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近年来，我国各大通信运营商正在大力建设互联网数据中心机房，随着数据中心机房的迅速发展，数据中心的高能耗表现得尤为突出。据统计，全球范围内信息技术相关的碳排放量占全球总碳排放量的 5% ，2015 年我国数据中心耗电量近 1 000 亿度，降低数据中心能耗已成为全球关注的问题。许多资料表明，大多数数据中心的能耗分布如图1所示，制冷系统的能耗占到38％；在非IT设备的能耗中，空调设备的能耗占据了绝大部分，在IT设备无法升级的情况下，数据中心如果想要减少碳排放，降低耗电量和能耗费用，优化空调系统是首先需要考虑的。空调系统的节能是数据中心节能的核心，也是降低数据中心能耗的重要途径，是数据中心节能潜力最大的环节。可以说空调系统的能耗决定了数据中心的PUE是否可以降低到合理的水平。 图1 数据中心能耗分布图 1 数据中心IT设备环境要求 随着数据中心的发展，数据中心机柜内芯片的耐高温性能也在进一步的提升，在国标GB 50174—2017《数据中心设计规范》中对主机房的环境要求给出了允许值和推荐值如表1所示。ASHRAE TC 9.9 2008版中扩大了2004版中热环境参数推荐的包络区（表 2 ），将数据中心空调系统的送风设计温度上限从25 ℃提高到了27 ℃，这大大提高间接蒸发冷却技术在数据中心全年供冷却模式下的使用范围以及使用时间。 表1 数据中心主机房环境的要求环境要求 表2 ASHRAE TC 9.9 2004版与2008版热环境包络区推荐数据比较 2 间接蒸发冷却技术 蒸发冷却技术是一项利用水蒸发吸热制冷的绿色节能技术，蒸发冷却技术是利用空气与水的直接接触，由于两者间的水蒸气分压力差以及温差利用水的蒸发潜热进行制冷，其本身以水作为制冷剂而替代了传统制冷剂。按照被处理空气与水的接触方式不同，蒸发冷却一般可分为直接蒸发冷却与间接蒸发冷却。 间接蒸发冷却是工作空气与循环水在湿通道侧直接接触等焓降温后再间接的通过换热器带走使用空气中的热量，从而达到对使用空气进行等湿降温的效果。应用于数据中心时，工作空气多为室外新风，使用空气多为机房内的热回风，以两者的显热温差为驱动力，通过管壁的热传导将服务器的热量传递给室外侧空气，从而达到冷却数据中心回风的目的。 间接蒸发冷却技术的核心是间接蒸发冷却热交换芯体，按照热交换芯体内部空气走向不同以及流道分布结构形式不同，芯体大致可分为：板翅式间接蒸发冷却芯体、管式间接蒸发冷却芯体、板管式间接蒸发冷却芯体。3种换热器形式内都设置有两个互不连通的空气通道，两股空气通过换热器间壁间接接触进行换热。 板翅式间接蒸发冷却芯体工作原理，如图2（a）所示，横向流动的是机房内的热回风，纵向流动的是室外侧的新风，芯体上部设有喷嘴，新风由下而上与流道内壁附着的水膜进行热湿交换等焓降温后再通过换热芯体内壁吸收来自机房内热回风的热量，最后从芯体上部排出。机房内的热回风等湿降温后横向流出芯体。 管式间接蒸发冷却，如图2（b）所示，机房热回风流经管内侧（干通道），室外新风由下至上流经管外侧（湿通道），循环水泵将水箱内的水输送至换热器上端的喷头（喷嘴）等布水装置内，将循环水均匀的喷洒到管壁外侧形成均匀的水膜，室外新风与管壁外侧的水膜进行充分的热湿交换后再通过管壁带走干通道内机房回风的热量。 图2 间接蒸发冷却芯体的不同形式 板管式间接蒸发冷却与管式间接蒸发冷却运行原理相同，不同的是相较于管式，板管式管内流道更大，且不易堵塞。 3 间接蒸发冷却应用于数据中心时的模式探讨 现如今数据中心采用蒸发冷却技术已经成为降低数据中心能耗，满足数据中心行业标准PUE指标的一种重要手段。为了充分利用室外的自然冷源，同时，又要保证数据中心内部空气的洁净度，减少室外新风对数据中心内环境的污染，数据中心通常采用新风与回风间接换热的冷却形式。