北京建筑大學 曾錦雯 郭一平

       【摘  要】數據中心是典型的大規模、高密度電子器件集成系統，需要良好的散熱才能保障其繼續運行?？照{設備作為其重要支撐子系，耗能非常大，因此降低空調耗能成為其節能減排的關鍵之一。露點間接蒸發冷卻技術是一種能通過二次空氣的蒸發冷卻，從而間接冷卻一次空氣（送風），使得一次空氣降至露點溫度且不改變送風含濕量的技術，是近年來國內外在數據中心應用的研究熱點。本文介紹了露點蒸發冷卻器在數據中心的發展現狀，重點研究了國內外數據中心在蒸發冷卻空調上的應用實例，通過社會效益和環境效益的分析探討其可靠性、經濟性和環保性，總結其關鍵問題和發展方向。

       【關鍵詞】露點蒸發冷卻；數據中心；應用實例；社會效益；環境效益

1 引言

       隨著科技發展和社會進步，數據中心的熱流密度和總的熱負荷越來越大。數據中心作為典型的高密度、大規模的電子器件集成系統，耗電量和耗能量不容小覷。露點間接蒸發冷卻技術可以間接冷卻一次空氣，不增加空氣濕度就能實現制冷的蒸發冷卻技術。該技術具有環保、經濟、節能等特點，在國內外研究都倍受關注。據最新數據統計顯示，目前全球數據中心總量達860萬個，其中美國和西歐幾乎占了一半。當前在歐美地區對傳統數據中心的改造已經基本完成，為了加強企業的全球化的服務能力，歐美地區正加快速度建造新的大型云計算數據中心。而我國的數據中心產業建設還在起步階段，并且市場保持著高增長的趨勢。

       2003年，在第四屆暖通空調國際研討會上，俄羅斯的Valeriy Maisotsenko博士發表了《The Maisotsenko cycle for air desiccant cooling》，提出了Maisotsenko循環（M-cycle），是熱力學的一個重要突破。M-cycle技術其實就是露點間接蒸發冷卻技術，能夠利用水和空氣中的自然清潔的能源，利用濕能進行冷卻降溫，且不增加送風的濕度，具有十分高的能效比（EER）。該技術廣泛永源化工、農業、生產和環保等領域，并且在數據中心的應用非常出色。并且，Delphi Corp公司和Coolerado公司根據M-cycle研發了露點間接蒸發冷卻器，推進了露點間接蒸發冷卻技術的發展和應用推廣。露點間接蒸發冷卻器在2004年被任務是新技術中最重要的產品之一。

       目前我國傳統數據中新還存在這能耗高、成本高、運行耗能大、設計不合理和不環保等缺點。以中國電信的數據中心為例，中國電信擁有的星級數據中心機房大樓至少300個，共有至少4萬客戶16萬臺設備在數據中心機房運行著。中國電信的數據中心每年總耗電量達10億度左右，且空調的耗電量已經從過去的30%上升到目前的40%左右。隨著電費單價的上漲和電信業務價格的優惠下降，中國電信的能耗費用的上漲速度已經超過了電信業務資費的收入的增長速度。同時，受到國內供電能力的制約和節能減排大環境的影響，推廣新一代綠色節能數據中心的任務已經迫在眉睫。

       本文將歸納當前數據中心的冷卻技術，探討目前數據中心空調制冷的局限性，通過社會效益評價和環境效益評價分析，總結間接蒸發冷卻技術的節能優勢，呼應國家戰略要求，大力推廣節能減排的新技術。

2 國內外案例分析

       2.1 Coolerado在數據中心的應用

       Idalex公司基于M-Cycle的間接蒸發傳熱傳質換熱器提出并申請了專利，授權給Coolerado 公司開發了一系列 Coolerado Cooler產品。制造商聲稱，換熱器的濕球效率可達到94%~122%。

       Coolerado Cooler是用100%的全新風作為送風，應用于美國科羅拉多州的美國國家冰雪數據中心（National Snow and Ice Data Center）取得了良好的收益效果。該數據中心建立在Boulder地區，數據中心內安裝了8臺Coolerado M50露點間接蒸發冷卻器，經過測試，每臺冷卻器的送風量在室外靜壓0Pa至250Pa時，送風量從2462m³/h變化至1256m³/h。Coolerado Cooler的機組是模塊化的，器聯合安裝8臺機組，每臺機組的功率為710W，數據中心的面積為160m²，這8太機組聯合安裝能達到大風量組合式空調機組的制冷效果。如下表所示為Coolerado Cooler在美國國家冰雪數據中心的應用中，對使用精密空調的PUE值和使用露點間接蒸發冷卻空調的PUE值的測試結果對比如圖2-1所示。

