數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)、分類和應用

　　數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)歷經(jīng)風冷直膨式系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)及風側(cè)自然冷卻系統(tǒng)等時期，節(jié)能技術(shù)逐步發(fā)展。目前大型數(shù)據(jù)中心應用的間接蒸發(fā)自然冷卻方式，與傳統(tǒng)新風自然冷卻及冷凍水冷卻系統(tǒng)相比，具有室內(nèi)空氣不受室外環(huán)境空氣質(zhì)量的影響、噴淋加濕空氣不會影響室內(nèi)濕度、過濾器維護成本低、耗水量少、節(jié)能水平高等特點和優(yōu)勢。

　　一：蒸發(fā)冷卻技術(shù)分類

　　數(shù)據(jù)中心常用節(jié)能方式：

　　蒸發(fā)冷卻技術(shù)分類：

　　二：間接蒸發(fā)自然冷卻技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)

　　1、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

　　間接蒸發(fā)冷卻作為蒸發(fā)冷卻的一種獨特等濕降溫方式，其基本原理是：利用直接蒸發(fā)冷卻后的空氣(稱為二次空氣)和水，通過換熱器與室外空氣進行熱交換，實現(xiàn)新風(稱為一次空氣)冷卻。由于空氣不與水直接接觸，其含濕量保持不變，一次空氣變化過程是一個等濕降溫過程。

間接蒸發(fā)冷卻原理示意圖

　　2、間接蒸發(fā)冷卻機組結(jié)構(gòu)

　　間接蒸發(fā)系統(tǒng)由噴淋裝置、換熱芯體、室內(nèi)風機、室外風機、機械制冷補充裝置、控制系統(tǒng)等組成。

　　三：間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)運行模式

　　蒸發(fā)冷卻基于干濕球溫差制冷，注重環(huán)境干球溫度和濕球溫度，主要存在三種工作模式：

　　1. 間接風風換熱自然冷卻模式（室外＜18℃）

　　在冬季室外溫度低的情況下，上部室外側(cè)氣流進入機組。首先進行空氣過濾。因為室外空氣溫度低，無需絕熱蒸發(fā)所產(chǎn)生的制冷量足夠在換熱器內(nèi)冷卻服務器機房回風。經(jīng)過換熱器后，吸收熱量的室外空氣回到上部，由室外側(cè)EC 風機墻排放到室外。在機組下部分，機房內(nèi)部的熱回風首先經(jīng)過過濾，在熱交換器中和室外空氣進行熱交換。冷卻后的機房回風，經(jīng)過室內(nèi)側(cè)EC 風機墻被送入服務器機房。

干模式運行示意圖

　　2. 間接蒸發(fā)自然冷卻模式（干球溫度＞18℃，濕球溫度＜18℃）

　　在春秋季室外溫度較低的情況下，上部室外側(cè)氣流進入機組。首先進行空氣過濾。因為室外空氣溫度不夠低，需要通過高壓微霧噴淋進行絕熱蒸發(fā)制冷的來補充制冷量。室外空氣在換熱器內(nèi)冷卻服務器機房回風，吸收熱量的室外空氣回到上部，由室外側(cè)EC 風機墻排放到室外。在機組下部分，機房內(nèi)部的熱回風首先經(jīng)過過濾，在熱交換器中和室外空氣進行熱交換。冷卻后的室內(nèi)空氣，經(jīng)過室內(nèi)側(cè)EC 風機墻被送入服務器機房。

濕模式運行示意圖

　　3. 間接蒸發(fā)自然冷卻+機械冷卻的混合模式（濕球溫度＞18℃）

　　在夏季室外溫度高的情況下，上部室外側(cè)氣流進入機組。首先進行空氣過濾。通過高壓微霧噴淋進行絕熱蒸發(fā)制冷來補充制冷量。室外空氣在換熱器內(nèi)冷卻服務器機房回風，吸收熱量的室外空氣回到上部，由室外側(cè)EC 風機墻排放到室外。在機組下部分，機房內(nèi)部的熱回風首先經(jīng)過過濾，在熱交換器中和室外空氣進行熱交換。因為室外空氣溫度高，經(jīng)過換熱器冷卻后的室內(nèi)空氣溫度仍然未到達送風溫度要求，還需要補充機械制冷。經(jīng)過室內(nèi)側(cè)EC 風機墻后，因為機械制冷風閥關(guān)閉，機房回風只能再經(jīng)過機械制冷盤管，經(jīng)過制冷后機房回風達到設定送風溫度后被送入服務器機房。

混合模式運行示意圖

　　四：應用優(yōu)勢和局限

　　1、造價方面

　　業(yè)界有人認為間接蒸發(fā)冷卻的整體投資成本高于傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)。

　　但值得一說的是：經(jīng)過幾年的快速發(fā)展和大量落地應用，間接蒸發(fā)冷卻出現(xiàn)了成本的快速大幅下降,傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)的造價成本則一直保持相對穩(wěn)定或微調(diào)。

　　2、系統(tǒng)可靠性

　　行業(yè)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心往往傾向于采用傳統(tǒng)集中冷凍水系統(tǒng)，認為是技術(shù)路線成熟，多年廣泛應用，穩(wěn)定可靠。所以強調(diào)高可靠性的數(shù)據(jù)中心，比如大型金融數(shù)據(jù)中心，基本會選擇傳統(tǒng)集中冷凍水系統(tǒng)，而小型金融數(shù)據(jù)中心會選擇風冷直膨系統(tǒng)。不過，經(jīng)過幾年的成熟應用，間接蒸發(fā)冷卻因其產(chǎn)品化模塊化的部署方式，通常不必擔心有系統(tǒng)性的重大故障，故障則體現(xiàn)在產(chǎn)品的層面，選擇間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的業(yè)主單位表達出對可靠性的不同理解。

