分布式間接蒸發冷卻技術賦能IDC“新基建”

□ 文 李代程

一、引言

隨著互聯網、云計算、大數據、AI等新興技術的快速發展，數據中心的規模和功率密度呈現出了快速上漲的趨勢，對數據中心建設提出更高的要求，數據中心的能效水平將得到重視。如何能快速、高效、彈性地建設數據中心，以滿足新興業務對數據中心的多樣化需求，顯得尤為重要。

空調系統是數據中心的關鍵系統，能耗占比大。以一個PUE為1.5的數據中心為例，空調系統能耗占到數據中心總能耗的30%左右，在非IT設備能耗中占據絕大部分比例。因此，提高空調系統能效水平是降低數據中心能耗最直接有效的措施。

回顧數據中心的發展歷程，在數據中心剛剛興起時，幾乎全部采用直膨式精密空調。而后隨著數據中心規模越來越大，對能效要求也越來越高，高能效集中式冷凍水系統得到大規模應用。目前，國內大型數據中心90%以上均采用冷凍水系統，通過提高冷凍水溫、采用新型空調末端及變頻技術等手段，優秀的數據中心可以將PUE控制在1.3以內。冷凍水系統運行原理及現場布置圖如圖1、圖2所示。

集中式冷凍水系統雖然得到了非常廣泛的應用，但也存在一定的局限：

圖1 冷凍水系統運行原理

圖2 冷凍水系統現場布置圖

（1）系統復雜：整個冷卻系統由數十種主設備、數千米冷凍水管路、上千個閥門傳感器組成，這將導致現場施工復雜，對實施能力、項目管理、招標采購、測試驗收等均提出了很高的要求，現場施工質量難以保證。

（2）交付速度慢：由于系統復雜度高，上下游關聯性強，依賴現場施工，建設周期長，無法滿足新時代數據中心快速建設、靈活部署的需求。

（3）運營調優難：國內大型數據中心年均PUE值約為1.5-1.8，需要科學精細的運營調優才能將PUE控制在1.3以下，大部分用戶難以實現，且系統難以實現自動化運行，對運維人員依賴強。

目前一種新型的間接蒸發冷卻系統（英文簡稱IDEC，Indirect Evaporative Cooling）可能徹底顛覆集中式冷凍水空調系統。IDEC是一種簡單、高效的數據中心冷卻方案，其技術特點完美匹配當前數據中心的建設、運維需求，將越來越被數據中心行業認可。

二、技術分析

2.1 系統構成

IDEC機組由箱體、室內風機、室外風機、空空換熱器、噴淋水泵、DX（直膨式制冷）系統、電控系統組成。IDEC利用水蒸發冷卻技術原理如圖3所示，通過空空換熱器實現室內空氣與室外空氣的不接觸換熱。機組一般有三種工作模式：①干模式：當室外環境溫度較低時，僅僅依靠空空換熱器即可完成冷卻。②噴淋模式：當室外環境溫度升高但濕球溫度仍較低時，開啟噴淋系統，利用水蒸發帶走熱量完成冷卻。③混合模式：當室外環境濕球溫度較高時，需要同時開啟噴淋系統及DX制冷系統完成冷卻。三種運行模式下，均可以實現全部或者部分的自然冷卻，以達到降低能耗的效果。

2.2 系統對比

以一個中型數據中心為例，采用集中式冷凍水系統和采用間接蒸發冷卻系統的數據中心系統配置如下表1和表2所示。

圖3 間接蒸發冷卻運行原理

表1 集中式冷凍水系統配置

表2 間接蒸發冷卻系統配置

集中式冷凍水系統是一套非常復雜的系統，包含冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、板式換熱器、蓄冷罐、空調末端等主設備以及復雜的閥門管路系統、水處理設備、補水設備等配套設備。而間接蒸發冷卻系統僅需要一種主設備和少量配套設備就可以完成冷卻過程。間接蒸發冷卻比冷凍水系統可減少80%主要設備、95%閥門管路及60%監控點位，系統復雜度得到極大簡化。

集中式冷凍水系統需要經過三到四次換熱如圖4所示才能將數據中心的熱量散發到大氣中，自然冷卻溫差（環境濕球溫度-機房送風溫度）一般為9-14℃。而IDEC系統則是一種簡單、高效的系統，僅需要通過一次換熱如圖5所示，就可以完成數據中心與室外大氣的熱交換，自然冷卻溫差一般可控制在7℃以下，溫差更小將意味著IDEC可以更長時間地利用自然冷源。

圖4 冷凍水系統換熱示意

圖5 IDEC系統換熱示意

2.3 技術優勢

通過以上對比，我們來深入分析一下IDEC方案的技術優勢。

（1）快速部署：IDEC是一種高度預制化的產品，冷卻系統設備數量及工程量大幅度減少，工廠內預制生產，現場僅需要簡單的吊裝、拼接、接電、接水、接風管即可完成交付，數據中心設計、招標采購、供貨安裝、綜合測試各個環節大幅度效率提升，冷卻系統建設效率提升80%以上。

（2）節能節水：在我國絕大部分地區，間接蒸發冷卻與冷凍水系統相比，自然冷卻時長可延長1000-2000小時，比冷凍水系統節能20%～50%（因氣象參數及運行工況有所差異）。IDEC機組在環境溫度較低時，采用干式冷卻的運行模式，全年節水率達到50%-70%，非常適合應用在水資源緊張的地區。

（3）更低成本：因為IDEC的DX系統一般無需滿配置，其全年峰值PUE比冷凍水系統更低，相同的市電引入容量下，分配給服務器的電量提升20%-40%，數據中心單位ITkW的建設成本將大幅度降低。

