间接蒸发冷却空调系统在国内外数据中心的应用

耿志超 黄 翔 折建利 褚俊杰



间接蒸发冷却空调系统在国内外数据中心的应用

耿志超 黄 翔 折建利 褚俊杰

（西安工程大学 西安 710048）

介绍了数据中心IT设备热环境要求和数据中心风侧自然冷却方式，同时提出了间接蒸发冷却空调技术的几种不同形式，主要是对间接蒸发自然冷却空调系统在国内外数据中心的应用形式进行了分析，给出了其所具有的“1+1+1梯级冷却”三种节能运行模式以及数据机房内相应的气流组织方案，总结出间接蒸发自然冷却空调系统将会是大型新建数据中心空调系统未来发展的一个趋势。

数据中心；风侧自然冷却；间接蒸发冷却；应用形式

0 引言

为顺应全世界数据化的大趋势，实施我国“互联网+”的行动计划，国内各行各业的计算量和数据存储量正呈现指数型增长之势。然而，数据存储、计算和应用集中化己是大势所趋，应运而生的数据中心以前所未有的速度发展[1]。从广义上来讲，数据中心是指所有含有数据服务器、通信设备、冷却和供电设备的建筑、厂房。随着其数量与规模的增长，数据中心的能耗越来越不容忽视。在数据中心的能耗构成中，空调系统的能耗占数据中心总能耗的很大一部分，大约占到30%—50%，因此空调系统是当前数据中心提高能源效率的重点环节。一个典型的数据中心的能耗构成如图1所示[2,3]。

图1 数据中心能耗构成

利用自然界的低温冷源对数据机房进行自然冷却的空调方案是提高数据中心能源利用效率的重要途径，全年有相当长时间内室外温度低于数据中心的室内控制温度，将室外新风直接引入数据机房，一般会破坏数据机房内空气的洁净度，对IT设备的可靠运行造成威胁。数据中心的空调系统倾向于间接利用自然界的冷源，从而导致空调设备换热效率的较低。蒸发冷却技术是一种利用水分蒸发制取冷量的高效冷却方式，不再使用传统的压缩机，大大减少了对电能的消耗。因此，在数据中心空调系统中利用间接自然冷却方案时，同时采用蒸发冷却绿色节能技术对室外冷源进行初步的降温加湿处理的间接蒸发冷自然冷却空调系统，将会显著提高空调设备的换热效率，延长自然冷源的利用时间。

1 数据中心IT设备环境要求

美国采暖制冷与空调工程师学会ASHRAE TC 9.9小组是一个由数据通信设备生产商、数据设备终端用户的业主与管理人员、政府机构及、咨询机构和实验室测试专家组成的专业研究团队。该团队对数据中心的重要设施、技术要求、电子设备及系统进行了系统地研究和总结，提供了数据中心IT设备和设施运行的环境工况，ASHREA 2008中扩大了ASHREA 2004中热环境参数推荐的包络区，如表1所示[4]，将推荐IT设备入口空气温度的上限值从25℃提高到27℃，将会大大增加数据中心空调系统自然冷却节能运行的小时数。

表1 ASHREA 2004与ASHREA2008热环境包络区推荐数据比较

2 数据中心风侧自然冷却

自然冷却不是指空调系统的某个组件，而是指制冷系统的一种运行模式，目前已经成为满足行业标准能效目标的必要条件，在一些气候条件下自然冷却在空调系统中可以作为首选工作模式，而让机械制冷模式作为辅助工作模式或后备方案。常用的自然冷却空调系统分为风侧自然冷却和水侧自然冷却，在本文中主要介绍风侧自然冷却空调系统。数据中心所采用的风侧自然冷却空调系统一般又可分为直接自然冷却和间接自然冷却。

为了有效利用自然冷源，同时减少室外新风空气品质和湿度变化对数据中心机房环境洁净度与湿度的影响，数据中心冷却可以采用间接自然冷却空调系统。数据中心间接自然是指通过空气—空气换热器，利用室外冷风对数据机房的热回风进行冷却，在换热过程中室外空气与数据中心空气完全隔离。与直接自然冷却空系统相比，间接自然冷却空调系统中采用空气—空气换热器，增加了室外冷风与数据机房内热回风的换热阻力。因此，在室外空气温度较高时，空气—空气换热器需要相当大的换热面积才能排出数据中心的散热量，否则就需要启动机械制冷模式。

