蒸發冷卻技術在貴陽地區數據中心的應用探討

魯 亮

（貴州省建筑設計研究院有限責任公司 貴陽 550001）

0 前言

隨著云計算、大數據、物聯網等產業的快速發展，數據中心作為海量數據運算及存儲的載體，數量和規模增長速度逐年加快。快速發展的同時，帶來了能源消耗巨大、綠色節能水平亟待提高等普遍問題。根據貴州省發布的《貴州省數據中心綠色化專項行動方案》（黔數據領辦【2018】16 號）要求[1]，貴州省新建數據中心能效值（PUE/EEUE）低于1.4，已建數據中心能效值高于1.8 的能效值降低8%，數據中心綜合利用率提升到30%。數據中心中空調系統能耗是影響數據中心能耗的重要因素，空調系統的節能技術直接影響數據中心的PUE值（數據中心電能利用效率）[2]。我國數據中心的能耗中約40%用于空調系統，在合適的氣候條件下，利用自然冷源代替人工冷源可以降低數據中心系統的能耗。

蒸發冷卻技術是一種利用干空氣制取冷風或冷水的技術，可以根據末端的需求提供冷風或者冷水，為數據中心供冷。由于不需要使用傳統的壓縮機，所以其能耗較低，將這項技術應用在全年需求提供冷量的數據機房空調系統中，并配合人工冷源使用，節能潛力巨大。

1 直接和間接蒸發冷卻空調系統的特點

蒸發冷卻技術是一項利用水蒸發吸熱制冷的技術[3]。蒸發冷卻技術分為直接蒸發冷卻（DEC）空調技術和間接蒸發冷卻（IEC）技術。蒸發冷卻空調具有節能、環保、經濟和可提高室內空氣質量的優點。根據國標GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》第4.4.2 條規定：夏季空氣調節室外計算濕球溫度低、溫度日較差大的地區，宜優先采用直接蒸發冷卻、間接蒸發冷卻或直接蒸發冷卻與間接蒸發冷卻相結合的二級或三級蒸發冷卻的空氣處理方式[4]。

直接蒸發冷卻是使空氣和水直接接觸，通過水的蒸發后，空氣的溫度會下降，其特點是對空氣實現等焓加濕降溫過程，送風降溫的極限溫度為進風的濕球溫度，適合在空氣質量較好的情況下使用。

間接蒸發節能技術間接蒸發冷卻是指通過非直接接觸式換熱器，將直接蒸發冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給機房循環空氣，實現空氣等濕降溫的過程，適合在空氣污染的環境下使用。

現有的工業建筑工程中，蒸發冷區技術產生的冷風或者冷水不僅可以改善人員的工作環境，而且可通過改進工藝流程滿足其他需求。蒸發冷卻技術可以根據使用的環境和用戶的需求靈活改變出風溫度和出水溫度，可以采用直接蒸發冷卻、間接蒸發冷卻、直接-間接兩級蒸發冷卻或間接-直接多級蒸發冷卻等設備形式。

2 蒸發冷卻空調系統在貴州省數據中心的應用

2.1 直接蒸發冷卻在貴陽某數據中心的應用

直接蒸發冷卻（DEC）空調技術的技術核心元件是填料，水泵將蓄水池中的水提升至填料，水泵將蓄水池中的水提升至填料的頂部，通過布水器均勻地將水布置在填料上。在風機的作用下，空氣與水在填料中充分接觸，空氣被等焓冷卻，填料上多余的水最終回到位于填料底部的蓄水池中。填料也會起到一定的過濾作用，并在一定程度上可以過濾對電子設備有害的SO2氣體[5]。

貴陽某數據中心數據儲存機房采用直通風直接蒸發冷卻系統，系統流程圖如圖1 所示。新風通過進風百葉進入蒸發冷卻機組，經初中高效過濾后送入數據機房冷通道（溫濕度不滿足時經處理后送入），通過IT 機柜溫升后進入熱通道，通過屋頂排風風機直接排出室外（冬季溫度低于數據機房要求時需采用部分回風）。

圖1 直通風直接蒸發冷卻系統流程圖Fig.1 Flow chart of direct ventilation evaporative cooling system

貴陽市室外氣象參數：氣壓88780Pa，夏季空調室外干球溫度30.1℃，空調室外濕球溫度23℃，空調室外日平均溫度26.5℃；冬季室外空調干球溫度-2.5℃，冬季室外空調濕球溫度-3.5℃，極端最高氣溫35.1℃，極端最低氣溫-7.3℃[6]。貴陽某數據中心數據機房室內參數要求如表1 所示。

表1 貴陽某數據中心數據機房室內參數Table 1 Data room parameters for a data centre in Guiyang

在上述要求條件下繪制焓濕圖，分別在焓濕圖上設置邊界狀態點N1(18℃，20%)、N2(18℃，80%)、N3(28℃，80%)、N4(28℃，20%)，形成數據中心室內參數90%時間范圍邊界（推薦區域），設置邊界狀態點N5(15℃，10%)、N6(15℃，90%)、N7(32℃，90%)、N8(32℃，10%)，形成數據中心室內參數10%時間范圍邊界（允許區域）。結合貴陽市全年氣象參數，全年8760 小時，8258 小時（94.27%）參數落在N1～N4 區域推薦范圍；486 小時（5.55%）參數落在N5～N8 區域允許范圍；16 小時（1.83%）參數落在允許范圍以外，焓濕圖如圖2 所示。