　　3、運維方面

　　間接蒸發(fā)冷卻和傳統(tǒng)空調(diào)水系統(tǒng)相比，夏季維護量基本相當，而從全年看間接蒸發(fā)冷卻肯定有優(yōu)勢，尤其是冬季基本不需要維護，對運維的挑戰(zhàn)相對較低，有業(yè)主認為采用間接蒸發(fā)冷卻可以不必像傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)系統(tǒng)那樣“操心”，體現(xiàn)出其運維的優(yōu)勢。

　　4、市場認可度

　　傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)多年居于大型數(shù)據(jù)中心的最大份額，成熟應用是其最大的因素，尤其是安全要求高的數(shù)據(jù)中心，源于各種規(guī)范均有關(guān)于傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)的技術(shù)要求，建設中從設計到投產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)均有相關(guān)標準可循，可操作性強，所以獲得長期認可。

　　間接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心領域相對年輕，大型項目的成熟案例較少。但傳統(tǒng)冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的工程化屬性與數(shù)據(jù)中心分步建設和彈性靈活部署是較難調(diào)和的矛盾，運維難度較大。隨著間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和自然冷卻風冷直膨系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新進步，這兩項技術(shù)也出現(xiàn)了較高運行效率和低PUE的案例，在產(chǎn)品化、模塊化、彈性靈活、少運維工作量等方面優(yōu)于傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)。

　　5、方案設計

　　間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)這兩種方案中，間接蒸發(fā)冷卻設備廠商和設計單位的配合關(guān)系相對前置化，也就是在設計方案前期就需要按照間接蒸發(fā)冷卻特有的技術(shù)要求進行，甚至不同的廠商提出的土建配合要求也不盡相同，甚至存在較大差異，這就為項目的實施帶來較大的困惑。

　　按照傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)進行設計的項目，或者建筑形式已經(jīng)確定的項目，或者設計方案已經(jīng)報批完成的項目，如果想要改為間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，將會比較困難，尤其是在一線城市。畢竟是屬于空氣冷卻方式，空間和占地問題是間接蒸發(fā)冷卻不可回避的一個弊端，這也是目前業(yè)內(nèi)公認的。在一線城市土地資源緊張的情況下，間接蒸發(fā)冷卻未來發(fā)展的空間受限，二三線城市由于土地資源相對寬松，可能會是未來間接蒸發(fā)冷卻轉(zhuǎn)移戰(zhàn)場的重點發(fā)展區(qū)域。

典型的間接蒸發(fā)冷卻平面布置圖

間接蒸發(fā)冷卻側(cè)墻安裝方式

間接蒸發(fā)冷卻屋面安裝方式

　　6、地域限制

　　間接蒸發(fā)冷卻的另外一個短板是受氣候條件的嚴重限制，不同氣象參數(shù)帶來不同的風機的參數(shù)以及DX或CW的配比。另外，氣流組織、芯體材質(zhì)和片距，對于換熱量和風機耗電量的最佳匹配有著至關(guān)重要的影響，當然進而影響PUE。隨著機房室內(nèi)溫濕度范圍要求的寬泛趨勢和升溫趨勢，間接蒸發(fā)冷卻也逐步在發(fā)生改變，其應用的區(qū)域場景已從西北逐步往東南方向挺進，即使在深圳也有應用案例，只是相對北方案例的效率有所降低。

　　五：案例應用

　　美國Sabey 昆西數(shù)據(jù)中心

　　Sabey Quincy（昆西）數(shù)據(jù)中心采用單平層結(jié)構(gòu)，建筑層高7.2米，空調(diào)系統(tǒng)采用間接蒸發(fā)冷卻，直接膨脹式（DX）制冷系統(tǒng)作為冷量補充?？照{(diào)系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，安裝在建筑樓頂，鑒于Sabey的經(jīng)營模式，完全可適應模塊化建設的節(jié)奏和要求。

　　在長達6年的運行中，該項目的間接蒸發(fā)冷卻機組承受了諸如森林火災，沙漠的高硬度地下水等惡劣環(huán)境的考驗，獨特的聚合物間接蒸發(fā)換熱器無需任何軟化水處理，同時可以通過特殊的自清潔功能，始終保持高效率運行，在滿負載整體系統(tǒng)測試中，記錄下的頂峰PUE為1.25，年均PUE為1.16。連續(xù)三年被美國能源部評選為能源之星。

　　資料摘自CDCC《數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)白皮書》

　　美國Supernap數(shù)據(jù)中心

　　間接蒸發(fā)冷卻在美國案例眾多。但在歐洲卻并未成為主流，雖然也有部分項目實際應用，但近幾年來主流方式返回到風冷式冷凍水方案，而非水冷。這種現(xiàn)象背后的原因復雜，據(jù)行業(yè)人士分析，除了業(yè)務模式以外，和歐洲對于水源和水質(zhì)的管理、用水成本、人工成本、維護成本、設備可靠性以及環(huán)境保護等眾多因素相關(guān)。

　　法國巴黎COLT數(shù)據(jù)中心

　　巴黎Colt數(shù)據(jù)中心位于法國巴黎市，建筑整體分為2層，每層層高約7m，建筑整體高度14m。每層部署一個數(shù)據(jù)中心，每層機房面積約5000平方米，形成了上下2層共2個模塊機房。采用間接蒸發(fā)自然冷卻機組，每臺設備顯冷量為320kW，每層機房模塊配置6臺機組，采用5+1冗余配置。每臺設備均配置部分制冷量的DX輔助制冷單元。