蒸发冷却技术在数据中心应用

刘明亮 王娟 郭丰

摘  要：数据中心冷却系统是数据中心中能耗占比最高的辅助系统。因此，降低其能耗是提升数据中心能源利用效率的重要方式。为此，通过分析蒸发冷却原理、蒸发冷却技术在数据中心的适用性，简要总结蒸发冷却技术在数据中心的应用形式以及应用情况，认为在数据中心冷却系统中引入蒸发冷却技术可以充分利用自然冷源，有效降低能耗。建议数据中心用户选择冷源时在气候条件允许的情况下优先选择蒸发冷却技术。

关键词：蒸发冷却;数据中心;节能

中图分类号：TU831      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）12-0051-03

Abstract：Data center cooling system is the auxiliary system with the highest energy consumption in data center. Therefore，reducing cooling system energy consumption is an important way to improve data center energy utilization efficiency. Therefore，based on the evaporative cooling principle，the applicability of the evaporative cooling technology in the data centers analysis，as well as the application of evaporative cooling technology in the data center in the form of brief summary of the practice and application，it is considered that introducing evaporative cooling technology in data center cooling system can make full use of natural cold source，effectively reduce the energy consumption data center cooling system. It is suggested that when selecting a cold source，data center users should give priority to evaporative cooling technology if the climate conditions permit.

Keywords：evaporative cooling;data center;energy saving

0  引  言

隨着5G产业新基建的全面布局，通讯信息及相关增值服务产业将进入快速发展时期，而数据中心的高能耗问题日益凸显。2019年2月，工业和信息化部、国家能源局、国家机关事务管理局三部委联合发布的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》提出，新建数据中心能源使用效率应不高于1.4。数据中心冷却系统为数据中心IT设备及电源、电池等其他设备的高效稳定运行，提供了适宜的温度和湿度环境;但其自身也消耗了大量的电能，约占整个数据中心能耗的40%，是数据中心中能耗最大的辅助系统。因此，降低冷却系统能耗是提升数据中心能源利用效率的重要环节。为推动制冷系统能耗的降低，中国电子学会对各类冷却技术进行了研究和分析，认为蒸发冷却技术在数据中心可以有多种应用形式，可以有效提高数据中心的能源使用效率。

1  蒸发冷却技术的原理

蒸发冷却技术以水作为冷却介质，是一项通过水分蒸发吸热进行冷却的技术。蒸发冷却分为直接蒸发冷却（Direct Evaporative Cooling，DEC）和间接蒸发冷却（Indirect Evaporative Cooling，IEC）两种。直接蒸发冷却是指冷却过程中干燥空气和水直接接触，空气和水之间同时发生传热、传质且相互影响;此过程为绝热降温加湿过程，其极限温度能达到空气的湿球温度[1]。间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器将直接蒸发冷却得到的湿空气（二次空气）的冷量传递给待处理空气（一次空气）实现空气等湿降温的过程[2]。间接蒸发冷却可避免传热工质与水之间的相互影响，其极限温度能达到空气的露点温度。

2  蒸发冷却技术在数据中心的适用性

从数据中心冷却系统能耗主要由制冷机组（主要是压缩机）能耗、输配设备（主要是水泵、室内风机）能耗以及散热设备（主要是冷却塔、室外风机）能耗构成，表1为某数据中心采用不同冷却系统设计时对能耗情况的测算。其中压缩机的能耗占整个冷却系统能耗的一半以上。由此可见，降低制冷机组的能耗是数据中心冷却系统节能的关键环节。

从数据中心的制冷需求角度看，数据中心内部负荷密度高，电耗密度高达300～1 500 W/m2，互联网数据中心甚至可达3 000 W/m2，但数据中心内部的IT设备一般不吸湿也不产湿，对新风需求少（仅满足IT设备及辅助设备的工艺需求即可），对除湿的负荷要求也不高。此外，数据中心需全年连续稳定运行，即使在冬季室外温度很低时，数据中心仍然需要向外部散热。因此，降低数据中心制冷系统能耗的措施主要是提高压缩机的运行效率和提高自然冷源的应用时间以降低压缩机运行时间。

因为蒸发冷却不使用压缩机，且可以充分利用自然冷源，蒸发冷却最大输入功率只有机械制冷空调的30%，相比传统电制冷空调可节能70%左右。在气候条件允许的地区，机房PUE值可低至1.150。因此，蒸发冷却技术适合在具备条件的数据中心进行推广。

3  蒸发冷却技术在数据中心的应用

3.1  直接蒸发冷却制取冷风

直接蒸发冷却制取冷风技术原理如图1所示，一般采取和新风系统相结合的方式，延长全年自然冷却运行时间。

在低温季节直接引入新风，在高温季节开启湿膜蒸发冷却装置，当水反复且快速地与空气接触后，空气的显热转移到水表面并变为蒸发潜热，空气的干球温度下降。水吸收潜热后变成水蒸气进入空气中，空气的含湿量增大而焓值不变，温度降低。冷却后的空气被送入数据中心机房后，沿热湿比线吸收数据中心机房的设备散热量。该形式适用于夏季空气的干球温度高、含湿量低且空气质量较好的地区，可以在全年大部分时间直接利用自然冷源。

