银川某数据中心用蒸发式冷凝器测试分析

李婷婷 黄 翔 罗 绒 折建利 刘凯磊 耿志超 杨立然



银川某数据中心用蒸发式冷凝器测试分析

李婷婷 黄 翔 罗 绒 折建利 刘凯磊 耿志超 杨立然

（西安工程大学 西安 710048）

介绍了宁夏银川某数据中心应用蒸发式冷凝器的工程实例，通过对该机房内的空调系统、热环境以及机房各类用电设备电耗进行实际测试，分析评价数据中心的冷却效果和能源利用效率（即PUE）。同时，针对机房内产生的局部热点现象和相对湿度偏低等问题提出合理的优化方案。测试结果表明，该系统能够满足机房的供冷需求，而且节能效果明显，为数据中心今后的节能改造提供了依据。

数据中心；蒸发式冷凝器；自然供冷；机房冷却效率；能源利用效率；气流组织

0 引言

随着IT技术日新月异的发展，信息化进程的深入，全球每年产生的数据量成倍的递增，极大的带动了数据中心的建设和发展，我国数据中心的总量已经超过40万个，年耗电量超过社会总用电量的1.5%，而高效绿色的数据中心PUE值要求低于1.5[1,2]。经预测，未来数据中心的平均能耗将高达3000 W/m2，由此可见，数据中心的能耗和制冷量将大幅增加[3,4]。数据中心一年四季都需要制冷，冬季和过渡季节的室外温度低于室内温度，特别是在西北干旱地区，自然界存在着丰富的干空气能和自然冷源，如何科学合理的利用大自然的能源是提高数据中心能源使用效率的关键。数据中心专用空调的室外机采用蒸发式冷凝器而非传统的风冷式冷凝器或冷却塔系统在国内已有多年的研究，它的使用效果和能源利用效率也受到了业内人士的广泛关注。

本文通过对宁夏银川某数据中心采用蒸发式冷凝器运行期间的使用情况进行测试分析，探讨蒸发式冷凝器在银川地区数据中心应用的可行性，对类似数据中心的节能改造提供依据。

1 工程概述

1.1 工程概况

该数据中心位于宁夏银川，为通讯行业，共4层，建筑高度25 m，层高6 m，机房总建筑面积8080.21 m2，共有4个业务机房，分别为一楼BOSS机房、二楼传输机房、三楼交换和数据机房以及四楼IDC机房。该数据中心设计于2013年，运行于2014年。

被测机房为位于一楼的BOSS机房，机房占地面积为373.5 m2，机房内共设置60个机柜，其中11.4 kW的有4个、8 kW的有12个、6.3 kW的有12个、5.9 kW的有7个、4.8 kW的有4个、4.0 kW的有4个、3.0 kW的有5个、2.8 kW的有12个，机柜总功率为342.3 kW。该机房为后期改造的一个项目，原项目空调采用的是风冷的形式，随着机房业务量的增长，机房的空调所能提供的冷量已不能满足机房的发热量需求，因此提出对机房进行增设空调，为了充分的利用室外的干空气能以及自然冷源，机房增设了双循环式机房空调机组，其室外机为蒸发式冷凝器而非风冷式冷凝器。

1.2 空调系统形式

BOSS机房采用分散式空调系统形式，机房内共设置三种机型的机房专用空调，其中3台双循环式机房专用空调（两用一备），2台风冷式机房专用空调，2台主动式热管空调，主用6台，备用1台。单台制冷量均为60 kW。室内精密空调与机柜垂直摆放，风冷式冷凝器放置于同层阳台，蒸发式冷凝器放置于楼顶，BOSS机房平面图如图1所示。

图1 一层BOSS机房平面图

BOSS机房的气流组织为静电地板下送风上回风的形式，机柜之间面对面、背对背摆放。架空地板高60 mm，送风风速2 m/s，总风量为138240 m3/h。

1.3 设计参数

该数据中心为一级机房建设标准，BOSS机房设计温度为（23±3）℃，设计相对湿度为（50±5）%。

2 蒸发式冷凝器的原理及特点

2.1 蒸发式冷凝器的原理[5-6]