3 间接蒸发自然冷却系统

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[5]，以水作为制冷剂，不需要压缩机而是通过空气与水间的热湿交换，将自身的显热传递给水实现等焓冷却。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[6]。

间接蒸发冷却是指产出空气（数据机房室内送风）与工作空气（室外新风）间接接触进行显热量的交换，而在工作空气（室外新风）侧，其需要与直接蒸发冷却填料或者换热器壁面的水膜以及由高压喷头将水流雾化形成的小水滴直接接触，进行充分的热湿交换[7]。根据换热器结构形式的不同，数据中心常用的间接蒸发自然冷却系统可以分为板（翅）式和管式。按照工作空气（室外新风）与水进行热湿交换形式的不同，又可将间接蒸发自然冷却空调系统分为低压滴淋式、中压喷淋式和高压喷雾式三种形式。

低压滴淋式间接蒸发自然冷却，如图2（a）所示，数据机房内的热回风流经板式（管式）换热器的一侧通道，室外新风首先经过直接蒸发冷却填料降温加湿处理后，气流中携带着部分小水滴进入板式（管式）换热器中另一侧流道，其中气流中携带的小水滴会贴附在换热器壁面，吸收机房内热回风的热量而蒸发，从而增强了室外新风与室内回风的换热效率。

中压喷淋式间接蒸发冷却，如图2（b）所示，机房内热回风流经换热器的干通道，室外新风流经湿通道，中压式循环水泵将集水箱内的水输送至换热器顶端的喷头（喷嘴）等布水装置内，将循环水均匀的喷洒到换热器湿通道壁面形成水膜，室外新风流经湿通道内与水膜进行热湿交换，吸收干通道内热回风的热量。

高压喷雾式间接蒸发冷却，如图2（c）所示，与低压滴淋式间接蒸发自然冷却所不同的是，其具有更高的换热效率，室外新风经过直接喷雾蒸发冷却后，新风气流会携带更多更细小的水滴进入换热器的一侧换热通道进行换热，气流中的小水滴吸收换热器另一侧机房内热回风的热量后蒸发，以水分子形式进入新风气流，最后被排出换热器。

图2 间接蒸发冷却的不同形式

4 间接蒸发自然冷却系统在数据中心的应用

数据中心的空调系统需要全年供冷且不间断运行，为了保障空调系统的可靠性以及持续稳定的运行，数据中心内采用间接蒸发冷却空调系统时通常需要辅助以直接膨胀式（DX）机械制冷。在室外空气温度较高，采用间接蒸发自然冷却运行模式不能将数据机房内的热回风所携带的热量排出时，需要及时开启DX机械制冷将机房内热回风所携带的剩余热量排出，以使数据机房内的送风温度维持在一个稳定的范围内。

4.1 低压滴淋式间接蒸发自然冷却空调系统的应用

英国Airedale公司专门为数据中心开发出一种填料滴淋式间接蒸发自然冷却空调机组，如图3（a）所示。DX机械制冷系统内蒸发器位于数据机房内热回风侧板式换热器的后面，在较高室外环境温度时起到补充制冷的作用，而其冷却器布置在室外新风侧板式换热器的后面，目的是充分利用经过直接蒸发冷却填料降温加湿处理后的室外新风气流中携带的冷量。

图3 填料滴淋式间接蒸发自然冷却空调机组在数据中心的应用

该空调机组应用在数据机房的空调系统形式，如图3（b）所示，采用高架地板下送风且热通道封闭气流组织方案，具有三种节能运行模式：在冬季、春季以及夏季室外环境温度较低时，机房热回风与室外新风只需要通过板式换热器进行间接自然冷却换热；在夏季、春季和秋季室外环境温度较高时，室外新风需要先经过直接蒸发冷却填料降温处理后，再通过板式换热器与机房内热回风进行间接自然冷却换热；在夏季的高温时间段，通过直接蒸发冷却填料和板式换热器自然冷却不足以完全排出机房内热回风气流中携带的热量，则需要开启DX机械制冷系统进行补充制冷，以使机房内送风维持在稳定的温度范围内。

