清華大學建筑節能研究中心  才  華  謝曉云 

       【摘  要】 應用于我國西北地區數據中心的冷卻，間接蒸發冷卻塔可以從原理上解決普通冷卻塔面臨的防凍問題，還可以延長自然冷卻時間、降低出水溫度實現節能。然而單獨運行間接蒸發冷卻塔，出水溫度會隨著外部環境條件的變化而波動，在濕度高的天氣下可能無法制冷。為實現全年穩定可靠地運行，進而拓展其適用的氣候區，可將水冷冷機和間接蒸發冷卻塔聯合運行。如果進一步將二者結合成小型化一體機，既可解決放置空間不足的問題，又可實現控制上的便利，還可在工況切換時避免水管結凍風險。本文介紹了這種小型化一體機的工作原理和運行模式；通過案例分析，得出該系統的節能潛力。如果通過末端的優化設計，冷凍水溫度可進一步提升，便可實現進一步的節能。

       【關鍵詞】間接蒸發冷卻，小型化一體機，工作原理，運行模式

Abstract:When aiming at data center cooling in northwest of China, indirect evaporative chiller can avoid freezing radically, and meanwhile save energy by expanding natural cooling time and lowering outlet water temperature. However, the indirect evaporative chiller alone cannot achieve stable supplying water temperature due to the fluctuating outside condition. When it occurs to be hot and humid, the indirect evaporative chiller cannot realize cooling. So a combination of indirect evaporative chiller and water-cooled mechanical chiller is a necessity to solve this problem. When combined as miniaturized integrated machines, they can save space and can be easy to control. The way how the machine is integrated can help avoid water pipes freezing when changing operating mode. In this paper, the principles and operating modes of the miniaturized integrated machine are introduced. Through case study, the potential of energy saving are calculated. If high supplying water temperature is feasible through optimizing the terminals, energy can be further saved.
Keywords:indirect evaporative cooling, miniaturized integrated machine, principle, operating mode

0 引言

       隨著科技的不斷發展，工業、商業、信息交流、社會活動等領域對網絡依賴程度不斷提高，人們對數據的計算速度和儲存能力的需求急劇增長，數據中心規模不斷擴大。數據中心用能的特點為能量密度高（未來將會達到8-15 kW/m^{2 [1]}），增長速度快，空調用電比例高（2016年，我國數據機房空調系統用電比例為40%^[1]）。自2010年至2012年，全球數據中心用電量增長了29%，2012年數據中心用電量約為7203億kWh^[2]，約占全球總能耗的1.4%^[3,4]。2012年，我國數據中心年耗電量為665億千瓦時，3年之內耗電量增長了37%^[2]，耗電量約占全國全年用電量的1.5%。

       為降低數據機房的耗電量，延長自然冷卻時間進而充分利用自然冷源是人們關注的重點。已有的機房冷源系統形式是新風直接冷卻，直接蒸發冷卻+新風直接冷卻，間接蒸發冷卻+新風直接冷卻，風冷冷水系統+精密空調和水冷冷水系統+精密空調^[3]。引入室外新風可能會引入顆粒物和有害氣體對數據機房不利^[5]；如果沒有蒸發冷卻系統，只引入室外空氣的自然冷卻時間很短。風冷冷水系統的干冷器系統復雜、投資高,且與新風直接冷卻一樣面臨自然冷卻時間短的問題;水冷冷水系統中冷卻塔的冬季結冰問題嚴重^[3]。目前大型數據中心主要建在北方，以充分利用自然冷源，且多采用水冷系統。它面臨的核心問題是冬季冷卻塔的結冰問題，和水冷系統的傳熱性能提升問題。

       北方寒冷及嚴寒地區冬季氣溫低于0℃，而數據中心需要全年冷卻，噴淋塔需要全年開啟，由此產生結冰問題。結冰會影響冷卻塔的散熱效果，損壞冷卻塔的承重結構、填料等部件，影響冷卻塔的使用期限^[3]。目前已有的冷卻塔防凍措施有（1）采用其他設備替代冷卻塔，比如干冷器或閉式冷卻塔^[3]。然而對于干冷器來說，干球溫度決定的自然冷卻時間比濕球溫度短，換熱面積大投資高，系統切換復雜無法應對氣溫的日夜變化^[3]；閉式冷卻塔的性能低于常規冷卻塔，且冬季控制不當仍然會凍，干冷器冬季存在的問題閉式冷卻塔都存在^[3]。（2）為冷卻塔添加額外的熱源^[3]，比如電伴熱帶、防凍化冰管^[3,6] 、進風口處增加熱水水簾^[3,7-8]，但是電加熱系統電耗高，安全性低，無法根治防凍^[3]。（3）改變冷卻塔的的結構^[3]，安裝擋風板^[3,9-14]或改變布水方式^[3,15-16]。（4）改變冷卻塔的運行方式，比如風機周期性倒轉^[3]。以上措施都不能根本上解決進風溫度低帶來的結凍問題。所以需要從提升進風溫度出發，找到一種根治冷卻塔凍的方法，在此基礎上再降低系統電耗。

