用于西北地区数据中心的节能冷源技术

清华大学建筑节能研究中心  才  华  谢晓云 

       【摘  要】 应用于我国西北地区数据中心的冷却，间接蒸发冷却塔可以从原理上解决普通冷却塔面临的防冻问题，还可以延长自然冷却时间、降低出水温度实现节能。然而单独运行间接蒸发冷却塔，出水温度会随着外部环境条件的变化而波动，在湿度高的天气下可能无法制冷。为实现全年稳定可靠地运行，进而拓展其适用的气候区，可将水冷冷机和间接蒸发冷却塔联合运行。如果进一步将二者结合成小型化一体机，既可解决放置空间不足的问题，又可实现控制上的便利，还可在工况切换时避免水管结冻风险。本文介绍了这种小型化一体机的工作原理和运行模式；通过案例分析，得出该系统的节能潜力。如果通过末端的优化设计，冷冻水温度可进一步提升，便可实现进一步的节能。

       【关键词】间接蒸发冷却，小型化一体机，工作原理，运行模式

Abstract:When aiming at data center cooling in northwest of China, indirect evaporative chiller can avoid freezing radically, and meanwhile save energy by expanding natural cooling time and lowering outlet water temperature. However, the indirect evaporative chiller alone cannot achieve stable supplying water temperature due to the fluctuating outside condition. When it occurs to be hot and humid, the indirect evaporative chiller cannot realize cooling. So a combination of indirect evaporative chiller and water-cooled mechanical chiller is a necessity to solve this problem. When combined as miniaturized integrated machines, they can save space and can be easy to control. The way how the machine is integrated can help avoid water pipes freezing when changing operating mode. In this paper, the principles and operating modes of the miniaturized integrated machine are introduced. Through case study, the potential of energy saving are calculated. If high supplying water temperature is feasible through optimizing the terminals, energy can be further saved.
Keywords:indirect evaporative cooling, miniaturized integrated machine, principle, operating mode

0 引言

       随着科技的不断发展，工业、商业、信息交流、社会活动等领域对网络依赖程度不断提高，人们对数据的计算速度和储存能力的需求急剧增长，数据中心规模不断扩大。数据中心用能的特点为能量密度高（未来将会达到8-15 kW/m^{2 [1]}），增长速度快，空调用电比例高（2016年，我国数据机房空调系统用电比例为40%^[1]）。自2010年至2012年，全球数据中心用电量增长了29%，2012年数据中心用电量约为7203亿kWh^[2]，约占全球总能耗的1.4%^[3,4]。2012年，我国数据中心年耗电量为665亿千瓦时，3年之内耗电量增长了37%^[2]，耗电量约占全国全年用电量的1.5%。

       为降低数据机房的耗电量，延长自然冷却时间进而充分利用自然冷源是人们关注的重点。已有的机房冷源系统形式是新风直接冷却，直接蒸发冷却+新风直接冷却，间接蒸发冷却+新风直接冷却，风冷冷水系统+精密空调和水冷冷水系统+精密空调^[3]。引入室外新风可能会引入颗粒物和有害气体对数据机房不利^[5]；如果没有蒸发冷却系统，只引入室外空气的自然冷却时间很短。风冷冷水系统的干冷器系统复杂、投资高,且与新风直接冷却一样面临自然冷却时间短的问题;水冷冷水系统中冷却塔的冬季结冰问题严重^[3]。目前大型数据中心主要建在北方，以充分利用自然冷源，且多采用水冷系统。它面临的核心问题是冬季冷却塔的结冰问题，和水冷系统的传热性能提升问题。

