數據中心間接蒸發自然冷卻空調系統在中國的適用性分析

褚俊杰 徐 偉 霍慧敏

（中國建筑科學研究院有限公司建筑環境與能源研究院 北京 100013）

0 引言

近些年以來，移動互聯網、云計算、大數據應用需求呈現出爆發式增長，信息技術創新驅動智能終端、VR、人工智能、可穿戴設備、物聯網和5G等領域快速發展以及“互聯網+”向各種產業加速滲透，帶動了數據存儲規模、計算能力以及網絡流量的大幅增加。而中國無疑是信息產業技術發展最為活躍的區域，中國移動互聯網的訪問量和手機保有量均是全球之最。全球上市互聯網公司30強中，其中有10個是中國公司[1]。這么巨大的信息訪問量和處理量，帶來數據中心的快速建設與發展。隨著整個社會發展對數據中心的需求量不斷增長，并且由于IT設備的高密度以及全年365天、每天24小時不間斷的運行，從而造成了數據中心對電力能源的消耗急劇增長。有相關數據表明，2018年全中國數據中心總用電量為1608.89億千瓦時，比上海市2018年全社會用電量（1567億千瓦時）還要多，相當于整個中國三峽大壩的全年發電量[2]。蒸發冷卻技術是一種利用水分蒸發制取冷量的高效自然冷卻方式，在數據中心空調系統中利用間接蒸發自然冷卻方案時，將會顯著提高空調設備的換熱效率，延長自然冷源的利用時間[3]。因此對于應用間接蒸發冷卻技術解決數據中心散熱問題，已經成為國內外學者研究的熱點。Sang-Woo Ham等人[4]研究了各種風側冷卻器在數據中心中的節能潛力，結果表明與數據中心的傳統冷卻系統相比，風側節能裝置節能47.5%～67.2%。采用高效換熱器的間接風側冷卻器節能效果顯著，并且系統結構簡單。Yin Bi等人[5]采用新型露點間接冷卻系統和優化的供冷風管理系統，在選定的10種氣候條件下進行了實驗研究，認為10個典型城市的數據中心空調電耗可節省87.7%～91.6%。謝曉云、馮瀟瀟等[6]提出一種基于間接蒸發冷卻塔的數據機房冷卻系統，夏季，間接蒸發冷卻塔作為機械式制冷機的冷卻塔，能夠制備低于濕球溫度的冷卻水，從而提高制冷機COP；冬季，間接蒸發冷卻塔作為冷卻系統的冷源，為數據機房獨立供冷，由于間接蒸發冷卻塔結構獨特，能夠實現冷卻塔冬季防凍的功能。黃翔等[7]提出基于直接蒸發冷卻技術、間接蒸發冷卻技術及乙二醇自然冷卻技術實現蒸發冷卻空氣-水空調系統在數據中心機房空調系統領域中的首次應用，并實現全年100%自然冷卻。

本文首先針對“China Free Cooling Tool”工具制作的基于ASHRAE最新標準的中國自然冷卻地圖，直觀地表現了中國應用自然冷卻的范圍越來越大。然后系統介紹了基于風側間接蒸發自然冷卻和水側間接蒸發自然冷卻系統的工作原理、模式切換以及運行邏輯，最后選擇全國主要的31座城市分別計算分析了自然冷卻應用潛力，并得到相關結論。

1 數據中心環境參數范圍

數據中心IT 設備運行環境空氣參數要求對制冷空調系統的能耗以及IT 設備的可靠性具有顯著的影響。ASHRAE 在2001年專門成立了關于數據中心的技術委員會9.9（簡稱ASHREA TC 9.9），該技術委員會是由數據中心設備生產商、數據處理設備終端用戶的業主與管理人員、政府機構、研究機構、設計咨詢機構和實驗室測試專家等組成專業的研究團隊。為了使行業內更好地理解IT 設備冷卻環境要求對數據中心的影響，ASHRAE TC 9.9在2004年出版了第一版的《數據處理環境熱指南》[8]，其中對于1 級與2 級IT 設備進氣條件推薦的溫度范圍是20℃～25℃，相對濕度范圍是40%～55%的相對濕度。為了指導運營商維持數據中心內環境的高可靠性，并以最節能的方式運行數據中心，ASHRAE TC 9.9 在2008、2011 和2015年繼續更新了這個指南[9-11]，持續擴大了數據中心IT 設備運行環境的環境空氣推薦范圍，如表1 所示，從而使越來越多的地區能夠在更長的時間范圍內充分利用自然冷源對數據中心進行散熱。

