新风间接冷和间接蒸发冷却在数据中心制冷领域的应用探讨

许辉，李猛

XU Hui, LI Meng

（四川依米康环境科技股份有限公司）

(Sichuan Yimikang Environmental Tech. Co., Ltd.)

新风间接冷和间接蒸发冷却在数据中心制冷领域的应用探讨

许辉，李猛

XU Hui, LI Meng

（四川依米康环境科技股份有限公司）

(Sichuan Yimikang Environmental Tech. Co., Ltd.)

分析了新风间接冷和间接蒸发冷却方案的运行原理，根据数据中心设备制冷需求特性，指出新风间接冷和间接蒸发冷却方案在数据中心制冷领域应用前景。

数据中心;新风间接冷;间接蒸发冷;换热芯体

1 引言

通信行业4G方兴未艾，5G蓄势待发，通信运营商、互联网巨头都加快改造、扩建老数据中心，快速修建新数据中心，各专业数据中心也是遍地开花。大数据时代造就了新一轮的数据中心建设潮，我国数据中心总量已超过40万个， PUE（数据中心能源效率指标PUE=数据中心设备总能耗/IT设备能耗）值居高不下，耗电量已超过全社会总电量的1.5%。同时，大数据时代的数据储存和“云计算”成倍的增加了服务器工作负荷，促使数据中心朝着高热密度、大热功率负荷方向发展。新一轮数据中心建设摒弃过去盲目、无序的做法，主推绿色环保、高效节能方案。冷却系统能耗是数据中心设备总能耗的重要成分，采用高能效的冷却系统就是降低数据中心PUE值。数据中心建设部门制定了《国家绿色数据中心试点工作方案》。要求2017年在重点领域创建百个绿色数据中心，绿色数据中心要求：（1）全方位利用自然冷源冷却；（2）循环使用水资源；（3）低PUE值。新风间接冷和间接蒸发冷冷却系统作为绿色环保、高效节能方案在国外多年前已被推广应用。近年来，国内制冷行业越来越多的企业加入新风冷和蒸发冷技术研发中，数据中心空调领域的个别企业也推出了自己的新风冷和间接蒸发冷设备。

2 新风间接冷

新风冷就是利用室外低温空气对设备进行冷却，包括新风直接冷和新风间接冷。新风直接冷就是直接将室外的低温空气引入室内冷却设备，受空气质量限制新风直接冷很少使用，本文不做分析。新风间接冷就是将室外低温空气和待处理高温空气同时引入一个换热器芯体（本文简称芯体），两种气体流过各自己的芯体通道而不直接接触，温差作用下发生对流换热，高温气体被冷却后直接回到室内冷却设备，不受室外空气质量限制，室外低温空气被加热后排到室外。芯体换热过程如图1所示。

图1 芯体换热过程图

新风间接冷换热过程中，室外空气侧发生等湿加热，整个过程中不产生凝结水，含湿量不变。控制待处理高温空气流量，保证高温空气侧也只发生等湿冷却，焓湿图如图2所示。为了保证芯体两侧风速风压平衡，通常芯体两侧都是采用相同风量设计，则新风间接冷换热效果决定因素有：（1）芯体换热效率，（2）室内回风温度T1j和室外进风温度T2j。芯体换热效率η1表示为η1=（T1j-T1c）/（T2c-T2j）,T1c、T2c分别表示室内送风温度和室外排风温度。过程经过多年的发展，国内几个知名芯体厂家换热效率η1≥ 90。

图2 新风间接冷却理论焓湿图

3 蒸发冷

在已知的液态介质中，水的汽化潜热最高，且无毒无污染，利用水汽化吸热降温是一个非常绿色节能的制冷方案，蒸发冷就是水与空气接触，水吸热蒸发变成气体降低空气温度的制冷过程。蒸发冷可分为直接蒸发冷和间接蒸发冷。直接蒸发冷就是直接利用水吸热蒸发降温的空气去冷却设备，间接蒸发冷就是直接蒸发冷的低温空气在换热器中与高温空气进行二次不接触换热，利用第二次降温后的气体去冷却设备。