（4）運行安全：IDEC為分布式的系統，設備故障僅會影響對應區域，冷卻系統無大面積集中故障的風險，可靠性極大提升。由于IDEC的換熱原理是室內空氣與室外空氣不接觸換熱，室外空氣不會進入到IT機房內，故室外空氣質量不會對IT設備造成影響。IDEC為主動送風方案，與為了追求高能效的冷凍水近端空調末端相比，無水浸服務器的風險。

（5）簡化運維：在數據中心運行階段，IDEC機組設定好相關參數后，可以根據室外環境的變化，自動調節運行模式，實現完全自動化運行，大幅度提高運維效率。日常運維僅需要對過濾網進行清洗，無復雜運維調優工作，對運維人員的專業素質要求也大大降低，有利于節省運維成本。

三、適用場景

3.1 建筑適用性

IDEC設備體積龐大，因每臺機組均需要向大氣中散發熱量，IDEC設備一般只能布置在數據中心建筑的外圍地面或者屋面。當選擇地面布置時，需考慮機組布置間距以滿足合理的氣流組織和足夠的檢修維護空間；當選擇屋面布置時，建筑結構需要考慮抗震、防水等問題。對于新建數據中心，IDEC設備更加適用于不超過三層的數據中心，當數據中心因土地資源緊張需要建設三層以上的數據中心時，IDEC設備只能在建筑外圍堆疊布置，需要特別考慮機組的進排風問題，以避免進排風短路影響運行效果。對于老舊建筑改造的數據中心，通過核算建筑外圍及屋面的承重及空調條件，可以快速判斷是否適合采用間接蒸發冷卻技術。

圖6 IDEC三層布置方案1

圖7 IDEC三層布置方案2

3.2 地域適用性

間接蒸發冷卻方案并沒有明顯的地域不適性，機組在干模式條件下，溫度越低，節能效果越明顯。噴淋模式下，氣候越干燥，經過噴淋后，干濕球溫差越大，節能效果越明顯。IDEC機組較為依賴于使用環境的溫濕度，在不同的地區，節能效果各有差異，但與傳統的集中式冷凍水系統相比，幾乎在我國任何氣候條件下，均有比較顯著的節能效果。

間接蒸發冷卻系統有良好的節水性能，在水資源緊張的地區尤為適用。同時，間接蒸發冷卻方案為不接觸換熱，無室外新風引入，對環境空氣質量無特殊要求。

3.3 其他適用性

間接蒸發冷卻屬于風冷范疇，適合中低功率密度服務器機柜，但通過優化機柜布局，可以支持單機柜20kW以上的需求。

如前文所述，若將IDEC機組布置在數據中心建筑屋面，機組的送回風管需要貫穿屋面，若處理不好，會帶來漏水風險。

四、系統及產品設計

4.1 系統設計

在進行數據中心園區規劃時，首先要考慮的是當地政府對容積率的要求，以此來判定需要建設的數據中心的樓層數量。三層及以下的數據中心采用間接蒸發冷卻方案相對簡單，如圖6及圖7所示，通過合理的功能區域布局，可為IDEC機組側面安裝或者屋面安裝預留條件；若數據中心樓層數量超過三層，一般會出現IDEC機組堆疊側面安裝的情況，這時需要考慮機組進排風問題，應采用集中風井或其他措施避免機組冷熱氣流短路，影響機組運行效果。

間接蒸發冷卻系統峰值PUE的計算與容量規劃直接相關，在進行峰值PUE計算時需要結合當地極端氣象參數、IDEC機組的負載率、配套及輔助系統的峰值功率等因素綜合精確計算。在確定最大支持IT負載后，還應根據IT業務類型、歷史功耗數據等因素綜合考慮IT同時使用系數，確定合理的機架數量。如能在服務器上架及運行階段對IT進行容量管理，效果更佳。

4.2 產品設計

間接蒸發冷卻系統設計完成后，還需要對間接蒸發冷卻產品進行明確的定義，才能發揮間接蒸發冷卻技術的最大優勢，以下內容列舉了間接蒸發冷卻產品的技術關鍵點。

（1）極端濕球溫度及DX配比關系到機組是否能在當地任何氣象條件下達到設計制冷能力。DX配置比例與極端濕球溫度、送回風溫度直接相關，差異大，在IDEC機組選型時，應明確定義設計極端濕球溫度。

（2）換熱溫差是決定機組節能運行的關鍵參數，溫差越小，利用自然冷卻的時間則越長，機組將更加節能，需結合機組設計、經濟性、空空換熱器性能等綜合考慮。

（3）機組供電：IDEC機組內的用電設備可分為兩類：水泵、風機、控制器、閥門、傳感器為Ⅰ類負荷，DX系統為Ⅱ類負荷。Ⅰ類負荷一般采用UPS供電，Ⅱ類負荷根據項目需要有所差異，夏季極端濕球溫度下市電中斷后，機房溫升在允許范圍內時，Ⅱ類負荷可采用市電供電，否則，也需配備UPS電源。

（4）控制系統：IDEC機組分布式安裝，獨立工作，無需復雜群控系統，可實現全年不間斷自動運行。控制邏輯方面，應具備模式切換、運行參數控制、故障管理等模塊，需重視控制邏輯及功能測試，保證現場運行安全。

五、應用展望

新時代已經來臨，業務呈現多樣性、爆發性增長，數據中心也將呈現規模變大、增長變快、硬件形態變多、功率密度提升的趨勢。傳統的數據中心技術方案及建設模式已經逐漸不能滿足這種需求變化，雖然液體冷卻的技術也在快速發展，但是未來相當長的一段時間，風冷技術還將會占據主場。簡單、分布式、預制化的間接蒸發冷卻方案能夠滿足數據中心快速、高效、彈性的建設需求，必將會加速IDC“新基建”的快速發展。■