圖2-1 間接蒸發冷卻空調PUE對比圖

       該數據中心位于Boulder地區，在2月至4月室外氣溫較低，室外空氣可通過簡單過濾室外冷空氣，直接使用自然通風為設備降溫，獲得了近似“免費”的供冷 。因此只需在室外氣溫較高的5月至12月和1月使用Coolerado的冷卻器。使用精密空調時，PUE值在2左右，最大的PUE值在4月份達到了2.5，在5月份PUE值最低為1.55左右。而使用Coolerado的露點間接蒸發冷卻器時，數據中心的PUE值都在1.75以下，并且在1月、10月、11月和12月都非常接近于1。由此看得出使用露點間接蒸發冷卻器是比使用精密空調更加節能有效的制冷方式。

       2.2 國內某數據中心案例分析

       2.2.1 工程概況

       以河南省鄭州某機房工程為例，對露點蒸發空調機組的節能潛力進行分析。該機房面積約為210m²，機房冷負荷為136KW。原來配備4臺阿爾西精密空調CYBERCOOLDXAU 36e2 S6。單臺阿爾西精密空調的制冷量為36.9KW，輸入功率為11.1KW，送風方式為上送風。

圖2-2-1 鄭州某機房平面圖（左：改造前；右：改造后）

       該工程配置4臺機房精密空調，輸入功率共44.4KW，制冷量共147.6KW。如圖2-1所示為機房平面圖?，F進行機房節能模擬改造，增置使用M-cycle技術的露點間接蒸發冷卻器為機房進行冷卻降溫。

       2.2.2 氣象分析

       根據ASHRAETC9.9介紹的設備環境要求，熱環境參數包絡區如圖2-2所示，在焓濕圖上繪制出推薦區和允許區，推薦區為實施應以推薦運行環境范圍為目標進行設計和運行的值，允許區為設施應以極端運行環境范圍進行設計與運行的值。

圖2-2 ASHRAE2008 推薦的1級設備要求的環境參數包絡區

       鄭州地區屬于暖溫帶亞濕潤季風氣候。四季分明，雨熱同期，干冷同季。隨著四季更替，依次呈現春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨雪的基本氣候特征。鄭州氣候溫和，四季分明。鄭州年平均氣溫14.5℃。七月份最熱，月平均氣溫27.1℃。一月份最冷，月平均氣溫為-0.3℃。鄭州基本氣候情況見表2-1：

表2-1 鄭州基本氣候數據表（近十年統計）

       由于水在0℃以下會結冰，所以要保證空調機組的工作溫度在0℃以上。如表4.2.1河南鄭州基本氣候表統計的數據所示，一年中濕球溫度大于0℃的天數有個75個，最高溫度為42℃，最低溫度為-17℃。因此，為了保證通入空調機組設備的空氣溫度大于0℃，避免凝結現象，可以將回風通入設備中，保護機器設備。由ASHRAETC9.9中給出的包絡區可知，不同工況機組的制冷能力也不同。當室外的干濕球溫度升高時，送風溫度也隨之上升。如果室外空氣溫度的露點溫度值高于30℃時，不僅不能制冷，反而會對回風空氣進行加熱。因此，室外新風的焓值要小于回風的焓值，并且滿足室內送風要求，才能對數據中心進行降溫，否則不宜開啟內循環間接蒸發冷卻機組。這種情況下需使用其他冷卻方式為數據中心降溫。

       濕球溫度＜10℃適合自然冷卻模式，10--15℃之間適合預冷模式，＞15℃適合普通制冷模式

       鄭州地區在4月份至10月份是在滿足 ASHRAE TC 9.9 的環境要求的允許區的，而在5月份至8月份可以滿足器環境要求的推薦區。因此，露點間接蒸發冷卻技術在鄭州地區一年中的大多數月份都可以啟用，本文設定露點間接蒸發冷卻器的使用時間為4月至10月，其他月份可直接通入室外新風為數據中心降溫冷卻。

       2.2.3 技術分析

       改造后，數據中心間接蒸發制冷技術包括兩大部分。分別為蒸發制冷段和機械制冷段。數據中心的制冷包括三種工況：

       1）僅間接蒸發制冷：當室外天氣環境較好時，可以，在室外環境工況良好的情況下可完全通過間接蒸發制冷模式為數據中心供冷；

       2）間接蒸發+機械制冷：間接蒸發制冷量不足時開啟機械制冷輔助提供數據中心供冷；

       3）在室外溫度較高或濕度很大時通過開啟機械制冷為數據中心供冷。

       在較寒冷的4月份和10月份，露點間接蒸發冷卻空調的降溫效果不如恒溫恒濕精密空調好，但是在5月份至9月份，露點間接蒸發冷卻空調能夠很好地利用自然資源，利用清潔環?？諝夂退畞韺崿F有效降溫。也就是說，在一年中的大部分時間，露點間接蒸發冷卻空調都能高效使用，在其他月份也能夠滿足機房的制冷的基本要求。使用情況如下表2-2.