3.1 直接蒸发冷

直接蒸发冷却是水与空气直接接触，水蒸发形成水蒸气，此时水蒸气（含液态水）、空气温度均降低，同时空气湿度增加，理论上这是一个绝热加湿热交换过程。直接蒸发冷换热过程多在绝热设备中进行，传统的直接蒸发冷却方案中冷却塔利用得最多，冷却塔直接蒸发冷却循环水量，损耗大、能耗高，不满足国家节能减排、资源循环利用的要求，而且冷却塔蒸发冷却系统主要是用来冷却水，降温后的空气不方便被利用。现在行业都在研究如何采用最少循环水量达到最大蒸发的降温效果，喷水室、喷水室+换热芯体的方式逐渐被推广。直接蒸发冷却的焓湿图如图3所示。

图3 直接蒸发冷却理论焓湿图

状态1的室外空气在绝热设备中与水进行热湿交换，温度下降，含湿量增加，沿着绝热线变到状态2，温度由T1下降到T2。根据焓湿图可知，随着水不断蒸发，空气显热明显减少，潜热逐渐增加，直接蒸发冷的理论最低T2就是水蒸发促使空气达到饱和状态3，也就是出口的干球温度等于进口湿球温度。通常使用进、出口温度判定直接蒸发冷的性能系数η2，当出口空气越接近饱和状态，性能系数越高，η2定义为：

式中，T1为进口干球温度；T2为出口干球温度；T1w为出口湿球温度。

3.2 间接蒸发冷

间接蒸发冷却是将直接蒸发冷却得到的湿冷空气与待处理的热空气发生对流换热，实现热空气的等湿降温（或者除湿降温）。实现间接蒸发冷却过程有两种方式，方式一是将部分空气（行业称为二次空气）进行直接蒸发冷却处理，处理后的空气被引入换热器冷却另一部分空气（行业称为一次空气），一次空气进行等湿降温（或者除湿降温）处理后引入室内，二次空气则排到室外。这种处理方式就是先将二次空气进行直接蒸发冷（过程见“3.1 直接蒸发冷”），被冷却的空气引入换热器进行空气换热，过程同新风间接冷（过程见“2 新风间接冷”）。方式二是直接将水喷淋在换热器内的二次空气侧，水直接蒸发吸热，待冷却的一次空气流经换热器另一侧，同时发生等湿降温（或者除湿降温），本文以下分析只针对方式二。

间接蒸发冷基本原理如图4所示，喷淋水直接喷淋在换热器上，二次空气与水逆流换热，喷淋水部分发生直接蒸发，水（含水蒸气）、空气同时降温。一次空气在换热器另一侧同时与二次空气发生热交换，完成等湿冷却（或者除湿冷却）。二次空气与一次空气发生热交换的条件是温度差，从“3.1 直接蒸发冷”分析可知，二次空气发生直接蒸发冷却后最低干球温度为进风口的湿球温度，设计过程中二次空气与一次空气风量比例多为1∶1，也就是说，间接蒸发冷却换热效率主要取决于二次空气的进口湿球温度和一次空气的干球温度差。假设一次空气进口干球温度为T1j,出口温度为T1c，二次空气进口湿球温度为T2w，则间接蒸发冷却换热效率η3可简单表示为：

图4 间接蒸发冷基本原理

间接蒸发冷却理论焓湿图如图5所示。

图5 间接蒸发冷却理论焓湿图

4 新风间接冷和间接蒸发冷在数据中心制冷领域应用分析

4.1 数据中心设备制冷需求特性

数据中心设备一年四季365天运行，不论春夏秋冬、白天黑夜都需要冷却系统对其进行降温冷却，同时数据中心设备属于精密设备，需要对数据中心内部循环空气进行除尘、除湿（或者加湿）等处理，保证服务器等设备安全可靠运行。根据数据中心机房设备冷热负荷和空气质量需求特征，春秋冬等室外温度较低的季节适合采用新风间接冷却，春秋过渡季、夏季等室外高温季节（特别是室外干燥的地方）适合采用间接蒸发冷却。新风间接冷和间接蒸发冷却属于纯自然冷源冷却系统，冷却过程中只有风机和水泵直接消耗能源，系统热损失间接消耗能源，绿色环保、节能高效。如本文引言所述，大数据时代造就了新一轮的数据中心建设潮，同时《国家绿色数据中心试点工作方案》的绿色数据中心提出3点重要要求，新风间接冷和间接蒸发冷却系统完全满足绿色数据中心要求，因此适合在数据中心制冷领域大量推广应用。