       我國西北地區氣候干燥。對于干燥地區的數據機房，間接蒸發冷卻塔^[17]可以從根本上解決上述防凍問題；同時，間接蒸發冷卻塔可利用更低溫的自然冷源，延長自然冷卻時間、降低出水溫度至濕球溫度以下，從而實現節能。對于全年冷卻，由于夏季存在室外溫度高、濕度較高的工況，為保證冷源出水溫度的穩定，間接蒸發冷卻塔可與水冷電制冷機結合而形成新系統；該系統用在我國西北地區的數據機房，可極大程度上發揮其優勢。如果對末端進行優化，使得系統要求的冷凍水供水溫度可以升高，那么自然冷卻時間可以進一步延長，冷源系統的能效也可以大幅度提升。目前對機房的新要求為，冷通道或機柜進風區域溫度為18-27℃^[18]，所以二次水供回水溫度最高可以達到21/27℃^[18]，為進一步節能創造了條件。

1 間接蒸發冷卻與電制冷機結合的新系統運行模式及其原理

       1.1 新系統原理及切換方法

       將間接蒸發冷卻塔與常規水冷冷水機組相結合，形成一種全新的機房空調冷源系統^[3]，如圖1所示。

       由圖1，間接蒸發冷卻塔制備出的冷水首先送入板式換熱器，板式換熱器一側為間接蒸發冷卻塔制備的冷水，另一側為機房的冷水回水。在板式換熱器的機房冷水回水側設置閥門1和閥門2，用來實現不同工況的切換，系統設計與工況切換方法詳見參考文獻[3]。間接蒸發冷卻塔的兩種流程可分別稱為為串聯和并聯循環，圖2展示了各自的循環示意圖^[3]。圖1展示的是串聯循環與水冷冷機結合的系統。

       夏季工況，間接蒸發冷卻塔作為水冷冷機的冷卻塔用^[3]。此時閥門1關閉，閥門2打開，機房的回水僅經過水冷冷機的蒸發器被降溫，間接蒸發冷卻塔制備出冷卻水帶走冷凝器的排熱。在此工況下，冷卻水經過板式換熱器但溫度不變，之后進入制冷機組的冷凝器升溫^[3]。

       冬季工況，制冷機組關閉，間接蒸發冷卻塔獨立作為冷源。此時閥門1開啟，閥門2關閉^[3]。在不同室外氣象條件時，為實現穩定的供水溫度，機組會根據室外的氣象來調節排風量。對于并聯循環，冬夏分界線介于等濕球溫度線和等露點線之間（見圖8），可根據濕球溫度和露點溫度的均值來調節排風量，實現控制的便利。當供回水溫度為10℃/16℃時，代表排風量的氣水質量之比（風水比）的調節情況如圖3所示，冷卻水系統一直不調節。

       過渡季工況，室外露點溫度、濕球溫度介于冬季和夏季之間，間接蒸發冷卻塔制備出的冷水溫度也在一次水設計供回水溫度之間。此時間接蒸發冷卻塔與機械制冷機組可以聯合運行共同制備出機房所需的冷水供水，此時閥門1開啟，閥門2關閉^[3]。

       由上述各工況的運行模式可見，新系統可僅通過比較間接蒸發冷卻塔出水溫度與機房要求的供回水溫度的關系便可決定運行模式。對于不同的運行模式，整個冷卻水系統不存在切換，僅是機房冷水側的閥門1和閥門2進行切換、制冷機組的啟停。從運行調節上講，該系統不存在由于工況手動調節不當，而導致有水管存著不流動的水而結冰的情況，保證了冷卻水管路冬季不凍。同時，間接蒸發冷卻塔可以從原理上使得冬季低溫進風被升溫進而防凍。系統安全防凍。

       此外，冬季工況，只需變頻調節間接蒸發冷卻塔的排風量，便可穩定出水溫度，控制邏輯簡單。

       1.2 冬季防凍原理

       圖4在焓濕圖上表示出了間接蒸發冷卻塔串聯循環的一個冬季運行工況。該工況取蘭州冬季最冷的室外氣象參數^[19]，室外干球溫度-16.9℃，冬季一次水回水溫度16℃，出水溫度10℃，空氣與水的溫度沿程變化如焓濕圖所示。該工況下的氣水比為0.46。不同季節工況計算的數學模型詳見參考文獻[17]。