蒸发式冷凝器的冷却介质为空气和水，水蒸发吸热带走制冷剂的冷凝热。工作的过程中，水泵将冷却水输送到冷凝管组上部喷嘴，喷嘴将冷凝水均匀地喷淋在冷凝排管表面，形成水膜，从冷凝排管组上部进入的制冷剂会被冷却水吸收热量变为液态，吸收热量的水分部分蒸发，剩余部分存在于集水盘中，循环使用。在风机的作用下，空气会以3～5m/s的速度掠过冷凝排管，从而促进水膜的蒸发作用，冷凝管外放热得到强化，吸热蒸发的水蒸气由风机排出，剩余下落的水滴被空气冷却。从结构上来看，蒸发式冷凝技术能够将冷却塔与冷凝器合二为一，水从冷凝器到冷却塔的传递阶段被省略，能够对水的蒸发吸热作用充分利用，从而冷却工艺流体，相较于传统的水冷式冷凝器来说，其能够节约用水量50～65%。其原理如图2所示。

图2 蒸发式冷凝器原理图

2.2 蒸发式冷凝器的特点

（1）冷凝效果好

由于水的蒸发潜热大，单位水的吸热量大，在盘管内外，空气与制冷剂逆流向流动，提高了传热效率，从而达到更好的冷凝效果。

（2）节水

蒸发式冷凝器充分利用水的汽化潜热，这与风冷式冷凝器和水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂的热量完全不同，比淋水式冷凝器更能充分利用水的蒸发潜热。风冷式冷凝器虽然不用水源，但需要消耗更多的压缩机和冷凝功耗。

（3）节能

采用蒸发式冷凝器的制冷系统，其冷凝温度可以设计得比风冷式或水冷式冷凝器更低一些，蒸发式冷凝器与冷却塔加管壳式冷凝器的系统比较，压缩机动力消耗可节约10%以上，与空冷式冷凝器比较，可节约30%以上。

（4）安装、维护方便，占地面积小，运行费用低

蒸发式冷凝器本身就起了冷却塔的作用，因此不像一般水冷式冷凝器还需配备冷却塔，实际上，水冷式冷凝器和冷却塔的综合初投资高于蒸发式冷凝器。蒸发式冷凝器结构紧凑，占地面积小，而且制造时更容易形成整体，这样给安装带来了极大的方便。在运行中，除如上所述的节能节水效果外，蒸发式冷凝器还排除了水冷式系统中水泵的问题和大量用水而产生的水处理问题，使运行费用大大降低。正是由于初投资较小和系统的能耗低，故蒸发式冷凝器在发达国家得到了广泛的应用[7]。

3 双循环式空调机组运行时机房温度分布测试分析

3.1 双循环式空调机组的运行模式

在不同的室外条件下，空调系统具有不同的运行模式：

（1）当室外干球温度≥15 ℃时，蒸发式冷凝器+压缩机工作（普通模式）；

（2）当室外干球温度在10 ℃～15 ℃时，节能模块投入使用；在5 ℃～12 ℃时，蒸发式冷凝器系统湿工况运行；在-10 ℃～5 ℃时，蒸发式冷凝器系统干工况运行（部分节能模式）；

（3）当室外干球温度＜-10 ℃时，蒸发式冷凝器（关闭水泵及放水）+节能模块工作（节能模式）。

图3 双循环式机房空调机组原理图

图4 银川地区典型气象年月平均干湿球温度

根据银川地区典型气象参数统计[8]，银川室外干球温度小于-10 ℃的时长为481 h，约20天；银川室外干球温度小于12 ℃的时长4762 h，约198天，即全自然冷却时长占全年运行时长的54%；银川室外干球温度小于等于12 ℃时，节能系统开始运行，随着室外环境温度的降低，泵制冷量越来越大，设在-10 ℃～12 ℃之间泵相对制冷量输出平均值为75%，则原风冷DX系统承担25%的负荷。相对传统风冷系统，蒸发冷凝压缩机系统理论功耗节能20%。

在双循环式机房空调机组运行期间，笔者对该机房的温度场以及局部热点进行了测试。测试期间机房开启2台双循环式机房空调机组和主动式热管空调及风冷式机房专用空调，但是在风冷式机房专用空调不开启压缩机，另一台双循环式机房空调机组作为备用空调。

3.2 测试方法及内容

3.2.1 机房温度场测试

采用温湿度自计仪测试不同高度内的温度值。一次完成整个机房内部空间空气温度的测量。机房环境内测点布置如图5所示，整个机房内均匀布置4列测试通道，每列通道不同高度方向上布置4个测点。最终统计地板以上高度空间的温湿度分布。