表1 為ASHRAE 四個版本中數據中心環境參數的推薦值。將服務器運行的環境溫度（進風溫度）從20～25℃放寬到18～27℃。在2015年的更新版本中，推薦值的露點溫度繼續降低，露點溫度的下限達到了-9℃，這更是前所未有的。

表1 ASHRAE TC 9.9 數據中心環境參數推薦值Table 1 Recommended values of data center environmental parameters in ASHRAE TC 9.9

除了推薦值，ASHRAE 在2015年的更新版本中，繼續對環境參數的追加值進行了更加細致的修訂，如表2 所示。

表2 ASHRAE TC 9.9-2015 數據中心環境參數追加[11]Table 2 Equipment Environment Specifications for Air Cooling in ASHRAE TC 9.9-2015

國內標準規定的數據中心環境參數范圍也隨之進行了變更。同時明確規定主機房的溫濕度是冷通道或機柜進風區域的干球溫度、相對濕度和露點溫度。新國標中推薦的冷通道或者機柜的進風溫度是一個范圍值而不是一個定值。其中機柜的最高進風溫度要求小于27℃，機柜的最低進風溫度要求大于18℃，露點溫度范圍5.5～15℃。當IT 設備對環境溫濕度可以放寬要求時，冷通道或者機柜的進風溫度可以擴大到15～32℃，其中露點溫度要求不能高于17℃。

圖1 ASHRAE TC 9.9-2015 數據中心環境參數追加焓濕圖[6]Fig.1 2015 recommended and allowable envelopes for ASHRAE Classes A1,A2,A3,and A4

表3 國內標準規定的數據中心機房環境參數范圍[12-14]Table 3 Equipment Environment Specifications for Air Cooling in domestic standards

2 中國自然冷卻范圍

隨著數據中心環境參數范圍的不斷放寬，再加上數據中心節能減排的巨大壓力。因此在數據中心排熱過程中充分利用自然冷卻技術，越來越成為人們關注的重點。

使用綠色網格組織（The Green Grid）發布的“China Free Cooling Tool”，在基于ASHRAE 2015推薦的數據中心溫度和濕度范圍內制作了中國自然冷卻地圖。在更大的允許范圍內，更新的自然冷卻地圖顯示自然冷卻技術的擴展潛力，以鼓勵數據中心設計團隊采用這些自然冷卻節能技術。

如圖2 所示，為基于ASHRAE TC 9.9-2015 推薦值的數據中心溫度和濕度范圍做出的中國自然冷卻地圖。地圖中顯示了基于干球溫度≤27℃，露點溫度≤15℃的全國統計小時數。圖中可見，在中國西北絕大部分地區全年利用自然冷卻的小時數均高于8000 小時。甚至有些地區全年都可以應用自然冷卻。這些地區建設數據中心，可以為排熱系統提供極為便利的自然冷卻環境條件。

圖2 中國自然冷卻地圖（推薦值：干球溫度≤27℃，露點溫度≤15℃）Fig.2 Natural cooling map of China(recommended value:dry bulb temperature≤27℃,dew point temperature≤15℃)

如圖3 所示，為基于ASHRAE TC 9.9-2015 A2等級的數據中心溫度和濕度范圍繪制的中國自然冷卻地圖。地圖中顯示了基于干球溫度≤35℃，露點溫度≤21℃的全國統計小時數。當數據中心環境參數進一步放大到A2 等級，全國可利用自然冷卻的范圍進一步擴大。全年利用自然冷卻的小時數8000 小時分界線已經到河北、山西、陜西、四川、云南等地。也就是說如果在A2 等級環境要求下，這些區域也可以在全年絕大部分時間利用自然冷卻，即可完全保證數據中心內的熱環境。

圖3 中國自然冷卻地圖（A2 等級：干球溫度≤35℃，露點溫度≤21℃）Fig.3 Natural cooling map of China(recommended value:dry bulb temperature≤35℃,dew point temperature≤21℃)