       由圖4可知，發生在間接蒸發冷卻塔內部的空氣和水直接接觸的整個蒸發冷卻過程，空氣的干球高于11℃，濕球高于3℃，水溫高于10℃，整個噴淋過程都不存在溫度低于0℃的位置，沒有結冰的風險。間接蒸發冷卻塔冬季制備冷水，其能夠防凍的核心是通過間接蒸發冷卻塔的表冷器利用機房回水對室外風升溫，使得空氣和水直接接觸的蒸發冷卻過程在高溫的環境下完成[3]。馮瀟瀟[3]給出了間接蒸發冷卻塔冬季工況的測試結果，包括系統進風參數、空氣-水換熱器（表冷器）的出風溫度與系統進出水的溫度測試，用紅外熱成像儀測試風水順流、逆流的表冷器的進風面和水管拐角處的溫度分布狀況，實驗結果展示于圖5-6。實驗結果可證明表冷器預熱空氣的方法可以使得間接蒸發冷卻塔各處都不會結凍。

       1.3 夏季出水低于濕球溫度的原理 

       間接蒸發冷卻塔在夏季運行時，機組進風通過表冷器被機房冷卻水回水（串聯循環）或與機房冷卻水同溫度的自身制備的冷水（并聯循環）進行冷卻，其降低出水溫度的核心是降低噴淋塔進風的濕球溫度^[20]，這也是降低入口參數的不匹配程度的過程。圖7焓濕圖展示了并聯循環的間接蒸發冷卻塔沿程的溫濕度分布。對于間接蒸發冷卻塔來說，進風被等濕降溫，使得進風濕球溫度下降，從而使得冷水出水溫度降低。極限情況，間接蒸發冷卻塔的出水溫度可以無限接近露點溫度，而常規冷卻塔的出水極限溫度僅能到室外濕球溫度。干燥地區室外露點溫度可以比室外濕球溫度低4-10℃^[20]，從而，利用間接蒸發冷卻塔可以降低冷水出水溫度，比常規冷卻塔低2.5-4℃^[20]。當間接蒸發冷卻塔當做機械制冷機組的冷卻塔使用時，可以降低冷凝器的冷凝溫度，提高機械制冷機組的COP至1.2-1.6倍，降低機組電耗。

       1.4 缺水時系統運行模式

       在某些地區，冷卻水供應不足，這時候冷凝器排熱的冷卻水不經過噴淋塔只經過表冷器，通過室外風對冷機冷凝器的冷卻水降溫。

       當夏季工況室外干球溫度32.7℃，濕球溫度21.5℃，大氣壓84.82kPa(蘭州氣象數據^[19])，對于與電制冷機結合的間接蒸發冷卻塔的串聯方案，串聯循環冷卻水溫度為45.5℃/50.5℃，電制冷機的冷凝溫度為51.5℃；若將間接蒸發冷卻塔的風機設計為雙速風機，缺水時，風機在高速下運行，冷卻水溫僅為37.9℃/42.9℃，電制冷機的冷凝溫度為43.9℃。對于風冷機組，此時冷凝溫度為47.7℃。所以在極端缺水情況，其效果與風冷機相當。

       所以，該系統也可以在冷卻水供應不足的情況下與風冷機組在相當的耗電量下運行，大大降低了水冷系統對補水的依靠程度，提高了系統的安全性。

2  典型案例分析

       對于位于蘭州的某供冷量14.4MW的數據機房，需冷源系統全年為機房穩定提供冷凍水。根據機房對供水溫度的最新要求[18]，取一次水供水溫度在10-20℃的溫度區間，每隔2.5℃計算一組工況。采取蘭州的氣象參數。對比方案為（1）方案一，串聯間接蒸發冷卻塔與水冷冷機結合的新系統；（2）方案二，并聯間接蒸發冷卻塔與水冷冷機結合的新系統；（3）方案三，風冷冷機；（4）方案四，普通冷卻塔與電制冷機結合的系統。

       所有方案間接蒸發冷卻表冷器為6排，NTU=2.65。

       全年氣象參數及提供10/16℃冷水時各方案的冬夏分界點如圖8所示。低溫、高溫冷卻水的自然冷卻時長、全年耗水量耗電量為表1和表2所示。圖9展示了干空氣能全年分布。夏季干空氣能大于等于1 kJ/kg.a的時候都適合用間接蒸發冷卻。

