水侧蒸发冷却技术在数据中心的应用

田振武,黄 翔,吴志湘,郭志成

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

随着数据中心IT设备的发展,芯片等重要部件的耐热程度有了很大的提升,数据中心机房环境温度范围有所变化,给自然冷却技术带来巨大的应用空间。以往的数据中心设计中,由于设计方和使用方过分关注较低的送风温度,从而形成“小风量、大温差”的数据中心供冷模式。虽然在这种“小风量、大温差”的供冷方式中风机能耗小,但易造成机房送风温度不均匀，局部热点等问题[1]；而“大风量、小温差”的供冷方式有效避免了这些问题,并且拓展了自然冷却的应用范围。

近年来，蒸发冷却已经在数据中心和基站得到应用[2],国内一些早期建设的数据中心因运行能耗高,增加了蒸发冷却空调系统的改造方案[3]。蒸发冷却在数据中心的应用可分为风侧蒸发冷却[4]与水侧蒸发冷却[5]2种形式,以间接蒸发冷却空调机组为代表的风侧蒸发冷却已经在国内外得到了有效应用[6-7]。水侧蒸发冷却技术包括利用冷却塔和蒸发冷却冷水机组等设备为机房空调末端提供冷水的供冷方式,随着数据中心单位机柜发热量的不断上升,水侧蒸发冷却的载冷能力强、占地面积小、集中程度高等优点越来越突出,在数据中心有很大的应用潜力。

欧美学者[8-9]最先提出“Water-side Free Cooling”,用来降低空调水系统的运行能耗。文献[10-11]对冷却塔自然供冷传热传质过程的关键影响因素进行了理论研究；文献[12-13]对系统中的冷却塔、板式换热器、末端换热器等主要设备的匹配进行了优化设计。在国内,谢爱霞等[14]对常规制冷系统和带冷却塔预冷制冷系统进行了火用比较分析,当水源温度高于一定值时采用冷却塔预冷,可提高火用利用效率；文献[15-17]结合严寒地区数据中的冷却塔供给空调系统与湖水冷却技术,分析了冷却塔免费供冷在数据中心的设计与应用。李林达等[18]分析了一种数据中心用闭式冷却塔+水冷磁悬浮冷水机组的设计方案及节能运行模式；郭志成等[19-20]针对数据中心用冷却塔和蒸发冷却冷水机组的实验样机进行测试分析。但现有文献缺乏针对数据中心的相关研究。本文通过分析数据中心机房热环境规范要求的变化趋势与水侧蒸发冷却各换热环节之间的关系,得出水侧蒸发冷却在数据中心的适用性。总结了开式冷却塔、闭式冷却塔、蒸发冷却冷水机组3种典型水侧蒸发冷却技术形式,探究水侧蒸发冷却在数据中心的节能潜力。

1 水侧蒸发冷却适用性

1.1 数据中心机房热环境要求

原国家标准《电子信息系统机房设计规范：GB 50174—2008》[21]规定，A、B级机房热湿环境要求主机房温度(23±1)℃,相对湿度40%～55%,不得结露。新国家标准《数据中心设计规范：GB 50174—2017》[22]将机房热湿环境要求改为：冷通道或机柜进风区域的温度18～27 ℃,露点温度5.5～15 ℃,同时相对湿度≤60%;当IT设备对环境温度和相对湿度要求放宽时,机房冷通道或进风区域的温度允许扩大到15～32 ℃。

国家标准《电子计算机机房设计规范：GB 50174—93制定时,服务器还不能在较高的温度下稳定运行,经过材料科学、制冷科学20余年的发展,IT 设备及机房空调系统性能有了很大的提升,实践证明服务器可以在高达27 ℃进风条件下安全稳定运行。随着新的国家标准《数据中心设计规范：GB 50174—2017》中温度上限的进一步提高,数据中心的供冷方案将进入高送风温度控制时代[23]。水侧蒸发冷却技术可以利用较小的输入能耗产出合适的高温冷水,在数据中心领域可发挥更好的作用。

1.2 供回水温度

在集中式空调冷冻水系统中,供回水温度是一个关键指标。新国家标准出台后,进风区域温度的提高意味着末端供回水温度也可以适当提高。一方面在传统压缩式制冷系统中,冷水机组制冷效率可显著提高;另一方面,水侧蒸发冷却也增加了适用范围,数据中心高运行能耗的问题得到了缓解。近几年来,新建数据中心的冷冻水供水温度都有很大的提高,传统供回水温度7 ℃/12 ℃的数据中心已经退出历史舞台。GB 50174—2017规定机房冷冻水供水温度为7～21 ℃,冷冻水回水温度为12～27 ℃。很多互联网云计算数据中心更侧重高供水温度的设计,一些大型数据中心在定制耐高温服务器的前提下,冷冻水温度已提高至15～18 ℃。