       北方寒冷及严寒地区冬季气温低于0℃，而数据中心需要全年冷却，喷淋塔需要全年开启，由此产生结冰问题。结冰会影响冷却塔的散热效果，损坏冷却塔的承重结构、填料等部件，影响冷却塔的使用期限^[3]。目前已有的冷却塔防冻措施有（1）采用其他设备替代冷却塔，比如干冷器或闭式冷却塔^[3]。然而对于干冷器来说，干球温度决定的自然冷却时间比湿球温度短，换热面积大投资高，系统切换复杂无法应对气温的日夜变化^[3]；闭式冷却塔的性能低于常规冷却塔，且冬季控制不当仍然会冻，干冷器冬季存在的问题闭式冷却塔都存在^[3]。（2）为冷却塔添加额外的热源^[3]，比如电伴热带、防冻化冰管^[3,6] 、进风口处增加热水水帘^[3,7-8]，但是电加热系统电耗高，安全性低，无法根治防冻^[3]。（3）改变冷却塔的的结构^[3]，安装挡风板^[3,9-14]或改变布水方式^[3,15-16]。（4）改变冷却塔的运行方式，比如风机周期性倒转^[3]。以上措施都不能根本上解决进风温度低带来的结冻问题。所以需要从提升进风温度出发，找到一种根治冷却塔冻的方法，在此基础上再降低系统电耗。

       我国西北地区气候干燥。对于干燥地区的数据机房，间接蒸发冷却塔^[17]可以从根本上解决上述防冻问题；同时，间接蒸发冷却塔可利用更低温的自然冷源，延长自然冷却时间、降低出水温度至湿球温度以下，从而实现节能。对于全年冷却，由于夏季存在室外温度高、湿度较高的工况，为保证冷源出水温度的稳定，间接蒸发冷却塔可与水冷电制冷机结合而形成新系统；该系统用在我国西北地区的数据机房，可极大程度上发挥其优势。如果对末端进行优化，使得系统要求的冷冻水供水温度可以升高，那么自然冷却时间可以进一步延长，冷源系统的能效也可以大幅度提升。目前对机房的新要求为，冷通道或机柜进风区域温度为18-27℃^[18]，所以二次水供回水温度最高可以达到21/27℃^[18]，为进一步节能创造了条件。

1 间接蒸发冷却与电制冷机结合的新系统运行模式及其原理

       1.1 新系统原理及切换方法

       将间接蒸发冷却塔与常规水冷冷水机组相结合，形成一种全新的机房空调冷源系统^[3]，如图1所示。

       由图1，间接蒸发冷却塔制备出的冷水首先送入板式换热器，板式换热器一侧为间接蒸发冷却塔制备的冷水，另一侧为机房的冷水回水。在板式换热器的机房冷水回水侧设置阀门1和阀门2，用来实现不同工况的切换，系统设计与工况切换方法详见参考文献[3]。间接蒸发冷却塔的两种流程可分别称为为串联和并联循环，图2展示了各自的循环示意图^[3]。图1展示的是串联循环与水冷冷机结合的系统。

       夏季工况，间接蒸发冷却塔作为水冷冷机的冷却塔用^[3]。此时阀门1关闭，阀门2打开，机房的回水仅经过水冷冷机的蒸发器被降温，间接蒸发冷却塔制备出冷却水带走冷凝器的排热。在此工况下，冷却水经过板式换热器但温度不变，之后进入制冷机组的冷凝器升温^[3]。

       冬季工况，制冷机组关闭，间接蒸发冷却塔独立作为冷源。此时阀门1开启，阀门2关闭^[3]。在不同室外气象条件时，为实现稳定的供水温度，机组会根据室外的气象来调节排风量。对于并联循环，冬夏分界线介于等湿球温度线和等露点线之间（见图8），可根据湿球温度和露点温度的均值来调节排风量，实现控制的便利。当供回水温度为10℃/16℃时，代表排风量的气水质量之比（风水比）的调节情况如图3所示，冷却水系统一直不调节。

       过渡季工况，室外露点温度、湿球温度介于冬季和夏季之间，间接蒸发冷却塔制备出的冷水温度也在一次水设计供回水温度之间。此时间接蒸发冷却塔与机械制冷机组可以联合运行共同制备出机房所需的冷水供水，此时阀门1开启，阀门2关闭^[3]。

