关于间接蒸发冷机组在数据中心中应用的节能分析

李伟

摘要：简要论述了数据中心的能耗结构及节能需求，介绍了当前击中成熟的空调节能技术，描述了间接蒸发冷机组的运行原理及运行模式，分析了间接蒸发冷机组在数据中心节能效果，并基于不同地区分析了间接蒸发冷机组的全年能效比以及CLF。

关键词：数据中心;能耗;PUE;CLF;间接蒸发冷;节能;全年能效比

1.数据中心的能耗结构及空调系统节能需求

数据中心是数据的重要承载体，随着我国云计算、大数据、人工智能、互联网、5G 等技术发展，数据中心的需求也与日俱增，建设体量和建设规模不断扩大。数据中心的能耗已经占到全社会用电量的3%，是十足的耗能大户。

数据中心的耗能部分主要包括IT 设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其他设施（包括安防设备、灭火、防水、传感器以及相关数据中心建筑的管理系统等）。目前我国大型数据中心的平均PUE（Power Usage E¬ectiveness，电源使用效率）约1.55[1]，还处于能耗较高的水平。随着我国提出“碳达峰、碳中和”的双碳目标，数据中心的节能需求已变得非常迫切。

按照当前数据中心的平均1.55的PUE分割来看，其中空调系统的能耗占比因子（CLF）约0.43，其他如配电系统等占比因子约0.12。可见，数据中心节能的重要方向是空调系统的节能。

2.几种数据中心空调节能技术

从数据中心冷却系统能耗构成上看，主要由冷源设备（制冷机组）能耗、输

配设备（主要是水泵、输送风机）能耗以及散热设备能耗（主要是末端散热风机、

冷却塔风机、空气冷却器风机等）构成。。其中制冷机组（主要是压缩机）的能耗占整个冷却系统能耗的50～70%，降低制冷机组能耗是数据中心冷却系统节能的核心。因此，空调系统的节能，重要方向之一是如何减少压缩机的使用时间，提升压缩机的运行效率。

将现有数据中心制冷系统根据温差换热特性、自然冷源利用率以及现有换热器能力分为三类。第一类，数据中心内部（可以是数据中心热通道、或服务器排风、或服务器散热片表面等）与室外冷源（可以是干球温度、湿球温度、冷水温度、露点温度等）具有足够的自然温差，即所谓完全自然冷却系统，如新风系统，气-气（水）热交换器，直接/间接蒸发冷却以及热管系统，或采用液冷自然冷却等;第二类，数据中心内部与室外冷源具有一定的自然温差，但不足够，需要进行一定程度的补充，称为部分自然冷却系统，如带自然冷却系统在过渡季节运行混合模式、复合模式、过渡模式等;第三类，数据中心内部与室外冷源没有自然温差，甚至为负温差，一定需要补充，称为完全主动制冷系统，比如运行标况制冷、高温制冷等。

通常根据数据中心的布局形式、当地的自然条件等因素，空调系统的形式多种多样。但基本上所有的空调系统的节能都是基于以上所描述的三个层面，简单归纳即完全自然冷、联合制冷以及完全机械制冷。间接蒸发冷机组的应用也不例外，主要是基于当地的室外温湿度条件以及数据中心的结构等多种条件，所研发出的一款节能型的空调形式。

3.间接蒸发冷机组的运行原理及模式

间接蒸发冷却是指数据中心机房内送风与室外新风间接接触进行显热交换，而在室外新风侧，其需要与直接蒸发冷却填料或者换热器壁面的水膜及由套呀喷头将水流雾化形成的小水滴直接接触，进行充分的热湿交换。利用通过蒸发加湿得到的室外侧空气湿球温度和数据中心能不的回风温度的温差，通过管壁的热传导将机房的热量传递给室外侧空气的过程，从而达到冷却数据中心的目的。如图2所示。

