關于間接蒸發冷機組在數據中心中應用的節能分析

李偉

摘要：簡要論述了數據中心的能耗結構及節能需求，介紹了當前擊中成熟的空調節能技術，描述了間接蒸發冷機組的運行原理及運行模式，分析了間接蒸發冷機組在數據中心節能效果，并基于不同地區分析了間接蒸發冷機組的全年能效比以及CLF。

關鍵詞：數據中心;能耗;PUE;CLF;間接蒸發冷;節能;全年能效比

1.數據中心的能耗結構及空調系統節能需求

數據中心是數據的重要承載體，隨著我國云計算、大數據、人工智能、互聯網、5G 等技術發展，數據中心的需求也與日俱增，建設體量和建設規模不斷擴大。數據中心的能耗已經占到全社會用電量的3%，是十足的耗能大戶。

數據中心的耗能部分主要包括IT 設備、制冷系統、供配電系統、照明系統及其他設施（包括安防設備、滅火、防水、傳感器以及相關數據中心建筑的管理系統等）。目前我國大型數據中心的平均PUE（Power Usage E?ectiveness，電源使用效率）約1.55[1]，還處于能耗較高的水平。隨著我國提出“碳達峰、碳中和”的雙碳目標，數據中心的節能需求已變得非常迫切。

按照當前數據中心的平均1.55的PUE分割來看，其中空調系統的能耗占比因子（CLF）約0.43，其他如配電系統等占比因子約0.12。可見，數據中心節能的重要方向是空調系統的節能。

2.幾種數據中心空調節能技術

從數據中心冷卻系統能耗構成上看，主要由冷源設備（制冷機組）能耗、輸

配設備（主要是水泵、輸送風機）能耗以及散熱設備能耗（主要是末端散熱風機、

冷卻塔風機、空氣冷卻器風機等）構成。。其中制冷機組（主要是壓縮機）的能耗占整個冷卻系統能耗的50～70%，降低制冷機組能耗是數據中心冷卻系統節能的核心。因此，空調系統的節能，重要方向之一是如何減少壓縮機的使用時間，提升壓縮機的運行效率。

將現有數據中心制冷系統根據溫差換熱特性、自然冷源利用率以及現有換熱器能力分為三類。第一類，數據中心內部（可以是數據中心熱通道、或服務器排風、或服務器散熱片表面等）與室外冷源（可以是干球溫度、濕球溫度、冷水溫度、露點溫度等）具有足夠的自然溫差，即所謂完全自然冷卻系統，如新風系統，氣-氣（水）熱交換器，直接/間接蒸發冷卻以及熱管系統，或采用液冷自然冷卻等;第二類，數據中心內部與室外冷源具有一定的自然溫差，但不足夠，需要進行一定程度的補充，稱為部分自然冷卻系統，如帶自然冷卻系統在過渡季節運行混合模式、復合模式、過渡模式等;第三類，數據中心內部與室外冷源沒有自然溫差，甚至為負溫差，一定需要補充，稱為完全主動制冷系統，比如運行標況制冷、高溫制冷等。

通常根據數據中心的布局形式、當地的自然條件等因素，空調系統的形式多種多樣。但基本上所有的空調系統的節能都是基于以上所描述的三個層面，簡單歸納即完全自然冷、聯合制冷以及完全機械制冷。間接蒸發冷機組的應用也不例外，主要是基于當地的室外溫濕度條件以及數據中心的結構等多種條件，所研發出的一款節能型的空調形式。

3.間接蒸發冷機組的運行原理及模式

間接蒸發冷卻是指數據中心機房內送風與室外新風間接接觸進行顯熱交換，而在室外新風側，其需要與直接蒸發冷卻填料或者換熱器壁面的水膜及由套呀噴頭將水流霧化形成的小水滴直接接觸，進行充分的熱濕交換。利用通過蒸發加濕得到的室外側空氣濕球溫度和數據中心能不的回風溫度的溫差，通過管壁的熱傳導將機房的熱量傳遞給室外側空氣的過程，從而達到冷卻數據中心的目的。如圖2所示。

