数据中心间接蒸发自然冷却潜力评价计算新方法

褚俊杰 ，徐 伟，黄 翔，吕伟华

(1.中国建筑科学研究院有限公司 建筑环境与能源研究院，北京 100013；2.西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

随着互联网、云计算、大数据应用需求的爆发式增长，信息技术驱动智能终端、VR、人工智能、物联网和5G等领域快速发展，“互联网+”向各产业加速渗透，带动了数据中心的数据存储规模、计算能力以及网络流量的大幅增加[1]。相关数据表明，2018年全国数据中心总用电量为1 608.89亿kW·h，比上海市2018年全社会用电量(1 567亿kW·h)还要多，相当于中国三峡大坝的全年发电量[2]。因此，数据中心间接蒸发冷却技术成为近年来研究的热点[3]。蒸发冷却技术是一种利用水分蒸发制取冷量的高效自然冷却技术，在数据中心空调系统中利用间接蒸发自然冷却方案，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[4]。黄翔团队先后提出了利用间接蒸发冷却器预冷进风的间接蒸发冷却冷水机组，在我国西北地区的数据中心冷却工程应用中，实现了该数据中心空调系统全年100%的自然冷却，该系统运行安全可靠、节能节水，具有可观的经济效益[5-7]。美国国家可再生能源实验室在美国科罗拉多州的国家冰雪数据中心采用了结合露点间接蒸发冷却换热器的直接空气侧自然冷却系统。结果显示，此系统在夏天冷却系统能量消耗降低75%，在冬天能够降低能耗90%[8-9]。BI等提出将新型回热式露点间接蒸发冷却器应用于数据中心冷却系统中，通过使用新型的露点冷却系统,数据中心的电能利用效率在1.10～1.22之间[10]。贺红霞[11]、褚俊杰[12]等针对露点间接蒸发冷却器进行了理论与实验分析，先后提出了适用于干燥气候条件下的数据中心用露点间接蒸发冷却与机械制冷复合空调。除了蒸发冷却设备实验与应用分析，一些学者也对数据中心自然冷却时间进行了探讨，王泽青等通过空间插值的方法，得到全国各地区2种自然冷却方式的全年自然冷却时间分布图[13]；田振武等对水侧蒸发冷却空调系统在数据中心全年运行时间进行了探讨[14]。

以上文献均以数据中心间接蒸发冷却技术的实验测试与工程实践为主，且现有蒸发冷却空调气候适用性评价的方法仅适用于工业与民用建筑领域[15-16]，无法直接应用到数据中心间接蒸发冷却空调自然冷却潜力的评价中。为此，本文基于现有的蒸发冷却空调气候适用性评价与自然冷却潜力评价方法，提出一种新的数据中心间接蒸发自然冷却潜力评价计算方法，为评价数据中心间接蒸发自然冷却潜力计算提供了新的思路与途径。

1 现有计算与评价方法

对于如何表征不同地区蒸发冷却空调适用性与自然冷却潜力的评价指标与评价计算方法，相关研究学者对此问题提出不同的解决方案。

1.1 室外空气干湿球温差法

狄育慧等[15]利用某一地区夏季室外空调计算干球温度与湿球温度之差，来表征其应用蒸发冷却空调的驱动势(ΔT),即

ΔT=Tdb-Twb

(1)

式中：Tdb为环境干球温度，℃；Twb为环境湿球温度，℃。

例如，乌鲁木齐地区夏季室外空调计算干球温度33.4 ℃，湿球温度18.3 ℃，其干湿球温差为15.1 ℃。广州地区夏季室外空调计算干球温度34.2 ℃，湿球温度27.8 ℃，其干湿球温差为6.4 ℃。乌鲁木齐地区的干湿球温差远比广州的干湿球温差大得多，也更适用于蒸发冷却空调。在此基础上，分别将夏季室外空调计算的湿球温度20、23、28 ℃作为表征蒸发冷却空调适应性的指标限值,如表1所示。

表 1 蒸发冷却气候区域划分Tab.1 Evaporative cooling climate region division

1.2 干空气能表征法

谢晓云等结合空气化学火用计算公式，提出空气的干空气能的计算表达式，用来表征空气干燥程度以及能源品位的高低[16],即

(2)

式中：ed,o为干空气能，kJ/kg;t0为环境温度，℃；w为含湿量，kg/kg；Rair为干空气气体常数，取为287 J/(kg·℃)；w0为标准工况下空气饱和含湿量，kg/kg。最终以夏季室外空调计算温度得出空气的干空气能表达式，同时确定以干空气能=10 kJ/kg为我国干空气能的表达值,得到适宜蒸发冷却空调应用的区域划分。

但应当指出的是，上述2种来表征某一地区的夏季蒸发冷却空调的适用性的方法都是基于夏季室外空气温度。即先有一个基准空气参数值，再计算得到空气温度差值或者能量差值的指标值。指标值也是空气自身温湿度、能量与基准值的差值。

1.3 定义数据中心排热驱动温差

罗铭等分析了数据中心空调的特点，定义了数据中心排热驱动温差[17]，即

Δt=RQ

(3)