间接蒸发冷机组是间接蒸发冷却系统和风冷机械制冷系统的有机结合，通常它的主要耗能部件有内循环风机、外循环风机、压缩机、喷淋水泵等。节能原理主要是利用室外新风与室内高温回风间接换热，尽可能地减少风冷机械制冷系统中的压缩机运行时间，最大程度的利用自然冷源。根据室外温湿度的条件，通常间接蒸发冷机组有三种运行模式：干模式、湿模式、混合模式[2]。

当室外温度足够低时，干模式開启。此时机械制冷系统和喷淋系统停止运行，仅通过内外循环风机，实现室内外气流的间接换热，实现热量传递。此时耗能部件仅有内外循环风机，能效比最大。

当室外温度升高，喷淋水泵开启。通过高压喷雾将室外新风从干球温度降至湿球温度。此时机械制冷系统仍然无需运行，相较干模式，湿模式增加了喷淋水泵的运行功耗，但仍然可维持高能效比。

当室外温度进一步提升，此时仅依靠自然换热已不能提供足够的制冷量，机械制冷系统开启作进一步的冷量补充。

4.间接蒸发冷机组的节能分析

本文通过某假定数据中心，按照某一特定工况，参照国标GB/T 19413-2010的空调全年能效比的计算方式，计算出若干个典型城市，当数据中心采用某知名厂家的间接蒸发冷机组时，空调系统的全年能效比，进一步计算出空调系统的CLF因子，反映间接蒸发冷机组能达到的节能效果。

以某样板机房为例，假定该机房的的冷负荷为1000kW，机房采用封闭冷通道的形式，回风温度为37℃。选用某知名厂家的间接蒸发冷机组，单台机组的制冷为250kW，共选用4台。该机组在室外干球温度分别为35℃、25℃、15℃、5℃、-5℃五个工况下，其对应的能效比EERa、EERb、EERc、EERd、EERe分别为4.1、8.5、10.4、12.9、14.7。

以下式（1）为参照国标GB/T 19413-2010的全年能效比的计算公式：

AEER=Ta×EERa+Tb×EERb+Tc×EERc+Td×EERd+Te×EERe.........（1）

本文选取若干个典型城市进行对比计算，分别选用了哈尔滨（严寒地区）、北京（寒冷地区）、上海（夏热冬冷地区）、昆明（温和地区）、广州（夏热冬暖地区）共中国五个气候地区的代表城市。五个城市的温度分布系数参照国标GB/T 19413-2010 标准中的附录B，见表2：

按照式（1）分别计算在上述五个典型城市中，同等规模、同等工况下，采用间接蒸发冷机组的空调系统全年能效比等数据计算结果如下：

经以上计算结果可知，采用间接蒸发冷机组的空调形式，在中国五个气候区域均有较高的全年能效比。理论计算下，相比全国目前数据中心的PUE为1.55的平均水平来看，间接蒸发冷机组能帮助数据中心的PUE降低到1.25以下，具有显著的节能效果。

5.结论

本文通过分析和讨论，得出以下结论：

（1）目前国内数据中心已经变得越来越重要，其用电量也越来越大。但国内数据中心整体的能耗水平依旧偏高，随着国家“双碳”战略的提出和推进，数据中心的节能变得越来越重要;

（2）数据中心的能耗结构相对来说比较稳定，能耗分布主要由服务器的能耗、空调系统的能耗、配电系统的电力损耗以及其他如照明系统等组成。其中作为支撑服务器稳定运行的支持系统，以空调系统所占能耗比例最大。因此，数据中心的节能重点之一就是空调系统的节能;

（3）间接蒸发冷对于降低数据中心能耗水平有显著效果，且在南方地区采用该系统依然可以获得较为可观的全年能效比。而珠江三角区域为中国的经济中心之一，对数据中心的需求极为旺盛。但该区域为夏热冬暖地区，对于空调系统节能不利，这就带来了数据中心刚需和节能的矛盾。间接蒸发冷机组在广州地区节能效果依然显著，在该区域有较好的推广应用价值。

参考文献

[1]《2021年中国数据中心市场报告》;数据中心工作组

[2]《数据中心间接蒸发冷却技术白皮书》;中数智慧信息技术研究院