在室外空气干球温度或湿球温度达到一定的条件时仅采用间接蒸发冷却技术便可满足对机房内热回风降温的要求，但由于数据中心内环境温度精度要求高，且需全年不间断运行，间接蒸发冷却技术应用于数据中心时常以机械制冷设备作为辅助。根据室外气象参数不同，机组对应3种运行模式：干模式、湿模式、混合模式进行切换。 3.1 干模式 在冬季，当室外干球温度较低时，机组开启干模式。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统都不运行，室外的低温空气从二次进风口进入，进入间接蒸发冷却换热芯体内进行换热，后经二次排风机排出；数据中心高温的回风通过一次进风口进入机组，流经间接蒸发冷却换热芯体被室外低温空气直接冷却后，由一次送风机送入数据机房。 3.2 湿模式 在春秋过渡季节，当外界环境温度较温和且相对湿度不高时，机组运行湿模式。此时喷淋蒸发系统运转，而机械制冷系统仍然不运行。芯体上部的布水器向芯体的湿通道布水，室外新风进入芯体后在湿通道内表面进行直接蒸发冷却等焓降温后与机房回风间接接触带走其热量，最后从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口流经板翅式间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，被冷却后的数据中心回风由一次送风机送入数据机房。 3.3 混合模式 在炎热的夏季，当室外干温球温度较高，仅开启蒸发冷却段无法满足冷量要求时，机组运行混合模式。此时，喷淋蒸发系统和机械制冷系统同时运行，共同来达到需要的制冷量。芯体上部的布水器向芯体的湿通道布水，室外新风进入芯体后在湿通道内表面进行直接蒸发冷却等焓降温后与机房回风间接接触带走其热量，最后从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口流经板翅式间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，对数据中心回风进行预冷，再被蒸发器冷却，被冷却后的数据中心回风，由一次送风机送入数据机房，如此循环。 3.4 3种模式判别依据 对于上述3种运行模式切换取决于室外空气的干球温度和湿球温度，而室外干湿球温度判定的界限又取决于数据中心机房送、回风温度与间接蒸发冷却换热芯体的换热效率。根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》，A级机房对送风参数要求如表3所示。 表3 数据中心送风参数的要求 设定室内送风温度选取24 ℃，目前国内大部分机房送回风温差选取12 ℃，故回风温度确定为36 ℃。对3种模式进行计算。 干模式：干模式下间接蒸发冷却芯体换热效率一般可达到60%。 将设定值η ≤60%，tg1=36 ℃，tg2=24 ℃带入，求得t ′g1： 求得t ′g1≤16 ℃，即在室外干球温度≤16 ℃时，机组运行干模式。 湿模式：湿模式下间接蒸发冷却芯体换热效率一般可达到70%。 将设定值η≤70%，tg1=36 ℃，tg2=24 ℃带入，求得ts1： 求得ts1≤19 ℃，即在室外干球温度＞16 ℃且湿球温度≤19 ℃时，机组运行湿模式。结合干模式与湿模式得出在室外干球温度≤16 ℃或湿球温度≤19 ℃时，仅利用间接蒸发冷却技术便可满足数据中心要求的送风条件。 混合模式：在室外空气湿球温度大于19 ℃时，开启机械制冷进行辅助。 综上分析，室内送风温度选取24 ℃，室内回风温度选取36 ℃，间接蒸发冷却空调换热芯体在干工况下换热效率取60%，在湿工况下换热效率取70%，计算求得机组3种工况切换判定值如表4所示。 表4 机组3种工况切换判定值 相同的计算过程，当室内送风温度选取25 ℃，室内回风温度选取35 ℃，间接蒸发冷却空调空-空换热器在干工况下换热效率取58%，在湿工况下换热效率取68%，求得机组3种工况切换判定值如表5所示。 表5 机组3种工况切换判定值
