碳中和目標下蒸發冷卻節能技術在數據中心的應用

程 序，賀 曉，張 飛（中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

0 前言

數據中心是公認的高耗能行業，過去10 年間，我國數據中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增，2018 年全年共消耗1 608.89 億kWh 電量，超過整個上海市用電量［1-3］。到2030 年用電量預計將突破4 000億kWh，占全社會用電量的比重將升至3.7%［4-6］。可以看出，數據中心是未來為數不多能源消耗占社會總用電量比例持續增長的行業。因此，數據中心行業積極踐行碳中和，對我國實現2060年的目標意義重大。

中央明確提出“扎實做好碳中和堅持綠色發展”，這表明國家在加速發展“新基建”的同時，將嚴格控制高耗能產業的發展，推進產業結構的調整和升級。目前我國從國家戰略層面提出了“碳中和”目標，同時實施路徑逐步明確［7-8］。對以電力消耗為主的數據中心而言，受限于目前我國的一次能源結構狀況以及國內電力市場的交易機制，未來我們在“碳中和”方面將面臨巨大的挑戰。

為了降低碳排放，降低能耗，國家對新建數據中心PUE（小于1.3）進行了更嚴格的約束，機房建設前期的設計和規劃就把節能、環保考慮到，并在設計和規劃的過程中達到機房的使用要求的前提下，把機房的PUE值作為機房的設計和規劃要求。

本文結合數據中心的用能特點，從降低制冷負載系數角度，介紹一種綠色節能環保的制冷技術-蒸發冷卻技術，該技術可以減少國內數據中心碳排放，是實現能源側“碳中和”目標以及“可再生能源”比例的可能路徑。

1 蒸發冷卻技術原理

蒸發冷卻技術主要分為直接蒸發冷卻技術和間接蒸發冷卻技術，在空氣的飽和蒸汽分壓力差的作用下，驅動液態水蒸發吸熱而實現制冷的一種節能環保技術。利用直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻技術可以實現制取冷風和制取冷水。

1.1 制取冷風原理

目前在實際工程中，主要是依靠直接蒸發冷卻技術或間接蒸發冷卻與直接蒸發冷卻復合制取冷風。單獨依靠直接蒸發冷卻制取冷風如圖1 所示，循環水噴淋到填料或者霧化到空氣中，W 狀態的室外空氣與填料中的水膜或空氣中的水滴進行熱濕處理，液態水蒸發吸收空氣的顯熱轉化為潛熱，將室外空氣溫度降低處理到狀態O 點，其制取的冷風溫度極限溫度為空氣的濕球溫度。圖1（b）為利用原理制取冷風的設備。

間接蒸發冷卻與直接蒸發冷卻復合制取冷風原理如圖2 所示，W 狀態室外空氣首先經過間接蒸發冷卻器進行等濕降溫到W1，濕球溫度得到降低的W1狀態的空氣再進入到填料與濕膜進行熱濕交換，液態水蒸發吸收空氣的顯熱轉化為潛熱，將室外空氣溫度降低處理到狀態O 點，其制取的冷風溫度可以低于W 狀態空氣的濕球溫度，極限溫度是W1狀態空氣的濕球溫度。圖2（b）為利用該原理制取冷風的設備。

1.2 制取冷水原理

在實際工程中應用蒸發冷卻技術制取冷水與制取冷風原理類似，也是依靠直接蒸發冷卻技術或間接蒸發冷卻與直接蒸發冷卻復合制取冷水。單獨依靠直接蒸發冷卻制取冷水如圖3（a）所示，循環水噴淋到填料或者霧化到空氣中，W 狀態的室外空氣與填料中的水膜或空氣中的水滴進行熱濕處理，液態水蒸發吸收噴淋水的顯熱轉化為潛熱，將噴淋水溫度從E 點溫度降到F 點，其制取的冷水溫度極限溫度為W 狀態空氣的濕球溫度。圖3（b）為利用原理制取冷水的設備。

間接蒸發冷卻與直接蒸發冷卻復合制取冷水原理如圖4（a）所示，O 狀態室外空氣首先經過間接蒸發冷卻器進行等濕降溫到C，濕球溫度得到降低的C 狀態空氣再進入到填料與濕膜進行熱濕交換，液態水蒸發吸收淋水的顯熱轉化為潛熱，將淋水溫度從H 點降低到G 點，其制取的冷風溫度可以低于O 狀態空氣的濕球溫度，極限溫度是C 狀態空氣的濕球溫度。圖4（b）為利用原理制取冷水的設備。