表2-2 改造前后各項指標對比表

       所以，在河南鄭州地區使用露點間接蒸發冷卻空調能達到78%的節能率，達到了非常好的節能效果。

       該項目還滿足以下一些基本要求：

       1）由于該項目使用水作為制冷劑，水是一種潔凈的能源，是可再生能源，來源較廣，費用不高，因此該項目對原材料的適應能力較強。相較于傳統的機械制冷方式，露點間接蒸發冷卻空調在原材料的使用上具有較強的應變能力。

       2）該項目在數據中心的應用非常出色，數據中心自身的負荷具有高顯熱比的特點。如果使用高耗電量、有污染、不穩定的其他制冷方式，機房的總能耗會非常大。

       3）該項目的應變能力較強。

       該冷卻器可以在室外濕度較大的時候滿足使用要求。當室外天氣是陰雨天氣或者濕度偏大的天氣時，即可加強除濕，使得露點效率較高，更好地實現降溫冷卻。因此，該項目的應變能力是比較好的。

3 社會效益評價及環境效益評價

       3.1 社會效益評價

       露點間接蒸發冷卻器在數據中心的應用帶動了大數據行業的發展，對帶動地方經濟的發展起了促進作用。新一代數據中心的建設呼應國家節能減排的戰略要求，使用新的降溫技術，推進了露點間接蒸發冷卻的技術研究，使得新技術的發展和應用越來越成熟。這是一項新的技術領域，需要越來越多的專家、學者和建設人員和運營人員加入進來，對促進就業具有重大意義。

       由于傳統的中小型數據中心都集中在經濟發達的一線城市，北京、上海、珠三角地區的數據中心尤為密集，北上廣地區的人才眾多，推廣露點間接蒸發冷卻技術，促使北上廣的優秀工程師和研究者往地域遼闊的三北地區轉移，推動當地的教育和人才市場。

       新一代數據中心的建設需要人才轉移，并且綠色數據中心的建設不像傳統污染工廠企業，帶動當地發展的同時卻使得當地環境受到了嚴重的污染。如此一來，會有更多的居民愿意在工廠附近居住和生活，會給當地帶來不錯的經濟發展，對社會帶來良好的效益。

       3.2 環境效益評價

       國內數據中心的產業布局已經成為國家戰略要求內容。大數據將會是未來十年重點發展的方向，大批新的數據中心將會建起，原有的數據中心也需要擴大規模，電子集成系統的使用率將更大，由此產生的熱量會更多。根據專家學者的建議，我國新一代綠色數據中心的建設會集中在東北、西北和華北地區，因為這些地區地域遼闊，空氣濕度小，年平均氣溫較低，對數據中心的散熱帶來很大幫助。新一代的綠色數據中心的建設會向郊區轉移，可以緩解城市的熱島效應。新一代的數據中心將是節能綠色環保的數據中心，使用露點間接蒸發冷卻器替代原有的傳統的機械制冷空調，能夠節省一大筆電費，并且以水為清潔能源，能夠對環境有保護作用，體現了節能減排。

       對于傳統的數據中心，對空調系統進行改造，將傳統的機械制冷系統用露點間接蒸發冷卻器代替，進行節能改造。在這個改造過程中，不需要對原建筑裝修，只需要在原有的基礎上增置露點間接蒸發冷卻器，風管也僅需要從原有的窗戶穿過，不需要進行大裝修。因此在改造的過程中，減少了鋼筋混凝土等建筑垃圾的污染。在水資源的使用方面，使用自來水即可，排放出的二次空氣的濕度偏大，溫度也偏高，但都在可控范圍之內，沒有污染氣體，也沒有有害的制冷劑，對所在區域的生態環境是幾乎沒有影響的。

4 結果與展望

       本研究重點研究露點間接冷卻器在數據中心的應用，探討了國內外發展的現狀，總結了數據中心中空調系統節能的重要性。本文重點研究了國內外多個數據中心在蒸發冷卻空調上的應用實例，通過分析冷卻器的多項性能指標后發現，利用M-cycle原理的露點間接蒸發冷卻技術是最環保高效的制冷技術。

       本文呼應國家節能減排的發展戰略，推薦使用以水為制冷劑的清潔能源來制冷；使用低耗電高PUE的空調系統為數據中心降溫；使用新型技術，并充分利用自然環境資源。希望該節約能源、經濟可靠的露點間接蒸發技術能得到推廣。

參考文獻

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       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。