图5 一楼BOSS机房测点布置图

3.2.2 机房局部热点测量

采用红外线点温仪对存在冷热不均的机柜进行测试，其测点布置图如图6所示。

图6 热点机柜测点布置图

3.2.3 空调系统性能分析

由于数据中心显热量大、散湿量小，热湿比线近似无穷大，因此空调机组COP计算采用温差法。通过测量空调机组送、回风温差和空调处理风量，按公式（1）求出制冷量：

=CM（T-T） （1）

式中，T为回风温度，℃；T为送风温度，℃；C为空气定压比热容，1.01 kJ/kg·℃；为风量质量流量，kg/m3，其中空气密度=1.2 kg/m3。

经公式（2）计算空调系统性能系数[9]：

=/（2）

式中，为空调系统输入功率，kW。

3.2.4 机房能源利用效率测试

由于该数据中心安全等级较高、运行管理甚严，分项测试机房内各类用电设备（IT设备、空调机组、UPS和照明设备）的耗电量比较困难，本次测试通过SiteWeb2机房监控系统获得能源利用效率PUE的一个瞬时值。

3.3 测试结果分析

3.3.1 机房温度场测试结果分析

表1给出了地板以上不同高度空间温湿度测试结果，从表1可以看出，通道2 m高度以下的最高温度为25.2 ℃，机房整体平均温度为23.3 ℃，满足机房设计值（23±3）℃的要求，这是因为机房内空调送风均匀，机柜摆放规整，冷热掺混现象较轻。但是相对湿度最大值为37.5%，最小值为28.8%，机房较为干燥，服务器长期运行在这种湿度较低的环境中易产生静电危险。

如图8所示，1～4号通道，每一列的测点温度均随着高度的增加逐渐升高，采用静电地板下送风，热空气由机柜排风口排出，测点所处环境中，热空气密度小，分布在机房高处，冷空气密度大，分布在机房低空间处，符合热空气上浮的原理。1号和4号通道测点的温度高于2号和3号测点温度，最高温度为25.2 ℃。这是因为1、4号通道的所有测点均处在服务器机柜的排风侧（背面），温度较高，而2、3号通道的测点均处在服务器进风面（正面）。从拟合曲线可以看出，地板以上机房内的温度在高度方向上是成线性变化的，而且最高测点与最低测点的温差都在1℃左右，气流场基本上是均匀的，这是因为机柜都采用面对面、背对背的形式摆放，减少了冷热气流之间的掺混。

表1 地板以上不同高度温、湿度测试结果

图7 地板以上高度方向温、湿度分布

3.3.2 机房局部热点测试结果分析

在高度为0.1～2 m的空间内，相比其余的三个通道，1号通道内的温度较高，因此确定1号通道存在冷热不均、局部服务器过热现象。采用红外线点温仪对1号通道内的热点机柜进行了测试，其测试结果表2所示（测点位置如图6所示）。

从表2可以看出，局部过热机柜表面测试结果显示温度高达39.4 ℃，超出了机柜进风口连续工作温度范围的上限值32 ℃。引起机柜过热的一个主要原因是机房内冷热气流掺混严重，大功率服务器集中放置，其次是架空地板下长时间未清理，积灰较多，而且机柜内的服务器有严重的落灰现象，导致服务器自身散热性能变差。

表2 热点机柜内不同高度处的温度

3.3.3 空调系统性能测试结果分析

机房专用空调是机房内最主要的设备，因此对其实际运行中的关键性能进行测试，能够有效的研究和评估机房系统的制冷能力和行业水平。评价指标包括制冷量、耗电量、机组性能系数、系统性能系数及制冷季节能效比（SEER）。其中，SEER为季节性能，需要在整个制冷季节中进行数据监测。由于该机房采用分散式空调，其机组的≈。选取两种空调设备（蒸发式冷凝SDC双循环、氟泵（主动式热管）），在同一负荷率下对比分析其自然冷却EER。

针对机组能效测试，对机组的运行性能和整个系统的合理性进行分析。具体测试结果见表3。

表3 空调机组测试项目

表4 空调系统自然冷却EER

注：①蒸发式冷凝SDC双循环机房空调系统：（冬季只开启氟泵循环）室内风机模块输入功率4 kW，氟泵输入功率0.55 kW，冬季室外机风机输入功率1.5 kW。②氟泵（主动式热管）空调系统：室内风机模块输入功率4 kW，氟泵输入功率0.55 kW，冬季室外机风机输入功率1.5 kW。

3.3.4机房能源利用效率测试结果分析

机房能源效率指标PUE可以衡量数据中心的能源利用效率以及有多少可以提高的理论空间。PUE=数据中心总能耗/IT设备总能耗，其中数据中心总能耗=制冷用电负荷+IT设备总能耗+供配电损耗+湿度控制、照明等其他耗电[10]。