圖4 間接-直接蒸發冷卻制取冷水原理

2 蒸發冷卻技術在數據中心應用節能分析

2.1 節能分析

根據夏季空調室外設計濕球溫度，可將全國分為干燥地區、中等濕度地區及高濕度地區，如表1 所示，濕球溫度低于23℃的地區被定義為干燥地區，大于等于23℃小于28℃的地區為中等濕度地區，大于等于28℃的地區為高濕度地區。蒸發冷卻空調系統在不同地區的數據中心應用節能率不同，在干燥地區應用，相對于水冷冷凍水空調系統平均可節能65%，相對于風冷空調系統節能率平均達80%多；在中等濕度地區應用，相對于水冷冷凍水空調系統平均可節能40%，相對于風冷空調系統節能率平均達70%多；在高濕度地區應用，相對于水冷冷凍水空調系統平均可節能30%，相對于風冷空調系統節能率平均達65%左右。具體地區節能率需要以當地氣象參數計算得出。

表1 蒸發冷卻空調系統與傳統空調節能性對比表

2.2 經濟效益分析

以制冷量需求為11 000 kW 新疆某地區數據中心為例，分析蒸發冷卻冷水系統的經濟效益，如表2 所示，采用蒸發冷卻冷水空調系統，每年節約電費920余萬元，投資回報期在2年內。

表2 蒸發冷卻冷水系統經濟效益分析

2.3 適用性分析

蒸發冷卻技術因其制取的冷水冷風溫度與室外空氣的干燥程度有關，所以也有自身的限制因素。在數據中心應用時，像烏魯木齊這樣氣候的城市可以做到全蒸發冷卻供冷，但如果在全國其他城市，因氣候因素，蒸發冷卻技術在全年運行時有部分時間達不到運行條件，可以采用壓縮補冷的方式解決問題。比如目前采用的間接蒸發冷卻與機械制冷結合的AHU 機組，蒸發冷卻冷水機組與機械制冷冷水機組結合的一體化冷站。

另外，針對蒸發冷卻冷水機組制取的冷水溫度，可以采用高效末端來盡可能地延長蒸發冷卻供冷的時長而節能。

3 蒸發冷卻技術在數據中心的實際應用

3.1 系統運行模式

以中國聯通（新疆云）數據中心為例，分析蒸發冷卻技術為數據中心制取冷源的節能優勢。從圖5可以看出，蒸發冷卻冷水機組與機房末端通過板式換熱器間接連接，系統有3種運行模式［9-10］。模式Ⅰ：極端天氣開啟風側、水側復合蒸發冷卻模式，蒸發冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機房末端回水，此時機房為全新風模式；模式Ⅱ：夏季或過渡季節開啟水側蒸發冷卻模式，蒸發冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機房末端回水，此時機房內部為全回風模式；模式Ⅲ：冬季開啟乙二醇自然冷卻模式，乙二醇自然冷卻段與機房末端通過乙二醇水溶液管道連接，機房內部發熱量通過乙二醇溶液傳遞。項目機組實物圖如圖6所示。

圖5 數據中心蒸發冷卻空調系統圖

圖6 項目機組實物圖

3.2 系統運行性能及安全性分析

對項目實際機組運行狀況進行了測試，如表3 所示，蒸發冷卻冷水機組的出水溫度比濕球溫度低2.75℃，能效比達15.77；蒸發冷卻新風機組送風溫度比濕球溫度低3.59℃，能效比達18.08；機房內冷通道平均干球溫度22.32℃，機房內冷通道平均相對濕度46.39%［11-15］。全年空調系統運行制冷系數達16.44，項目PUE 在1.2 以下［16］，與傳統機械制冷數據中心相比節能效果顯著。

表3 項目機組性能測試

另外該項目通過中國質量認證中心CQC 認證，表明該項目具有較高的質量、安全、電磁兼容性等。

4 結論

蒸發冷卻技術是一種節能環保的制冷技術，將該技術應用到數據中心具有以下特點：

a）蒸發冷卻技術安全性比較高，可滿足國A 機房標準要求。

b）蒸發冷卻技術節能性比較好，可大幅度降低數據中心PUE，是碳中和的最佳選擇之一。

c）隨著蒸發冷卻技術的發展，蒸發冷卻技術應用區域和領域將不斷擴大。