式中：Δt为冷却系统需要的换热温差，℃；R为排热系统等效热阻；Q为数据中心要求排热量，kJ；将ΔT设为芯片温度与冷源温度差值，℃。当ΔT>Δt时，可以用室外冷源排热；当ΔT<Δt时，辅助机械制冷，补充温差。此方法仅能对数据中心排热过程实质进行定性说明，无法进行定量计算。

1.4 自然冷却度时数法

GHIAUS等提出自然冷却度时数法，该方法反映了自然通风的应用潜力，温差越大，度时数DH越大[18]，即

(4)

式中：troom为室内设计温度，℃；ta,i为室外逐时温度，℃；Cs为供冷开始时间；Ce为供冷结束时间；但自然冷却度时数无法反映不同自然冷源形式的应用潜力。

1.5 修正度时数法

LYU等基于文献[18]提出一种修正度时数DHRC的表示方法[19]，增加能效的筛选，进一步界定自然冷却小时数时间。供冷时

(5)

式中：tbase,i为第i时刻自然能源利用基准温度；tn,i为第i时刻采集到的自然能源温度；ηn,i为自然能源系统的能量利用系数；COPn为自然冷源能效因子；COPm为机械冷源能效因子。

这种修正度时数的计算方法，加入了能效因子COP，即在室内外存在温差(室外低于室内)的前提下，再考虑能效的比值。如果自然冷却的能效低于机械制冷能效，此时计入自然冷却时间，否则即为0，应该舍去。

2 冷却潜力计算新方法

应当指出的是，现有的关于蒸发冷却空调适应性的评价方法都着眼于民用建筑的蒸发冷却空调。方法本身并不适用于数据中心蒸发冷却空调的评价。自然冷却度小时数的方法着眼于民用建筑的自然冷却与机械制冷的系统选择，与数据中心空调系统有着较大的区别。首先数据中心空调系统考虑全年供冷需求，而民用建筑仅用于供冷季时间段。其次，数据中心空调系统考虑环境空气与数据中心自身排热的关系，几乎不考虑新风的进入，着眼于环境空气与数据中心回风的温差关系。数据中心空调系统需要全年开启，没有一个准确的室外温度数值来代表全年各个小时的温度参数。因此使用小时数来表征数据中心空调系统中自然冷却的使用时间成为广泛接受的评价指标。

2.1 风侧间接蒸发冷却

典型的数据中心风侧间接蒸发自然冷却系统示意图如图1所示。该间接蒸发自然冷却系统在全年工作过程中，有3种工作模式，分别为干模式(换热器空气/空气换热)、湿模式(风侧间接蒸发冷却)、混合模式(风侧间接蒸发冷却+机械制冷)。根据室外环境参数全年的动态变化，3种工作模式依次动态切换，为数据中心热环境提供保障。

(a)干模式

(b)湿模式

(c)混合模式图 1 风侧间接蒸发自然冷却系统[1]Fig.1 Wind side indirect evaporative free cooling system[1]

干模式下，数据中心间接蒸发自然冷却风侧冷却效率(ξ,%)计算公式为

(6)

式中:tRA,db,in为数据中心中回风的干球温度，℃；tRA,db,out为冷却器产出空气即送风的干球温度，℃；tOA,db,in为环境空气即冷却器干模式下进风的干球温度，℃。按照相关标准[20-21]规定数值，间接蒸发冷却设备干模式下换热效率值为55%。

湿模式下，数据中心间接蒸发自然冷却风侧冷却效率(ξ)计算公式为

(7)

式中：tOA,wb,in为环境空气即冷却器湿通道进风的湿球温度，℃。当数据中心回风和送风基本维持不变时，环境温度越低，计算效率越低；反之，环境温度越高，计算效率越高。如果高过基准值，则无法得到要求的送风温度，换热将无法进行。按照标准[20-22]规定数值，湿模式下间接蒸发冷却设备换热效率值为70%。

基于间接蒸发自然冷却最大制冷量与数据中心散热量相等，采用式(8)计算得到效率基准值ξbase：

(8)

以此作为判断依据，得到表征数据中心间接蒸发自然冷却潜力计算方法公式。

干模式下：

(9)

式中：Hdry为数据中心间接蒸发自然冷却干模式小时数统计；tL为送风温度限定值；n为全年小时数，8 760 h。若式(9)计算结果为正，则此时刻认为是数据中心间接蒸发自然冷却小时数；若计算结果为0，此时刻应舍去。

湿模式下：

(10)

式中：Hwet为数据中心间接蒸发自然冷却湿模式小时数。

数据中心间接蒸发自然冷却小时数统计值计算公式为

Hair=Hdry+Hwet

(11)