综合以上分析，得出间接蒸发冷却空调不同模式的切换，取决于室外二次空气的环境参数，而室外二次空气环境参数的设定又受间接蒸发冷却换热芯体的换热效率（影响因素：换热器材质、结构形式、风速、换热温差、换热面积等）、数据机房室内侧回风温度、室内侧送风温度的影响，在设计切换模式的条件时应当充分考虑上述因素。 4 间接蒸发冷却技术在数据中心的应用 数据中心的热负荷主要来源于机柜的散热，因此数据中心空调系统需要全年供冷且不间断运行，为了保证数据中心空调系统的稳定性以及可靠性，在采用间接蒸发冷却空调系统时常需要以直接膨胀式（DX）机械制冷进行辅助，在室外空气温度较高且湿球温度也较高时，仅采用间接蒸发冷却运行模式无法满足数据中心内需要的冷量要求，在间接蒸发冷却对机房回风进行等湿冷却后需开启DX机械制冷模式，利用机械制冷将机房内被冷却后的回风所携带的剩余热量排出，以使得数据中心机房内温度全年稳定在规定的范围内。 4.1 板翅式间接蒸发冷却技术在数据中心的应用 阿尔西公司开发了一款适用于数据中心的交叉流板翅式间接蒸发冷却空调系统，如图3所示，其机械制冷的蒸发器布置在机组的右下方，经过板翅式芯体的数据中心机房回风会通过蒸发器，对空调系统进行冷量的补充。冷凝器则是放置在机组的左上方，新风经直接蒸发冷却降温后通过板翅式芯体吸收一部分机房回风的热量之后再通过冷凝器带走冷凝器的热量，充分利用了经直接蒸发冷却后新风气流中携带的冷量。机组换热芯体为高分子材料，湿模式和混合模式下布水方式采取绝热雾化喷淋的形式，冷凝方式为风冷。值得一提的是该机组无论是一次空气流道还是二次空气流道均在换热芯体内有180°方向的转变，增加了送风机与排风机的局部阻力。
图3 阿尔西公司板翅式间接蒸发冷却空调机组 该空调机组应用在数据机房的空调系统形式如图3所示，针对于室外空气的温湿度不同，分别设置了3种运行模式：干模式、湿模式、混合模式。 德国 DencoHappel 公司研发的机组内部采用双板翅式换热芯体串联的结构，如图4所示。该空调机组内放置了两块板翅式换热芯体A、B，换热器A芯体上部喷有循环水，附着在芯体表面的温度接近室外空气湿球温度的水膜以间接接触的形式对数据中心内回风进行第一次冷却，温度逼近室外湿球温度的新风再通过换热器B以空气-空气间接接触的形式在换热器B内对机房回风进行第二次冷却。同时在回风通道内机房回风经过换热芯体A,B后再次通过机械制冷系统蒸发器进行换热。该系统使用二块板翅式换热芯体延长了回风在芯体内的流动时间以及与芯体壁面的接触面积，提高了间接蒸发冷却的换热效率，新风换热后不再经过冷凝器是因为新风所携带的冷量已经在板翅式芯体内部进行充分利用。A、B换热芯体为金属铝箔材质，仅在换热芯体A上部设有中压喷淋装置，冷凝器没有设置在机组内部而是与机组分开设置，二次空气进入机组后流道为“U”型流道，虽增大了二次风机的局部阻力但延长了换热时间以及换热面积，增加了芯体的换热效率。
图4 双板翅式换热芯体间接蒸发冷却空调机组 华为公司研发了一款AHU （FusionCol） 空气处理机组用于调节数据中心室内空温湿度和洁净度的设备，如图5。AHU （FusionCol） 将空空热交换器、机械制冷设备集成至20尺集装箱,辅以间接蒸发冷却技术，可实现3种热交换模式的自由转换，充分利用自然冷源，实现数据中心的高效换热（pPUE值最佳至0.07），是数据中心PUE<1.25的典型产品。室外新风从机组右下侧新风进风口进入机组通过板翅式换热芯体湿通道、冷凝器后从排风口排出。机房内回风从机组右上侧回风口进入机组，经过板翅式换热芯体干通道，蒸发器后从机房送风口送入机房内。换热芯体为板翅式换热芯体，材料选用为高效金属换热材料，布水系统设置在芯体湿通道的下部并采用喷雾式布水的形式。该机组冷凝方式采取风冷形式，一次空气和二次空气进入机组后流道设置相对顺畅，流道局部阻力较小。