水侧蒸发冷却所产生的高温冷水用于数据中心冷却与相应的空调末端形式匹配。根据布置位置的不同,机房空调末端形式可分为房间级、列间级和机架级。列间级或机架级的空调末端相对服务器距离较近,气流输送距离短、能耗低,且对冷冻水与回风之间的换热温差敏感性低。因此,机架级或列间级的空调末端形式更适合水侧蒸发冷却空调系统的应用。

1.3 水侧蒸发冷却出水温度

水侧蒸发冷却出水温度一方面以冷却塔为主,其出水温度高于环境湿球温度,用逼近度表征冷却塔出水温度[24]。当室外湿球温度降到低于系统要求的冷却塔出口水温5 ℃时, 即可将空调系统切换到直接自然供冷模式[25]；另一方面以蒸发冷却冷水机组为主,其出水温度在环境湿球与露点温度之间的情况用冷幅深表征蒸发冷却冷水机组出水温度[26],即可用室外环境湿球温度判断蒸发冷却冷水机组的适用性。

目前主流空调厂家空调末端的送风温度与冷冻水供水温度的差值为6～8 ℃,冷冻水供回水温差一般为5 ℃左右。根据新的国家标准,数据中心冷通道进风温度设定为26 ℃,可得水侧蒸发冷却需要达到的冷水温度为16～19 ℃,图1为系统换热温度间的关系。

图1 系统换热温度间的关系

国内民用建筑中已有很多利用蒸发冷却冷水机组制取冷水的成功案例,而且多家企业正在对蒸发冷却冷水机组的材料、结构等方面进行改进,蒸发冷却冷水机组的出水温度还会向室外露点温度逼近。根据文献[26]关于蒸发冷却冷水机组的测试结果,其冷幅深值较为稳定,在2～3 ℃之间波动,即利用水侧蒸发冷却技术制取低于环境湿球温度2～3 ℃的冷水成为可能。根据室外空气的湿球温度预测水侧蒸发冷却的出水温度，室外湿球温度22 ℃,可完全用水侧蒸发冷却技术为数据中心供冷水。

1.4 水侧蒸发冷却适用范围

若按照旧标准中的温度标准执行,则室外湿球温度19 ℃才可以完全用水侧蒸发冷却技术来为数据中心供冷水。根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规程：GB 50019—2015[27]中室外气象参数的统计,对全国湿球温度在22 ℃以下的部分地区的夏季空气调节室外计算湿球温度进行分析,探讨水侧蒸发冷却的适用范围。

夏季空气调节室外计算湿球温度19 ℃以下的地区仅有西藏、新疆、内蒙古、青海等地区。而将湿球温度从19 ℃提高至22 ℃的地区包括西藏、新疆、青海、云南、贵州、四川、甘肃、宁夏、陕西、山西、内蒙古、黑龙江。除此之外,在非干燥地区可以利用水侧蒸发冷却与机械制冷结合的方式,在全年大部分时间开启蒸发冷却模式以节约系统运行费用。水侧蒸发冷却技术为数据中心供冷的模式可以在数据中心得到很好的应用。

2 应用实例

2.1 开式冷却塔

内蒙古某数据中心空调系统使用开式冷却塔作为自然冷却方案,开式冷却塔+冷水机组+板式换热器空调系统流程如图2所示。

图2 开式冷却塔+冷水机组+板式换热器空调系统流程图

从图2可以看出,水冷式冷水机组与板式换热器串联接入机房空调末端,开式冷却塔在另一侧与板式换热器、水冷冷水机组串联。冷却系统有3种运行模式:冬季开启冷却塔免费供冷模式,关闭制冷压缩机,利用冷却塔通过板式换热器向空调末端提供冷量;过渡季节开启冷却塔预冷模式:利用冷却塔冷却水供水，并通过板式换热器对空调系统回水进行预冷处理,充分利用自然冷源,提高制冷主机的制冷效率；夏季常规制冷模式:利用冷水机组向空调末端提供冷量。

这种形式在数据中心的应用较普遍,全年有部分时间处于冷却塔免费供冷模式,而节能的多少取决于免费供冷模式在全年所占的时间比。假如供水温度设计为18 ℃,考虑板换和冷水输送管路温升,则环境湿球温度在11 ℃时,可完全使用冷却塔免费供冷模式。以中国北方典型城市呼和浩特为例,全年湿球温度小于11 ℃的小时数为6 254 h,全年71%的时间完全可以不开启机械制冷模式,此时系统以水侧蒸发冷却为主、机械制冷为辅。

2.2 闭式冷却塔

江苏某数据中心空调工程中采用闭式冷却塔+水冷冷水机组的设计方案如图3所示。从图3可以看出,系统由水冷冷水机组、闭式冷却塔、水泵、阀门等设备组成,系统管道被各阀门控制,形成机械制冷模式、自然冷却模式、混合预冷模式等3种不同的系统运行模式。

