67-70.

[27] 周海东, 黄翔, 于学顺. 模拟通信基站应用露点间接蒸发冷却空调技术的实验研究[J]. 制冷与空调, 2012, 12(3): 71-76.

Application of Evaporative Cooling Air Conditioning in Data Center at Home and Abroad

HUANG Xiang*, HAN Zheng-lin, SONG Jiao-jiao, SHE Jian-li
(Xi'an Polytechnic University, Xi'an, Shaanxi 710048, China)

The thermal environment requirements in data center and several forms of evaporative cooling air conditioning were described. Through the application analysis of typical project cases at home and abroad with the air side of direct and indirect evaporative cooling air conditioning, it is summed up that the evaporative cooling air conditioning will be the future trends of air conditioning system in data center.

Air side of evaporative cooling; Data center; Project case

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.202

*黄翔（1962-），男，教授，工学硕士。研究方向：蒸发冷却空调技术的理论与应用研究。联系地址：陕西西安市碑林区金花南路19号西安工程大学，邮编：710048。联系电话：029-82330016。E-mail：huangx@xpu.edu.cn。