間接蒸發冷機組是間接蒸發冷卻系統和風冷機械制冷系統的有機結合，通常它的主要耗能部件有內循環風機、外循環風機、壓縮機、噴淋水泵等。節能原理主要是利用室外新風與室內高溫回風間接換熱，盡可能地減少風冷機械制冷系統中的壓縮機運行時間，最大程度的利用自然冷源。根據室外溫濕度的條件，通常間接蒸發冷機組有三種運行模式：干模式、濕模式、混合模式[2]。

當室外溫度足夠低時，干模式開啟。此時機械制冷系統和噴淋系統停止運行，僅通過內外循環風機，實現室內外氣流的間接換熱，實現熱量傳遞。此時耗能部件僅有內外循環風機，能效比最大。

當室外溫度升高，噴淋水泵開啟。通過高壓噴霧將室外新風從干球溫度降至濕球溫度。此時機械制冷系統仍然無需運行，相較干模式，濕模式增加了噴淋水泵的運行功耗，但仍然可維持高能效比。

當室外溫度進一步提升，此時僅依靠自然換熱已不能提供足夠的制冷量，機械制冷系統開啟作進一步的冷量補充。

4.間接蒸發冷機組的節能分析

本文通過某假定數據中心，按照某一特定工況，參照國標GB/T 19413-2010的空調全年能效比的計算方式，計算出若干個典型城市，當數據中心采用某知名廠家的間接蒸發冷機組時，空調系統的全年能效比，進一步計算出空調系統的CLF因子，反映間接蒸發冷機組能達到的節能效果。

以某樣板機房為例，假定該機房的的冷負荷為1000kW，機房采用封閉冷通道的形式，回風溫度為37℃。選用某知名廠家的間接蒸發冷機組，單臺機組的制冷為250kW，共選用4臺。該機組在室外干球溫度分別為35℃、25℃、15℃、5℃、-5℃五個工況下，其對應的能效比EERa、EERb、EERc、EERd、EERe分別為4.1、8.5、10.4、12.9、14.7。

以下式（1）為參照國標GB/T 19413-2010的全年能效比的計算公式：

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

本文選取若干個典型城市進行對比計算，分別選用了哈爾濱（嚴寒地區）、北京（寒冷地區）、上海（夏熱冬冷地區）、昆明（溫和地區）、廣州（夏熱冬暖地區）共中國五個氣候地區的代表城市。五個城市的溫度分布系數參照國標GB/T 19413-2010 標準中的附錄B，見表2：

按照式（1）分別計算在上述五個典型城市中，同等規模、同等工況下，采用間接蒸發冷機組的空調系統全年能效比等數據計算結果如下：

經以上計算結果可知，采用間接蒸發冷機組的空調形式，在中國五個氣候區域均有較高的全年能效比。理論計算下，相比全國目前數據中心的PUE為1.55的平均水平來看，間接蒸發冷機組能幫助數據中心的PUE降低到1.25以下，具有顯著的節能效果。

5.結論

本文通過分析和討論，得出以下結論：

（1）目前國內數據中心已經變得越來越重要，其用電量也越來越大。但國內數據中心整體的能耗水平依舊偏高，隨著國家“雙碳”戰略的提出和推進，數據中心的節能變得越來越重要;

（2）數據中心的能耗結構相對來說比較穩定，能耗分布主要由服務器的能耗、空調系統的能耗、配電系統的電力損耗以及其他如照明系統等組成。其中作為支撐服務器穩定運行的支持系統，以空調系統所占能耗比例最大。因此，數據中心的節能重點之一就是空調系統的節能;

（3）間接蒸發冷對于降低數據中心能耗水平有顯著效果，且在南方地區采用該系統依然可以獲得較為可觀的全年能效比。而珠江三角區域為中國的經濟中心之一，對數據中心的需求極為旺盛。但該區域為夏熱冬暖地區，對于空調系統節能不利，這就帶來了數據中心剛需和節能的矛盾。間接蒸發冷機組在廣州地區節能效果依然顯著，在該區域有較好的推廣應用價值。

參考文獻

[1]《2021年中國數據中心市場報告》;數據中心工作組

[2]《數據中心間接蒸發冷卻技術白皮書》;中數智慧信息技術研究院