在国内，宁夏中卫西部云基地新建设完成的誉成云创—奇虎360云计算数据中心内空调系统同样采用了填料滴淋式间接蒸发自然冷却[8]，其特点在于把直接蒸发冷却填料、板翅式换热器以及DX机械制冷系统中的蒸发器与冷凝器有机地布置在数据中心建筑的不同位置处，而不是紧凑地组合在一起形成一个机组，从而更容易实现大风量送风，如图4所示。该数据中心的主体分为三层：一层主要部署电力系统的基础设施（变压器、不间断电源UPS和蓄电池等）以及间接蒸发自然冷却空调系统中DX机械制冷中的蒸发器以及风机墙；二层主要部署IT设备机柜以及空调系统中的直接蒸发冷却填料和板翅式换热器；三层主要是数据机房内热回风空间夹层并且部署了DX机械制冷中的冷凝器。数据机房内热回风经过板翅式换热器或者DX机械制冷蒸发器冷却处理后，由风机墙将冷风送入电源房冷却电源设备，然后由二层的开孔地板进入IT设备机房，直接冷却服务器，形成的热空气在封闭热通道中进入三层热回风夹层，进而再由板翅式换热器或者DX机械制冷进行处理。室外新风经过过滤处理之后，直接进入板翅式换热器或者先经过填料直接蒸发冷却降温处理后再通过板翅式换热器与机房内热回风进行间接换热，最后直接排到室外环境中或者经由DX机械制冷中的冷凝器吸热后再排出。

图4 360数据中心空调系统

同样，誉成云创-360云计算数据中心所采用的间接蒸发自然冷却空调系统也具有与Airedale公司填料滴淋式间接蒸发自然冷却空调机组相同的三种运行模式。我们可以把间接蒸发自然冷却空调系统所具有的三种运行模式称之为“1+1+1梯级冷却”：“1”指的是在室外环境温度较低时，只通过板翅式换热器，直接利用室外冷风对机房内热回风进行间接自然冷却；“1+1”指的是在室外环境温度较高时，通过填料直接蒸发冷却以及板翅式换热器间接换热，利用直接蒸发冷却处理后的室外新风间接自然冷却机房内热回风；“1+1+1”指的是在室外环境温度很高时，不仅需要通过直接蒸发冷却填料和板翅式换热器进行间接自然冷却，同时还需要开启DX机械制冷对机房热回风进行补充制冷。

4.2 中压喷淋式间接蒸发自然冷却空调系统的应用

（a）屋顶安装 （b）四周安装

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[9]，应用于数据中心空调系统时，该空调机组一般可以布置字数据中心建筑的屋顶上区域或者四周围区域，相应地，数据机房内的IT机柜通常采取热通道封闭的摆放形式，弥漫式送风上回风的气流组织方案，如图5所示。数据中心应用板管喷淋式间接蒸发自然冷却空调系统同样具有“1+1+1梯级冷却”的三种运行模式。

德国DencoHappel公司开发出一种双换热器的板式喷淋间接蒸发自然冷却空调机组，如图6（a）所示。与艾默生网络能源公司开发出的板式喷淋间接蒸发自然冷却空调机组所不同的是，该空调机组中设置了两个板式间接换热器A和B，在换热器A中室外新风流经的通道内喷淋循环水，对机房内热回风进行间接蒸发自然冷却，而在换热器B中，机房内热回风与通过换热器A并经过喷淋水膜蒸发冷却处理后的室外新风进行间接换热，其对换热器A中排出的室外新风所携带的冷量进行了二次利用。通过板式间接换热器A和B的设置，使室外新风与机房热回风整体上呈现出一种“逆流换热”，从而进一步增强了两种流体的换热效率。同时，在该空调机组内DX机械制冷系统中的冷凝器部分被独立设计在空调机组之外，而不是布置在室外排风处，如图6（b）所示，这主要是由于间接换热器A中排出的室外新风所携带的冷量已经被间接换热器B充分利用。与Munter公司已开发的板管喷淋式间接蒸发自然冷却空调机组相类似，其在数据中心的空调系统中应用时同样具有“1+1+1梯级冷却”的三种节能运行模式。