图5 华为公司AHU （FusionCol） 4.2 管式间接蒸发冷却空调系统在数据中心的应用 国内的英维克公司针对于数据中心空调机组研发了一种管式间接蒸发自然冷却空调机组，如图6所示，其中蒸发器放置于干通道侧之后，机房内的回风经过管式间接蒸发冷却换热芯体后再次通过蒸发器进行降温；冷凝器放置于湿通道侧之后，室外新风在管外侧与附着在管壁的水膜进行热湿交换等焓降温后进而冷却数据中心内的热回风，新风吸热升温之后再通过冷凝器，对冷凝器进行降温，该机组同样设有3种运行模式。该空调机组间接段为梭管、材料选取为高分子热交换芯体，布水系统设置在填料上部，采用低压喷淋水形式，冷凝器设置在二次排风口前，冷凝形式采用风冷，二次空气进入机组时有90°的变向，局部阻力相较大于一次空气。
图6 机组运行模式 优斯达环境科技有限公司研制出一款适用于数据中心的蒸发冷凝与机械制冷结合的组合式空调机组，如图7所示，其中冷凝器上部设有直接蒸发冷却装置，在开启机械制冷设备时，室外空气经管式间接蒸发冷却芯体（管外侧）后再次通过机组左上侧的直接蒸发冷却填料，制取的冷水直接喷淋到冷凝器表面对冷凝器进行降温。此空调机组间接段为卧式椭圆管，材料为不锈钢，布水系统设置在填料上部，采用低压喷淋水形式，冷凝方式为蒸发冷凝。
图7 优斯达公司蒸发冷凝与机械制冷结合产品 4.3 板管式间接蒸发冷却空调系统在数据中心的应用 瑞典 Munter 公司利用 EPX 聚合物为数据中心的空调系统开发出一种板管喷淋式间接蒸发自然冷却空调机组，如图8所示，该机组应用于数据中心空调系统时，机组可放置于机房屋顶或是机房四周，与此同时应用于该机组，数据中心内IT机柜往往采用热通道封闭的气流组织形式。该机组间接换热芯体选取为板管形式，材料为聚合物换热材料，布水采用旋转式喷淋循环水的形式，冷凝方式为风冷。
图8 蒙特公司蒸发冷却和机械制冷结合的产品 4.4 国内外相关机组性能参数对比 蒸发冷却与机械制冷结合数据中心用空调机组国内外相关产品性能参数如表6所示，在间接蒸发冷却换热器形式方面多为板翅式换热芯体，与板管式、管式相比，板翅式换热芯体其流道更加紧凑，换热效率更高但风阻较大且受水质影响会出现堵塞的情况；芯体材质有聚合物、高分子、铜材、铝材，以铝材居多；布水形式国外多为喷雾式而国内受水质的影响则多为喷淋式布水；冷凝形式多为风冷形式。 表6 国内外蒸发冷却与机械制冷结合数据中心用空调机组产品特点汇总
5 结束语 随着时代的发展，对数据中心空调PUE的要求也在逐步提高，在传统的数据中心空调系统中加入间接蒸发冷却技术，相较于纯机械制冷而言充分的利用了自然冷源，减少了机械制冷全年开启的时间同时降低了数据中心空调系统的能耗。在规划建设数据中心制冷系统时，以间接蒸发冷却技术作为数据中心机房的主要冷源，极端条件下采用机械制冷进行冷量补充的这种形式开始普及。未来伴随机房芯片的不断优化，机房内的温度要求范围也会逐步扩大，间接蒸发冷却技术在数据中心机房空调系统中将扮演着更重要的角色。因此在规划数据中心建设之前，应考虑数据中心内的送、回风温度要求，并根据间接换热芯体的换热效率计算出3种运行模式合理的切换工况，充分利用全年的室外自然冷源使得间接蒸发冷却技术在数据中心取得理想的节能效果。 本文选自《制冷与空调》2020年1月刊61-67页 作者：贾晨昱 黄翔 田振武 刘振宇 金洋帆 |
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