如圖4 所示，為基于ASHRAE TC 9.9-2015 A3等級的數據中心溫度和濕度范圍做出的中國自然冷卻地圖。地圖中顯示了基于干球溫度≤40℃，露點溫度≤24℃的全國統計小時數。如果數據中心環境參數進一步放大到A3 等級，全國大部分地區全年利用自然冷卻的小時數都超過了8000 小時。中國南方的絕大部分地區全年利用自然冷卻的小時數也都超過了6000 小時以上。

圖4 中國自然冷卻地圖（A3 等級：干球溫度≤40℃，露點溫度≤24℃）Fig.4 Natural cooling map of China(recommended value:dry bulb temperature≤40℃,dew point temperature≤24℃)

從圖2-圖4 的中國自然冷卻地圖中可以非常直觀地看到，逐步提高的數據中心熱環境可允許參數，為數據中心自然冷卻的利用提供了極為優越的自然冷卻條件。

3 間接蒸發自然冷卻系統

3.1 風側間接蒸發自然冷卻

由于中國西北大部分地區的空氣質量往往不盡如意。因此在這些地方數據中心建設中，向數據中心內直接引入室外新風的方案風險很大，并不被人們所接受。因此為了降低數據中心的能耗同時更大限度的利用自然冷源。間接蒸發自然冷卻技術成為首要選擇。如圖5 所示，為典型的數據中心風側間接蒸發自然冷卻系統示意圖。該間接蒸發自然冷卻系統在全年工作過程中，有三種工作模式，分別為干模式（冷卻器空氣/空氣換熱）、濕模式（風側間接蒸發冷卻）、耦合模式（風側間接蒸發冷卻+機械制冷）。根據室外環境參數全年的動態變化，三種工作模式依次動態切換，為數據中心熱環境提供保障。

圖5 數據中心風側間接蒸發自然冷卻系統Fig.5 Data center air side indirect evaporative natural cooling system

表4 間接蒸發冷卻器換熱效率對比[15]Table 4 Comparison of heat transfer efficiency of indirect evaporative cooler

通過總結參考文獻發現，不同間接蒸發冷卻器的換熱效率有著較大的差別，如表4 所示。數據中心空調的冷卻器，不僅僅要考慮夏季濕工況運行模式下的換熱效率，還要考慮冬季和過渡季節干工況運行模式時空氣/空氣之間的換熱效率。考慮換熱效率以及經濟成本等因素，板翅式和管式換熱器形式在數據中心空調中的應用更為普遍。

表5 風側間接蒸發自然冷卻空調系統模式切換Table 5 Mode switching of air side indirect evaporative natural cooling air conditioning system

在送風25℃的條件下，確定風側間接蒸發自然冷卻空調系統模式切換參數點。當室外環境干球溫度低于21℃時，為風側間接蒸發自然冷卻空調系統的干運行模式，如圖5（a）所示。此時空調系統通過冷卻器空氣/空氣換熱，為數據中心排熱。當室外環境溫度升高干球溫度高于21℃時，只是靠空氣/空氣換熱已經無法保證數據中心的有效排熱，此時對換熱器的室外側進行噴淋水，空調系統切換到濕運行模式即間接蒸發冷卻運行模式，如圖5（b）所示。當室外環境溫度繼續升高，環境濕球溫度高于21℃時，此時通過間接蒸發冷卻換熱也仍然無法進行有效排熱的時候，開啟機械制冷，運行間接蒸發冷卻與機械制冷耦合運行模式，如圖5（c）所示。冷卻器的出風經過蒸發器進一步降低后再送入數據中心內。同時冷卻器的排風經過冷凝器帶走冷凝熱，提高機械冷源的能效。表5 為風側間接蒸發自然冷卻空調系統各個運行模式的切換點。

3.2 水側間接蒸發自然冷卻

風側間接蒸發自然冷卻系統中需要通過送風管道將制取的冷風送入數據中心的冷通道內。因此系統的送風管道不宜過長，也不宜有過多的彎頭和拐點。因此風側間接蒸發自然冷卻系統往往適用于倉儲式、大平層式數據中心。而實際過程中數據中心的建筑形式是多種多樣的，同時由于風的載冷量遠小于水。因此水側間接蒸發自然冷卻系統成為數據中心熱環境控制的另一種選擇。