农村土地确权的资料是明确土地权属的参考文件，一定要保证这些资料的完整性以及准确性。现阶段政府大力推行新城镇化，地方政府需要重视农村土地确权各类资料的采集以及保存，实现档案的数字化[7]。这样就可以借助现代化技术实现对农村土地信息的保存，避免出现资源缺乏的状况；可以补充部分缺失的资料，保证农村土地权属有完整的依据[8]。

图3 闭式冷却塔+冷水机组空调系统流程图

闭式冷却塔与开式冷却塔相比,省略板式换热器且冷却盘管置于塔内,塔内循环冷却水直接喷淋至盘管表面,换热效率较高。闭式冷却塔冷却介质是蒸馏水,在使用过程中不会产生水垢,保证盘管内部流体运行畅通。但是在我国北方闭式冷却塔仍需考虑防冻问题。以南京为例,供水温度设计为18 ℃,考虑冷水输送管路温升,则环境湿球温度低于12 ℃时,可完全使用自然冷却模式,该模式运行时间占全年运行时间的46.8%,系统在高湿度地区有节能潜力。

2.3 蒸发冷却冷水机组

新疆某数据中心以蒸发冷却冷水机组作为全年主导冷源,结合当地气象条件以及数据中心设计要求,蒸发冷却系统流程如图4所示。

图4 蒸发冷却空调系统流程图

从图4可以看出，蒸发冷却冷水机组与机房末端通过板式换热器间接连接,系统有3种运行模式。模式Ⅰ:极端天气开启风侧、水侧复合蒸发冷却模式,蒸发冷却冷水机组制取的冷水通过板式换热器冷却机房末端回水,此时机房为全新风模式;模式Ⅱ:夏季或过渡季节开启水侧蒸发冷却模式,蒸发冷却冷水机组制取的冷水通过板式换热器冷却机房末端回水,此时机房内部为全回风模式;模式Ⅲ:冬季开启乙二醇自然冷却模式,乙二醇自然冷却段与机房末端通过乙二醇水溶液管道连接,机房内部发热量通过乙二醇溶液传递。

利用蒸发冷却冷水机组为数据中心供冷是一种新型数据中心空调系统。与冷却塔相比,蒸发冷却冷水机组增加进风预冷段,让蒸发冷却冷水机组出水温度达到亚湿球温度,使水侧蒸发冷却在更广泛区域的数据中心得到应用。新疆某数据中心冷源设计出水温度为16 ℃,用水侧蒸发冷却满足夏季数据中心供冷需求,并实现数据中心全年自然冷却。

3 存在问题及其解决措施

3.1 技术经济分析

数据中心自然冷却方式由于其多样性,需要技术经济对比得出水侧蒸发冷却技术的节能性。数据中心全年运行能耗是节能的关键,水侧蒸发冷却技术在不同地区、不同气候条件的应用时间不一样,因此需要可变工况的水侧蒸发冷却试验台,并通过模拟计算与实际能耗测试综合分析水侧蒸发冷却的经济性。

3.2 控制系统

蒸发冷却空调是气象空调,在全年运行过程中环境参数的变化对其制冷效果影响较大。在季节变化时,重点关注水侧蒸发冷却和机械制冷模式之间的切换;在全天运行过程中,重点关注蒸发冷却设备开启数量以及对单台机组制冷量的控制。

3.3 液冷技术发展

数据中心液冷技术被誉为数据中心行业的革命性技术。在自然环境下水侧蒸发冷却完全可以满足液冷的温度要求,因此液冷的发展是水侧蒸发冷却的机遇。水侧蒸发冷却冷源设备如何与液冷末端配合,液冷技术的温度上限值得讨论。

3.4 耗水量

水侧蒸发冷却空调系统以水为载冷剂,并且以水蒸发原理制冷,系统全年运行均离不开水的消耗,因此耗水量尤为重要。系统设计时,应针对不同地区的电力资源和水资源进行综合分析,并将水侧蒸发冷却设备与传统的水冷式设备作对比,选出合理的冷却方式。

3.5 水质处理

水侧蒸发冷却中的填料塔、高温表冷器、显热末端、供回水管路等设备中都充满水,水质问题影响每个换热环节的传热传质及能量输送过程,同时也是影响换热设备使用寿命及换热效果的关键因素。目前,对于不同地区水质调查、水质处理方法等问题仍需研究。

4 结 语

耐高温服务器材料以及新型空调末端方式的进步,促使数据中心机房进风温度上限提高,使冷冻水供水温度提高至18～20 ℃,水侧蒸发冷却在数据中心的适用性因此扩大,环境湿球温度低于22 ℃即可完全使用水侧蒸发冷却为数据中心供冷。水侧蒸发冷却在数据中心的应用时间是数据中心全年运行节能的关键,对空调系统的设计重点应是全年有更多的时间允许自然冷却模式运行,而极端天气时用机械制冷辅助。水侧蒸发冷却技术中,蒸发冷却冷水机组制取冷水是全年利用自然冷却时间最多的方式。