       四種方案在不同供回水溫度下全年逐小時的模擬結果如圖10-12所示：

       表1展示了不同方案在不同供回水溫度下自然冷卻工況與非自然冷卻工況的切換條件。

       圖13以15/21℃一次水冷卻水供回水為例，對比了四種方案全年逐小時耗電情況。

       在每個供回水溫度下分別對比四個方案，可以看到，帶有間接蒸發冷卻塔的系統可以延長自然冷卻時間，大幅度降低全年耗電量。其中方案一串聯間接蒸發冷卻循環防凍性能最好。

       對比四個方案各自在不同供回水溫度下的自然冷卻時長和耗電量，可以看到，提高機房供水溫度對可以大幅度降低耗電量。機房供水溫度每提高1℃，蒸發冷水機組依靠自然冷卻運行時間會增加17-19天；且高溫供水可以使得間接蒸發冷卻塔幾乎全年自然冷卻。而對于風冷冷水機組來說，自然冷卻時長隨供回水溫度的變化約為8-9天/℃，為水冷機組的一半。說明提高機房的供回水溫度對水冷系統更為有利。這也反映了這個溫度區間里，干球溫度和濕球溫度隨時間的變化速率的差異。

3 總結

       綜上，間接蒸發冷卻塔與水冷冷機相結合的新型冷源系統，可以實現：（1）夏季降低冷卻水出水溫度，提高冷機COP；（2）冬季從原理上徹底避免冷卻塔結冰；（3）工況切換避免了水管結凍，利于安全運行；（4）極端缺水情況依然可以正常運行，性能與風冷機相當；（5）可模塊化，放置于屋頂，省去機房面積；同時增加冷源的可靠性；可分期投入；（6）運行調控簡單，僅通過風機變頻保證穩定的出水溫度。

       當機房設計供水溫度提高時，該系統的耗電量顯著降低，有著非常大的節能潛力。

       風冷制冷系統的電耗相比常規水冷方式都有明顯增加，在大型數據中心的冷源系統設計中應盡量避免設計風冷制冷的系統。

參考文獻

       [1] 中國制冷學會數據中心冷卻工作組. 中國數據中心冷卻技術年度發展研究報告2017[M]. 北京：建筑工業出版社，2018；
       [2] 中國制冷學會數據中心冷卻工作組. 中國數據中心冷卻技術年度發展研究報告2016[M]. 北京：建筑工業出版社，2016；
       [3] 馮瀟瀟. 間接蒸發冷卻技術在數據中心中的研究與應用[D]. 北京：清華大學，2017;
       [4] Krzywda J, Ali-Eldin A, Carlson T E, et al. Power-performance tradeoffs in data center servers: DVFS, CPU pinning, horizontal, and vertical scaling[J]. FUTURE GENERATION COMPUTER SYSTEMS-THE INTERNATIONAL JOURNAL OF ESCIENCE, 2018 (81): 114-128;
       [5] 中華人民共和國工業和信息化部. GB 50174-2008 電子信息系統機房設計規范[S]. 北京： 中國計劃出版社，2009
       [6] 陶先軍. 一種鋼混結構逆流式冷卻塔的防凍裝置. 中國，203572260U[P]. 2013-10-23
       [7] 奚軍. 冷卻塔防凍裝置. 中國，202562319U[P]. 2012-5-14
       [8] 連寶英, 趙同科, 王利亭，等. 微開式冷卻塔的防凍結構. 中國，201828185U[P]. 2010-7-2
       [9] 朱艷梅, 李士超. 電力冷卻塔防凍擋風板. 中國，202501793U[P]. 2011-12-14
       [10] 姜曉榮, 王偉民, 李敬生，等. 冷卻塔防凍高分子擋風板. 中國，101881573A[P]. 2010-513
       [11] 周亮, 李亮, 張海兵. 熱電廠冷卻塔擋風裝置. 中國，103292613A[P]. 2013-5-29
       [12] 戚福禹, 宋春雷. 一種冷卻塔隨折疊簾式節能防寒系統. 中國，202442604U[P]. 2012-2-9
       [13] Bender T J, Bergstrom D J, Rezkallah K S. A Study on the Effects of Wind on the Air Intake Flow Rate of a Cooling Tower: Part 2. Wind Wall Study[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1996, 1(64): 61-72
       [14] Matoba M, Suzuki Z. Freezing Prevention Structure in Cooling Tower. JPH, 11193991[P]. 1997-12-30.
       [15] Gautier D. Cooling Tower with Crossed Currents Equipped with An Anti-Freeze System. FR, 2593902[P]. 1986-2-6
       [16] 劉官郡, 張迎高, 牛楠. 具有等距內外圈配水結構的冷卻塔. 中國，2926968[P]. 2006-614
       [17] Jiang Y, Xie X. Theoretical and testing performance of an innovative indirect evaporative chiller [J]. Solar Energy, 2010, 12(84)：2041-2055；
       [18] 中華人民共和國工業和信息化部. GB 50174-2017 數據中心設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2017;
       [19] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系. 中國建筑熱環境分析專 用氣象數據集[DB/DK]. 北京：中國建筑工業出版社，2005;
       [20] 謝曉云. 間接蒸發冷卻式空調的研究[D]. 北京：清華大學，2008.

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。