表5 能源使用效率PUE测试

注：PUE测试时间为2015-11-06，13:10。

数据来源：SiteWeb2机房监控系统。

该PUE值仅为测试当天瞬时计算值，评价数据中心能源使用效率指标，应对机房进行全年PUE测试，得出不同供冷季节下的PUE值更具参考价值。

如表5所示，被测BOSS机房的局部PUE值为1.71，高于绿色数据中心要求的PUE=1.5，其中空调和供配电设备所占比例较大，为40.5%，节能潜力较大。

4 存在问题及解决措施

（1）虽然机房内机柜按照面对面、背对背的方式形成冷热通道，但机房内排风与地板送风仍然存在冷热掺混现象，导致部分机柜存在局部热点，故应将原来集中放置在一个机柜的大功率服务器分散安装在其他空置机柜里，以尽量减轻部分机柜局部过热的现象。

（2）机房平均相对湿度为33%，局部区域相对湿度低至28%，与设计值（50±5）%相差甚远，存在静电的危险，因此室内精密空调应开启自动加湿功能，将机房内的相对湿度控制在（50±5）%范围内，避免产生静电现象，导致不安全事故的发生。

（3）被测机房的PUE值为1.71，其中IT设备电功率为62.104 kW，电量占机房总能耗的58.3%，供配电设备电功率为26.6 kW，电量占机房总能耗的25.9%，仅次于IT设备消耗的电能，能耗所占比例较大，节能潜力巨大。

5 总结

（1）测试结果显示，机房环境平均温度为23.3 ℃，基本能达到设计标准23±3 ℃，但机房内的平均相对湿度只有33%，局部区域相对湿度低至28%，与设计值（50±5）%相差甚远，这样机房内存在静电危险，影响服务器的稳定运行。

（2）主动式热管空调的EER高于蒸发式冷凝SDC双循环，主要原因是两台空调机组的运行工况各不相同。

（3）在自然供冷期间应充分利用数据中心机房内的备用冷却设备，以延长自然供冷时间，实现机房的节能。

（4）银川地区自然冷源和干空气能富足，室外干球温度小于12 ℃的时长为4762 h，约198天，即全自然冷却时长占全年运行时长的54%，机房空调室外机采用蒸发式冷凝器的节能潜力巨大。

[1] 谷立静,周伏秋,孟辉.我国数据中心能耗及能效水平研究[J].中国能源,2010,32(11):42-45.

[2] 钟景华,朱利伟,曹播,等.新一代绿色数据中心的规划与设计[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3] Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency Public Law 109-431[R].U.S. Environmental Protection Agency, 2007.

[4] 折建利,黄翔,刘凯磊,等.冷却塔自然供冷系统在兰州某数据中心应用的测试分析[J].暖通空调,2016,46(10):18- 22.

[5] 蒋翔,朱冬生.蒸发式冷凝器发展和应用[J].制冷,2002,21(4):29-33.

[6] 吴振.蒸发式冷凝机组在地铁中的应用研究[J].低碳世界,2017,21(1):225-226.

[7] 何钟琪,黄霞.上海地区数据中心空调系统节能措施探讨[J].暖通空调,2011,41(8):3-6.

[8] 中国气象局气象信息气象资料室,清华大学建筑科技科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[9] 黄翔.蒸发冷却空调理论与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[10] 数据中心机房空调系统技术白皮书[M].中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组,2011.

Test and Analysis of Application of Evaporative Condenser in a Data Center in Yinchuan

Li Tingting Huang Xiang Luo Rong She Jianli Liu Kailei Geng Zhichao Yang Liran

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

Presents the application of evaporative condenser to a data center in Yinchuan, Ningxia. Analysis and evaluate data center’s cooling efficiency and power usage effectiveness（PUE）by actually testing air conditioning system, thermal environment and all kinds of electrical equipment power consumption in data center. At the same time, this paper proposes the reasonable optimized measure in view of the problem of the local hot spot in some cabinets and the whole equipment room’s relative humidity is low and so on. The results show that the system can meet the cooling requirement of computer rooms, with a significant energy saving effect. The test results for the data center will provide a basis for future renovation for energy saving.

data center; evaporative condenser; free cooling; room cooling efficiency; power usage effectiveness; air-flow organization

1671-6612（2018）04-380-07

TU831.4

A

“十三五”国家重点研发计划项目课题（编号：2016YFC0700404）；西安工程大学研究生创新基金资助项目（编号：chx201869）

李婷婷（1992.08-），女，在读研究生，E-mail：1346695576@qq.com

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

2017-08-31