4.2 新风间接冷和间接蒸发冷在数据中心制冷领域应用难点

从本文“2新风间接冷”和“3.2间接蒸发冷”分析发现，实现两种空气介质不接触换热都需要一种具有两通道换热器芯体，芯体必须具有：耐腐蚀、亲水性、承压高、导热快、换热密度大、寿命长。传统的间接蒸发冷主要采用冷却塔式的直接蒸发冷方案，是利用水蒸发降低水温，既不考虑水、空气质量，也不考虑承压能力、循环水量、水耗，对部件没有特别的要求，换热器都采用的是塑料薄皮。随着技术发展，新型换热芯体主要采用亲水铝箔冲压焊接而成，两个通道之间不直接接触，其结构紧凑、体积小、换热密度高、承压强，而且不容易积灰尘等，满足新风间接冷和间接蒸发冷却的需要，也为新风间接冷和间接蒸发冷在数据中心制冷领域推广提供了条件。

从本文中“3.2间接蒸发冷”分析知，间接蒸发冷换热效率主要取决于喷淋水蒸发效果，常温常压下喷淋水蒸发效果直接与二次空气进口湿度相关，越干燥的空气中水越容易蒸发，最佳状态是二次空气出口干球温度等于其进口湿球温度，同时保证一次空气出口温度也等于该值。对于空气干燥、湿度极小的北方区域来说，间接蒸发冷的换热过程相对容易实现，也是间接蒸发冷却机组主要应用在北方（如宁夏、甘肃、新疆）的原因。对于湿度较大的南方，简单的喷淋处理水是很难蒸发的。现在最常用提高喷淋水蒸发效果的方法是喷淋水与空气对流换热（见图4），对流换热采用超大循环水量，依靠水的重力作用与空气对冲来加大水与空气换热行程，增加喷淋水蒸发量。这种方式缺点很明显：（1）北方区域缺水限制了间接蒸发冷却产品的应用；（2）超大循环水量增加水泵、风机功率，导致产品能效降低，同时水资源损耗大；（3）水泵、风机尺寸增大导致机组产品尺寸大。如何提高喷淋水蒸发效果是目前间接蒸发冷却方案研究的重点，本文提出一个采用降压、碎化提高喷淋水雾化效果，采用同向换热（空气与雾化水同向流动）的方案提高喷淋水蒸发效果，见图6（备注：降压、碎花雾化设备为专利设计，未画出）。

实验表明，降压、碎化的雾化水同

图6 同向间接蒸发冷却原理图

向间接蒸发冷却方案水蒸发效果比逆向间接蒸发冷却方案至少提高15%，循环水量降低20%，机组尺寸减小。降压、碎化的雾化水同向间接蒸发冷却系统不仅仅局限在气候干燥的北方区域，也可以在南方部分区域推广应用。

5 结束语

新风间接冷和间接蒸发冷却方案绿色环保、节能高效，非常适合数据中心设备运行特性，降压、碎化的雾化水同向间接蒸发冷却系统既适用于气候干燥的北方，也适用于南方大部分区域。新风间接冷和间接蒸发冷却方案应该在绿色数据中心制冷领域推广应用。

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[5]刘海静,刘芳,杨晖.带自然冷源的风冷冷水机组应用于数据中心的节能潜力分析[J].暖通空调，2015.

Application of the Fresh Air Indirect Cooling and Indirect Evaporative Cooling in Internet Data Center

This paper introduces the theory of Fresh air indirect cooling and indirect evaporative cooling technique, According to Characteristic of Internet Data Center (IDC) cooling capacity, it is feasible to use Fresh air indirect cooling and indirect evaporative cooling technique in fi eld of Internet Data Center (IDC)。

internet data center (IDC); fresh air indirect cooling; indirect evaporative cooling; heat exchanger core