如圖6 所示，為數據中心水側間接蒸發自然冷卻系統示意圖。水側系統的核心設備是間接蒸發冷卻冷水機組[16-18]。當室外環境干球溫度低于3℃時，為風側間接蒸發自然冷卻空調系統的干運行模式，如圖6（a）所示。此時空調系統通過表冷器內的防凍冷卻介質（例如乙二醇）與室外溫度較低的空氣換熱，為數據中心排熱。當室外環境溫度升高，干球溫度高于3℃時，只是靠空氣/防凍冷卻介質換熱已經無法保證數據中心的有效排熱，此時間接蒸發冷卻冷水機組開始工作，空調系統切換到濕運行模式即間接蒸發冷卻產出冷水運行模式，利用間接蒸發冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器為數據中心排熱，如圖6（b）所示。當室外環境溫度繼續升高，環境濕球溫度高于18℃時，此時通過間接蒸發冷卻模式也仍然無法進行有效排熱的時候，開啟機械制冷冷水機組，運行間接蒸發冷卻與機械制冷耦合運行模式，如圖6（c）所示。機械制冷冷水機組產生的冷水直接提供給數據中心的空調末端，而間接蒸發冷卻冷水機組用以排出機械制冷冷水機組的熱量。間接蒸發冷卻冷水機組制取的冷水溫度要低于普通冷卻塔的出水溫度，從而提高整個空調系統的能效。表6 為水側間接蒸發自然冷卻空調系統各個運行模式的切換點。

圖6 數據中心水側間接蒸發自然冷卻系統Fig.6 Data center water side indirect evaporative natural cooling system

表6 水側間接蒸發自然冷卻模式切換Table 6 Mode switching of water side indirect evaporative natural cooling air conditioning system

4 自然冷卻應用潛力分析

使用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[19]內的全國各城市的逐時氣象參數資料，來分析全國數據中心利用自然冷卻的潛力。以陜西省西安市為例，西安市的環境空氣干球溫度、濕球溫度、露點溫度的全年分部情況如圖7 所示。西安市干球溫度最高在37℃～38℃之間，全年僅5 個小時。西安市干球溫度最低在-7℃～-6℃之間，全年一共18個小時。而處于18℃～19℃區間小時數最多，全年達到324 小時。西安市濕球溫度最高在27℃～28℃之間，全年僅4 個小時。西安市濕球溫度最低在-8℃～-9℃之間，全年一共12 個小時。濕球溫度處于16℃～17℃之間小時數最多，全年一共423個小時。露點溫度方面，西安市全年一共有1929個小時，露點溫度高于17℃。此時需考慮對空氣進行除濕處理。

圖7 環境空氣干球溫度、濕球溫度、露點溫度全年分布Fig.7 Ambient air dry bulb temperature,wet bulb temperature,dew point temperature distribution throughout the year

按照表5 提出的風側空調系統模式切換點，統計風側間接蒸發自然冷卻系統在西安地區的全面運行時間分布，如圖8 所示。風側間接蒸發自然冷卻系統，全年有6077 個小時處于干模式，占全年小時數的69.37%；全年有1577 個小時處于濕模式，占全年小時數的18.00%；全年有1106 個小時處于蒸發冷卻與機械制冷的耦合模式，占全年小時數的12.63%。風側系統全年一共有87.37%的時間處于低能耗的運行模式。

圖8 風側間接蒸發自然冷卻系統全年運行時間Fig.8 Annual operating hours of the air side indirect evaporative natural cooling system

按照表6 提出的系統模式切換點，統計水側間接蒸發自然冷卻系統在西安地區的全面運行時間分布如圖9 所示。水側間接蒸發自然冷卻系統，全年有1777 個小時處于干模式，占全年小時數的20.29%；全年有4707 個小時處于間接蒸發冷卻產出冷水的濕模式，占全年小時數的53.73%；全年有2276 個小時處于間接蒸發冷卻冷水機組與機械制冷冷水機組聯合工作的耦合模式，占全年小時數的25.98%。由此可見，如果使用水側間接蒸發自然冷卻系統，濕模式下水側系統全年運行時間遠超過風側系統濕模式運行時間。水側系統全年一共有74.02%的時間處于低能耗的運行模式。

圖9 水側間接蒸發自然冷卻系統全年運行時間Fig.9 Annual operating hours of the water side indirect evaporative natural cooling system

