间接蒸发冷却空调在数据中心的应用及分析

陈 璐，王晨平，王克勇，潘 俊，徐文冰

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

近年来，“碳达峰 碳中和”概念逐渐深入人心。“双碳”战略下，数据中心行业作为终端能源消费大户，受到全社会的广泛关注。中华人民共和国工业和信息化部、地方政府也纷纷出台数据中心建设指导意见，旨在降低数据中心电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指标，引导数据中心绿色低碳发展[1]。

间接蒸发冷却机组（Air Handing Unit，AHU）能够充分利用室外自然冷源，有效降低数据中心PUE能耗指标，节能效果显著，具有广阔的市场应用前景。同时，存在一定的应用局限性，由于间接蒸发冷却机组自身设备尺寸较大，会占用一定的机房面积，导致数据中心整体出架率偏低。针对这一难题，本文提出了空调系统新型架构模式，即冷冻水系统与间接蒸发冷却机组顶层应用相结合。此架构系统，既能利用间接蒸发冷却机组节能优势，有效降低数据中心能耗，又能保证数据中心机柜整体出架率。同时，在此架构基础上，进一步对屋面气流组织进行分析，为数据中心实际场景应用提供指导方向。

1 间接蒸发冷却机组的应用优势与局限

1.1 间接蒸发冷却机组工作原理

AHU是利用换热芯体（空-空换热器）将室内服务器散出的热量传递给室外空气。且室内外空气不直接接触、采用间接接触的形式[2]。

同时，AHU机组在室外侧利用水蒸发吸热的原理，对室外空气进行喷水（雾），进一步降低室外空气的温度（低于室外环境温度），从而延长室外自然冷源的利用时长，达到节能降耗的目的[3]。

1.2 间接蒸发冷却机组的应用优势与局限

间接蒸发冷却空调系统在数据中心的应用具有以下优势。

（1）系统架构简单，运行维护方便。与传统水冷冷冻水系统相比，间接蒸发冷却机组简化了空调系统架构，将冷源设备、输配设备、末端设备、自控系统集成于一体，便于后期维护[4]。

（2）部署灵活，缩短建设周期。间接蒸发冷却机组以机房为单位进行模块化建设，可根据业主需求分期启用。且其产品高度集成、能在工厂预制完成，现场安装工作量少，能有效缩短建设周期，有利于数据机房的快速交付[5]。

（3）节水节电、降低运营成本。间接蒸发冷却机组能够充分利用室外自然冷源，减少压缩机开启时间，节电效果显著。其系统运行模式分为干模式、湿模式、混合模式。干模式和湿模式工况下，压缩机不开启。混合模式下，压缩机部分开启。同时，间接蒸发冷却机组干模式运行时无需喷水，蒸发冷却时耗水量低于水冷冷冻水空调系统，全年耗水量低于水冷冷冻水空调系统[6]。

间接蒸发冷却空调系统在数据中心的应用也具有一定的局限性。由于间接蒸发冷却空调机组自身占地面积大于传统机房空调，对多层数据中心机柜产出率有一定的影响。相同建筑面积下，对比冷冻水空调系统，采用间接蒸发冷却机组机架数减少约15%。

2 数据中心空调架构新模式及气流组织分析

2.1 数据中心空调架构新模式

如何保证数据中心高出架率的基础上，进一步应用间接蒸发冷却空调机组，降低数据中心的整体PUE值，成为一大难题。针对此点，本文提出了1种空调系统新型架构模式，即冷冻水系统与间接蒸发冷却机组顶层应用相结合。一方面，应用一部分间接蒸发冷却机组，有效降低数据中心能耗；另一方面，将该设备放置于屋面，避免占用室内机房面积，保证数据中心一定的出架率。空调系统架构模式如图1所示。

图1 数据机房剖面示意

2.2 屋面气流组织分析

在相同的建筑占地面积下，采用空调新架构模式，会导致屋面空调设备增多。有限的屋顶面积下，如何采取有效的措施，保证冷却塔和AHU机组的散热效果，成为空调新架构模式下需要重点关注的问题。

本文提出2点技术措施，以优化屋面冷却塔和AHU机组的气流组织。并通过模拟仿真，分析屋面设备运行效果。优化措施：一是AHU机组防雨棚排风口加高并遮挡一半，提高排风口流速和动压；二是冷却塔和AHU机组之间增加隔板，避免AHU排风被冷却塔直接吸入。

2.2.1 AHU机组防雨棚排风口加高并遮挡一半

根据对冷却塔最恶劣风向进行仿真模拟，如图2所示。最不利风向工况下，仿真结果如下：夏季最高温时，AHU机组全部热备份运行，冷却塔进风会吸入少量AHU机组排风，最大温升1.6 ℃；冷却塔排风对AHU机组新风无影响。

图2 冷却塔室外温度流线分布和 AHU机组室外温度流线分布

2.2.2 冷却塔和AHU机组之间增加隔板

根据对冷却塔最恶劣风向进行仿真模拟，如图3所示。最不利风向工况下，仿真结果如下：夏季最高温时，AHU机组全部热备份运行，冷却塔进风会吸入少量AHU机组排风，最大温升1.4 ℃；冷却塔排风对AHU机组新风无影响。

根据模拟结果可发现，采用空调新架构模式，在有限的屋顶面积下，采取以上2种优化措施，能够有效优化屋面气流组织。夏季最高温时，AHU机组全部热备份运行，冷却塔进风会吸入少量AHU机组排风，最大温升1.6 ℃，在冷却塔可接受范围内。

3 结 论

（1）当前间接蒸发冷却机组既有应用优势也存在局限性。AHU机组具有系统架构简单、部署灵活、建设周期短、节水节电等优势；但由于间接蒸发冷却空调机组自身占地面积大于传统机房空调，对多层数据中心机柜产出率有一定的影响。相同建筑面积下，对比冷冻水空调系统，采用间接蒸发冷却机组机架数减少约15%。

（2）针对AHU机组应用局限性，本文提出了空调系统新型架构模式，即冷冻水系统与间接蒸发冷却机组顶层应用相结合。一方面，应用一部分间接蒸发冷却机组，有效降低数据中心能耗；另一方面，将该设备放置于屋面，避免占用室内机房面积，保证数据中心一定的出架率。

（3）在空调新架构模式下，本文提出2点技术措施，以优化屋面冷却塔和AHU机组的气流组织。优化措施：一是AHU机组防雨棚排风口加高并遮挡一半，提高排风口流速和动压；二是冷却塔和AHU机组之间增加隔板，避免AHU排风被冷却塔直接吸入。根据模拟结果显示，采取以上2种优化措施，夏季最高温时，AHU机组全部热备份运行，冷却塔进风会吸入少量AHU机组排风，最大温升1.6 ℃，在冷却塔可接受范围内。