圖2 貴陽某數據中心全年焓濕圖處理分析Fig.2 Processing analysis of annual enthalpy-humidity chart for a data centre in Guiyang

全年氣候條件下需空氣處理后送入數據機房的運行模式：

（1）全年有14 小時（0.16%）室外空氣溫度高于允許范圍的上限32℃，因此這時需采用直接蒸發冷卻來降溫。

（2）全年有2 個小時，室外空氣的露點很低，在和室內回風混合以維持數據機房允許運行條件中的最低送風干球溫度18℃時，將引起相對濕度會低于允許條件的最低相對濕度要求。因此在這種室外空氣的條件下，需重置送風溫度以保證相對濕度高于允許條件中相對濕度為10%的下限。

（3）全年有486 個小時，室外溫度高于推薦范圍的28℃上限，在這些時間段，可以選擇性蒸發冷卻制冷。

2.2 間接蒸發冷卻在貴陽某數據中心的應用

間接蒸發冷卻（IEC）空調技術是產生介質（空氣或水）與工作介質（空氣和水）間接接觸進行熱濕交換，產生介質與工作介質之間不存在質的交換，僅是顯熱的交換，以獲取冷風或冷水的技術[7]。本文介紹貴陽某數據中心采用蒸發冷卻和液冷結合方式給數據機房降溫的實用案例。

液冷是指通過液體來替代空氣，把CPU、內存條、芯片組、擴展卡等器件在運行時所產生的熱量帶走。根據目前技術研究的進程，將液冷分類為了水冷和其他介質冷卻，可用的其他介質包括礦物油、電子氟化液等[8]。按照冷卻原理，又將液冷分為了冷板式液冷（間接式冷卻）和浸沒式液冷（直接式冷卻）兩種系統模式。圖3 為蒸發冷卻與液冷結合給數據機房降溫的原理圖。

圖3 蒸發冷卻與液冷技術結合原理圖Fig.3 Schematic diagram of combination of evaporative cooling and liquid cooling technology

貴陽某數據中心數據運算機房冷負荷41016kW，采用一次側冷卻水系統和二次側冷卻水系統通過板式換熱器換熱后給數據機房液冷機柜微模塊降溫，一次側冷卻水設計供回水溫度32.5℃/40.5℃，溫差8℃，二次側冷卻水設計供回水溫度34℃/42℃，溫差8℃，板換換熱溫差1.5℃。

2.3 蒸發冷卻在貴陽某數據中心的能源利用效率（PUE）

通常衡量一個數據中心項目可持續性的一個通常手段是衡量這個數據中心的能源利用效率（PUE）。本項目為了增加項目的總體可持續性，采用了直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻措施。這些節能措施的直接成果是使得數據中心的PUE 約1.22（UPS 為在線模式）或1.19（UPS 為離線模式），整個設施的估算電量比例分布如圖4、圖5 所示。

圖4年平均PUE 基礎設施電力分布圖（UPS 在線）Fig.4 Average PUE infrastructure power distribution map(UPS online)

圖5年平均PUE 基礎設施電力分布圖（UPS 離線）Fig.5 Average PUE infrastructure power distribution map(UPS offline)

3 蒸發冷卻技術在貴陽地區應用需注意問題

3.1 直接蒸發冷卻通常需注意的問題

（1）進風百葉窗的水分夾帶量。超過環境濕度的入口濕度可能會導致機械設備性能下降，所以數據中心進風百葉處的濕球溫度應在服務器所允許的上限濕球溫度值。

（2）熱通道排風對直接蒸發冷卻進風口空氣溫度的影響。理論情況下設計考慮的蒸發冷卻進風口溫度為歷年全年氣象參數數據，但是由于數據中心送風經過數據機柜經熱通道排出后，會有一定的溫升，飄散到空氣中，經過不同風向擾動，會導致直接蒸發冷卻進風溫度上升，應結合模擬分析其影響。

3.2 間接蒸發冷卻通常需注意的問題

（1）間接蒸發使用的冷卻塔防凍問題。間接蒸發冷卻需要采用冷卻塔設備放熱，數據中心具有全年不間斷運行的特點，在貴州地區冬季溫度會存在零度以下的情況，所以考慮冷卻塔防凍措施。

（2）間接蒸發冷卻換熱器防結垢問題。間接蒸發冷卻由于需要通過換熱器換出所需要的介質，隨著換熱器運轉時間的增加，介質中的沉淀物和碎物在換熱器表面的堆積，導致結垢，貴州屬于礦物質豐富地區[9]，所以在設計間接蒸發冷卻系統時，需要注意做好水質的處理和換熱器的定期維護。

4 結語

蒸發冷卻技術在全國數據中心中已經有了不少案例應用[10]，本文通過分析蒸發冷卻技術在貴陽某數據中心實際案例工程中的應用和需注意的問題，通過實際案例的計算和分析表明，蒸發冷卻技術在貴陽地區是具有可行性和節能減排效果的。當前，貴陽作為首個國家級大數據綜合試驗區，在貴陽建設的數據中心也在日益增加。希望讀者在設計貴陽地區數據中心的初期，結合數據中心本身特征和要求，考慮采用蒸發冷卻技術作為一種數據中心降溫的冷卻方案，為數據中心的建設單位提供多一種節能減排方案。