4.1 風側間接蒸發自然冷卻應用潛力

選擇全國31 個主要的中心城市，分別統計風側間接蒸發自然冷卻系統全年運行時間，如圖10所示。全國31 個中心城市中，風側間接蒸發自然冷卻系統，拉薩市的風側系統干工況模式運行時間最長為8365 個小時。風側系統干工況模式運行時間最短的是海口市，全年僅為2317 個小時。濕工況模式運行最長的城市是南寧市，全年有3037 個小時間接蒸發冷卻模式工作。濕工況模式運行最短的城市是拉薩市，全年僅136 個小時間接蒸發冷卻模式工作。風側系統，間接蒸發冷卻與機械制冷聯合工作的耦合模式運行時間最長的城市是海口市，全年中必須有5475 小時開啟機械制冷系統。值得一提的是，烏魯木齊市和蘭州市全年系統開啟機械制冷的時間僅為6 個小時和2 個小時，西寧市、拉薩市和昆明市中，全年甚至不需要開啟機械冷源。在這些地區，使用風側間接蒸發自然冷卻空調系統，即可以充分保障數據中心的熱環境。

圖10 風側間接蒸發自然冷卻系統全年運行時間Fig.10 Annual operating hours of the air side indirect evaporative natural cooling system

4.2 水側間接蒸發自然冷卻應用潛力

選擇全國主要的31 個中心城市，分別統計水側間接蒸發自然冷卻系統全年運行時間，統計結果如圖11 所示。全國31 個中心城市中，水側間接蒸發自然冷卻系統，哈爾濱市的水側系統干工況模式運行時間最長為3983 個小時。有多個城市水側系統干工況模式運行時間較短，其中重慶市全年僅運行5 個小時。甚至福州、南寧、廣州、海口全年中最低的干球溫度均高于3℃，即全年都無需開啟干模式運行。濕工況模式即間接蒸發冷卻產出冷水模式全年運行最長的城市是昆明市，全年有7922 個小時。濕工況模式運行最短的城市是海口市，全年僅1703 個小時為間接蒸發冷卻產出冷水模式工作。水側系統，間接蒸發冷卻產出冷水與機械制冷冷水機組聯合工作的耦合模式運行時間最長的城市是海口市，全年中必須有7057 小時開啟機械冷源系統。值得一提的是，西寧市和烏魯木齊市全年系統開啟機械制冷的時間僅為22 個小時和43 個小時，拉薩市，全年水側系統甚至不需要開啟機械冷源。在這些地區，使用水側間接蒸發自然冷卻空調系統，也可以充分保障數據中心的熱環境。

圖11 水側間接蒸發自然冷卻系統全年運行時間Fig.11 Annual operating hours of the water side indirect evaporative natural cooling system

通過分析這些主要城市的系統全年運行時間發現，水側間接蒸發自然冷卻空調系統更適合用在中國北方地區。即水側系統空氣/防凍冷卻介質的換熱模式，可以很好地解決冬季水側系統結冰無法使用的難題。而間接蒸發冷卻冷水機組可以產出低于環境空氣濕球溫度的冷水，相比于冷卻塔，大大擴展了蒸發冷卻冷水設備的應用范圍和時間。

5 結論

（1）首先針對使用“China Free Cooling Tool”工具制作的基于ASHRAE 最新標準的推薦值、A2等級、A3 等級參數范圍的中國自然冷卻地圖進行分析，直觀地表明隨著數據中心送風標準要求的放寬，數據中心可應用自然冷卻的范圍在逐步擴大。

（2）分別對風側間接蒸發自然冷卻空調系統和水側間接蒸發自然冷卻空調系統的工作原理、系統模式切換、運行邏輯以及切換環境參數狀態點進行了分析。

（3）在給定的切換環境參數狀態點的基礎上，分別統計全國31 個主要城市的系統全年運行時間分布。結果表明，在西寧、拉薩、昆明等城市，風側系統全年不需要開啟機械制冷冷源，即可以滿足運行要求。在西寧、拉薩、烏魯木齊等城市，水側系統全年不需要開啟機械制冷冷源，即可以滿足運行要求。通過分析指出，隨著國際標準和國內標準中對于數據中心的進風狀態參數的逐步放寬，風側間接蒸發自然冷卻空調系統和水側間接蒸發自然冷卻空調系統在中國數據中心中具有較大的適用性。