某数据中心整体占地630亩，预计规模为30万台服务器。建成后经测试验证，该数据中心PUE值低于1.100，与同规模传统大型数据中心制冷相比，全年节能率超过60%。表2给出了部分项目应用直接蒸发冷却技术改造前后的能耗对比，可见在机房要求、环境空气质量等条件允许的情况下，数据中心使用直接蒸发冷却将发挥巨大的节能作用。

3.2  直接蒸发冷却制取冷水

利用直接蒸发冷却技术制取冷水最常见的方式为使用冷却塔，其制取冷水的温度在空气的湿球温度之上，极限温度为空气的湿球温度。实现形式目前主要有两种，一种是将循环水直接喷淋成细小水滴与空气进行热湿交换;另外一种是用循环水喷淋填料形成水膜与空气进行热湿交换。部分水分蒸发从空气和液态水中吸收显热转为汽化潜热并进入到空气中，液态水发生降温冷却过程，从而实现对循环水的降温，最终获得的冷水温度高于进口空气的湿球温度。

根据实际调研及测试，得出数据中心冷却塔供冷系统在全国七个区域的数据中心的全年制冷能效比以及其相对于机械制冷的节能率（各个区域的自然供冷时间采用的是平均自然供冷时间），如表3所示。

3.3  间接蒸发冷却与机械制冷结合制取冷风

间接蒸发冷却制取冷风是将一次空气与二次空气分隔开，形成干通道和湿通道。在一年中的大部分时间里，利用湿球温度远低于干球温度的原理，同时采用高效风侧换热器冷却和蒸发冷却，结合空气换热和蒸发冷却技术，对室外空气进行喷淋降温，降低室外空气温度。该方式以蒸发冷却为主、机械制冷为辅，空调机组运行在自然冷却模式下，达到降低能耗的效果。间接蒸发冷却机组运行模式如表4所示。

某数据中心总建筑面积13.13万平方米。容量为双路20 000 kVA（IT负荷），建成后测试结果显示CLF可以低至0.100，数据中心整体PUE值低于1.180。

3.4  蒸發冷凝

蒸发冷凝是在空气不饱和的情况下，用蒸发冷却为机械制冷冷凝器散热。常规风冷式冷凝器和水冷式冷凝器都是通过冷却空气或者冷却水的温度，来冷却换热器内部循环着的高温高压制冷剂，这两种换热过程中冷却流体只有显热变化，所以通常换热器结构尺寸较大。而蒸发冷凝通过水的蒸发带走高温高压制冷剂的冷凝热，水蒸发过程中的汽化潜热要远远高于显热，可以提高机械制冷效率。蒸发式冷凝器结构示意图如图2所示。蒸发冷凝技术适用于相对湿度不高的地区。相对于其他传统的水冷冷水机组、风冷冷水机组，蒸发冷凝技术冷水机组集成度高，可以取消冷水机房、取消冷却塔。

北京某项目，使用5台总冷量为2 900 kW的带自然冷却功能的一体化蒸发冷凝技术冷水机组，单机制冷量为分别为740 kW和340 kW。该机组采用露天安装方式，以空气和水为冷源，以冷媒水作为供冷介质，并在过渡季节和冬季利用室外低温空气实现自然冷却的运行。机组性能系数大于4.0，相比传统水冷主机系统节水50%以上、节地30%以上。

新疆某项目采用蒸发冷凝冷冻水空调系统的设计，充分利用当地低温冷源，尽可能延长免费制冷时间，与传统空调系统相比，其节能效果高达50%以上。该系统根据环境温度及变化趋势实现空调运行模式的自动切换：

（1）当环境湿球温度≥5 ℃时，机组运行压缩机制冷模式;

（2）当环境湿球温度<5 ℃时，机组自动转换为喷淋自然冷源制冷模式;

（3）当机组运行喷淋自然冷源制冷模式，满载工况下冷水出水温度仍高于10.5 ℃时，机组逐台自动转换为压缩机制冷模式;

（4）当环境干球温度低于-15 ℃时，机组开启风冷自然冷源制冷模式;

（5）当机组运行风冷自然冷源制冷模式，满载工况下冷水出水温度仍高于10.5 ℃时，则机组逐台自动转换为喷淋冷源制冷模式。表5给出系统实际运行过程中的测试数据，可得6月和12月实际PUE分别为1.350和1.229，节能效果显著。

4  结  论

相关实践表明，数据中心使用蒸发冷却技术可减少空调系统对电力容量的需求量，在同等电力容量下可提高IT机柜的安装数量，在相同机柜下可减少高低压供电系统的投资金额。在工信部发布的《绿色数据中心先进适用技术目录》中，也有多项蒸发冷却技术产品入选。建议数据中心用户在选择冷源时，在气候条件允许的情况下优先选择蒸发冷却技术。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：GB 50736-2012 [S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 刘艳华.暖通空调节能技术 [M].北京：机械工业出版社，2015：238.

作者简介：刘明亮（1968—），男，汉族，江西赣州人，高级工程师，副秘书长，博士，研究方向：绿色数据中心产业政策和技术应用;通讯作者：王娟（1980—），女，汉族，山西大同人，经济师，副主任，硕士，研究方向：绿色数据中心产业政策和技术应用;郭丰（1975—），男，汉族，吉林长春人，高级工程师，硕士，研究方向：绿色数据中心产业政策和技术应用。