选择全国31个主要中心城市，采用上述方法，利用相关气象数据集[22]，分别统计风侧间接蒸发自然冷却系统全年运行时间，结果如图2所示。可以看出：风侧系统干工况模式运行时间最短的是海口市，全年仅为2 317 h。湿工况模式运行最长的城市是南宁，全年有3 037 h间接蒸发冷却工作模式。湿工况模式运行最短的城市是拉萨，全年仅136 h间接蒸发冷却工作模式。风侧系统中间接蒸发冷却与机械制冷联合工作的混合模式运行时间最长的是海口，全年中有5 475 h需开启机械制冷系统。值得一提的是，乌鲁木齐和兰州全年空调系统开启机械制冷的时间仅为6 h和2 h，西宁、拉萨和昆明，全年甚至不需要开启机械冷源。在这些城市，使用风侧间接蒸发自然冷却空调系统，可以保障数据中心的热环境。

图 2 风侧间接蒸发自然冷却小时数Fig.2 Free cooling hours of indirect evaporation at the wind side

2.2 水侧间接蒸发冷却

数据中心水侧间接蒸发冷却系统示意，如图3所示。

(a)干模式

(b)湿模式

(c)串联混合模式

(d)并联混合模式图 3 水侧间接蒸发自然冷却系统 [1]Fig.3 Water side indirect evaporative free cooling system

水侧系统的核心设备是间接蒸发冷却冷水机组。当室外环境干球温度较低时，为水侧间接蒸发自然冷却空调系统的干运行模式，如图3(a)所示。此时空调系统通过表冷器内的防冻冷却介质，例如乙二醇(CH2OH)2与室外温度较低的空气换热，为数据中心排热。当室外环境温度升高，利用间接蒸发冷却冷水机组制取的冷水通过板式换热器为数据中心排热，如图3(b)所示。当室外环境温度继续升高，此时通过间接蒸发冷却模式也仍然无法进行有效排热时，开启机械制冷冷水机组，运行间接蒸发冷却与机械制冷混合运行模式。间接蒸发冷却冷水机组与机械冷机的混合运行模式有2种，一种是串联混合，如图3(c)；一种是并联混合，如图3(d)所示。机械制冷冷水机组产生的冷水全部或部分提供给数据中心的空调末端，而间接蒸发冷却冷水机组用以排出机械制冷冷水机组的热量。间接蒸发冷却冷水机组制取的冷水温度要低于普通冷却塔的出水温度，从而提高整个空调系统的能效。

干模式下，数据中心间接蒸发冷却水侧出水冷却效率(Γ)计算公式为

(12)

式中：tRW,in为机组在数据中心空调末端的回水温度，℃；tRW,out为机组出水温度，℃。干模式下，机组出水(防冻介质)温度的极限是环境空气干球温度。按照标准[20-21]规定数值，干模式下换热效率值为55%。

湿模式下，数据中心间接蒸发冷却水侧出水冷却效率(Γ)计算公式为

(13)

式中：tOA,dp,in为湿模式下环境空气露点温度，℃。湿模式下，机组出水温度的极限是环境空气的露点温度。按照标准[20-21]规定数值，以环境空气露点温度为基准，标准工况(进风干球温度33.5 ℃、湿球温度18.2 ℃、露点温度8.3 ℃)下，间接蒸发冷却冷水机组水侧效率标准型(供回水温差5 ℃)为40%，大温差型(供回水温差10 ℃)为58.1%。

干模式下，数据中心水侧间接蒸发自然冷却小时数为

(14)

间接蒸发冷却冷水机组的极限出水温度为环境空气的露点温度[23]。

湿模式下，数据中心水侧间接蒸发自然冷却小时数为

(15)

全年自然冷却总小时数为

Hwater=Hdry+Hwet

(16)

选择31个全国主要中心城市，采用上述方法，利用相关气象数据集[22]，分别统计水侧间接蒸发自然冷却系统全年运行时间，结果如图4所示。

图 4 水侧间接蒸发自然冷却小时数Fig.4 Free cooling hours of water side indirect evaporation

可以看出：水侧系统中，间接蒸发冷却冷水机组与机械制冷冷水机组联合工作的混合模式运行时间最长的城市是海口，全年中必须有7 057 h开启机械冷源系统。西宁和乌鲁木齐全年系统开启机械制冷的时间仅为22 h和43 h，拉萨全年水侧系统不需要开启机械冷源。在这些地区，使用水侧间接蒸发自然冷却空调系统，可以保障数据中心的热环境要求。通过分析这些城市的空调系统全年运行时间发现，水侧间接蒸发自然冷却空调系统更适合用在中国北方地区。即水侧系统的空气/防冻冷却介质的干式换热模式，可以很好地解决冬季水侧系统结冰无法使用的难题。而在夏季间接蒸发冷却冷水机组可以产出低于环境空气湿球温度的冷水，相比于传统冷却塔，显著扩展了蒸发冷却冷水设备的应用范围和时间。

3 结 论

1) 现有的计算方法仅考虑了环境空气的气候条件，或者数据中心空调的自身特点，无法直接应用到数据中心间接蒸发自然冷却潜力评价计算中。

2) 在环境空气温度与数据中心回风(回水)温度存在温差的小时数基础上，提出了增加间接蒸发冷却设备换热效率判定限值，以及数据中心送风温度限值，来筛选数据中心全年自然冷却小时数的方法。明确指出，数据中心间接蒸发自然冷却潜力的大小与环境空气气象参数、间接蒸发冷却设备换热效率、数据中心要求送风温度限值等因素有关。