在国内，腾讯于2016年4月在贵州贵阳市搭建完成的T-block西部实验室中，就采用了由德国DencoHappel公司开发出的板式双换热器喷淋间接蒸发自然冷却空调机组，如图6（b）所示。2016年4月26日工信部对腾讯T-block进行了24小时不间断带载测试，当天室外环境温度介于13.1～20.2℃，相对湿度68.5～98.3%，日照辐射值0～817W/m2，测得日电度PUE=1.0955，测试结果证明了T-block优秀的系统能效。

（a）空调机组 （b）腾讯T-block西部实验室

图6 板式双换热器喷淋间接蒸发自然冷却空调机组在数据中心的应用

Fig.6 The application of spray indirect evaporative cooling air conditioning unit in data center

4.3 高压喷雾式间接蒸发自然冷却空调系统的应用

英国Excool公司研发出一种高压喷雾板式间接蒸发自然冷却空调机组，如图7（a）所示，经过各种物理过滤和化学净化处理后的水通过高压雾化形成大量细小的雾滴，大大增加了水与室外新风的接触面积，增强了水蒸发冷却室外新风的效果。经过高压雾化的水会在室外新风的气流中完全蒸发，以水分子的形式进入新风中被气流带走，理论上不需要设置集水箱，但是在实际运行中，受到室外新风状态的影响，高压雾化后的水存在很小的一部分不能够被新风气流吸收带走，该部分雾滴随新风气流进入板式间接换热器后，贴附在换热器的壁面，依靠自身的重力和新风气流的带动朝着换热器底部流动，因此需要在板式间接换热器的下面设置一集水箱。集水箱中收集的残留水每天定时排放掉或者对其进行物理过滤和化学净化处理后二次利用。

高压喷雾板式间接蒸发自然冷却空调机组应用在数据中心中的形式，如图7（b）所示，采用高架地板下送风上回风且冷通道封闭的气流组织方案，此时需要将空调机组布置在数据中心建筑的四周围区域。与Airedale公司开发出的填料滴淋式间接蒸发自然冷却空调机组相类似，其在数据中心的空调系统中应用时同样具有“1+1+1梯级冷却”的三种节能运行模式。

（a）空调机组 （b）应用形式

图7 高压喷雾板式间接蒸发自然冷却空调机组在数据中心的应用

Fig.7 Application of high pressure spray plate indirect evaporative cooling air conditioning unit in data center

5 结论

数据中心采用间接蒸发冷却自然冷却空调系统，将机房内热回风与室外新风完全隔离，使得室外环境温湿度的快速变化不会破坏数据机房内稳定的热环境，提高了IT设备运行的可靠性。间接蒸发自然冷却空调系统通常具有“1+1+1梯级冷却”的三种节能运行模式。在规划建设数据中心基础设施之前，就需要认真考虑数据中心建筑与空调系统、数据机房内气流组织的有机结合方式，为间接蒸发冷却自然冷却空调系统应用在数据中心取得更好的节能效果创造条件。

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Application of Indirect Evaporative Cooling Air Conditioning in Data Center at Home and Abroad

Geng Zhichao Huang Xiang She Jianli Chu Junjie

( Xi'an Polytechnic University, Xi'an, 710048 )

This paper introduces the data center IT equipment thermal environment requirements and data center wind side of the natural cooling method, at the same time put forward indirect evaporative cooling air conditioning technology in several different forms, mainly for indirect evaporation of natural cooling air conditioning system at home and abroad data center application form and the corresponding airflow organization scheme in the data room is given out. It is concluded that the indirect evaporative natural cooling air conditioning system will be a large-scaled new data center Air conditioning system in the future development of a trend.

Data center; Air side of free cooling; indirect evaporative cooling; application form

1671-6612（2017）05-527-06

TU83

A

“十三五”国家重点研发计划项目课题（编号：2016YFC0700404）

耿志超（1990.01-），男，在读研究生，E-mail：530733308@qq.com

黄 翔（1962.07-），男，教授，E-mail：huangx@xpu.edu.cn

2017-01-06