       由上述各工况的运行模式可见，新系统可仅通过比较间接蒸发冷却塔出水温度与机房要求的供回水温度的关系便可决定运行模式。对于不同的运行模式，整个冷却水系统不存在切换，仅是机房冷水侧的阀门1和阀门2进行切换、制冷机组的启停。从运行调节上讲，该系统不存在由于工况手动调节不当，而导致有水管存着不流动的水而结冰的情况，保证了冷却水管路冬季不冻。同时，间接蒸发冷却塔可以从原理上使得冬季低温进风被升温进而防冻。系统安全防冻。

       此外，冬季工况，只需变频调节间接蒸发冷却塔的排风量，便可稳定出水温度，控制逻辑简单。

       1.2 冬季防冻原理

       图4在焓湿图上表示出了间接蒸发冷却塔串联循环的一个冬季运行工况。该工况取兰州冬季最冷的室外气象参数^[19]，室外干球温度-16.9℃，冬季一次水回水温度16℃，出水温度10℃，空气与水的温度沿程变化如焓湿图所示。该工况下的气水比为0.46。不同季节工况计算的数学模型详见参考文献[17]。

       由图4可知，发生在间接蒸发冷却塔内部的空气和水直接接触的整个蒸发冷却过程，空气的干球高于11℃，湿球高于3℃，水温高于10℃，整个喷淋过程都不存在温度低于0℃的位置，没有结冰的风险。间接蒸发冷却塔冬季制备冷水，其能够防冻的核心是通过间接蒸发冷却塔的表冷器利用机房回水对室外风升温，使得空气和水直接接触的蒸发冷却过程在高温的环境下完成[3]。冯潇潇[3]给出了间接蒸发冷却塔冬季工况的测试结果，包括系统进风参数、空气-水换热器（表冷器）的出风温度与系统进出水的温度测试，用红外热成像仪测试风水顺流、逆流的表冷器的进风面和水管拐角处的温度分布状况，实验结果展示于图5-6。实验结果可证明表冷器预热空气的方法可以使得间接蒸发冷却塔各处都不会结冻。

       1.3 夏季出水低于湿球温度的原理 

       间接蒸发冷却塔在夏季运行时，机组进风通过表冷器被机房冷却水回水（串联循环）或与机房冷却水同温度的自身制备的冷水（并联循环）进行冷却，其降低出水温度的核心是降低喷淋塔进风的湿球温度^[20]，这也是降低入口参数的不匹配程度的过程。图7焓湿图展示了并联循环的间接蒸发冷却塔沿程的温湿度分布。对于间接蒸发冷却塔来说，进风被等湿降温，使得进风湿球温度下降，从而使得冷水出水温度降低。极限情况，间接蒸发冷却塔的出水温度可以无限接近露点温度，而常规冷却塔的出水极限温度仅能到室外湿球温度。干燥地区室外露点温度可以比室外湿球温度低4-10℃^[20]，从而，利用间接蒸发冷却塔可以降低冷水出水温度，比常规冷却塔低2.5-4℃^[20]。当间接蒸发冷却塔当做机械制冷机组的冷却塔使用时，可以降低冷凝器的冷凝温度，提高机械制冷机组的COP至1.2-1.6倍，降低机组电耗。

       1.4 缺水时系统运行模式

       在某些地区，冷却水供应不足，这时候冷凝器排热的冷却水不经过喷淋塔只经过表冷器，通过室外风对冷机冷凝器的冷却水降温。

       当夏季工况室外干球温度32.7℃，湿球温度21.5℃，大气压84.82kPa(兰州气象数据^[19])，对于与电制冷机结合的间接蒸发冷却塔的串联方案，串联循环冷却水温度为45.5℃/50.5℃，电制冷机的冷凝温度为51.5℃；若将间接蒸发冷却塔的风机设计为双速风机，缺水时，风机在高速下运行，冷却水温仅为37.9℃/42.9℃，电制冷机的冷凝温度为43.9℃。对于风冷机组，此时冷凝温度为47.7℃。所以在极端缺水情况，其效果与风冷机相当。

       所以，该系统也可以在冷却水供应不足的情况下与风冷机组在相当的耗电量下运行，大大降低了水冷系统对补水的依靠程度，提高了系统的安全性。

2  典型案例分析

       对于位于兰州的某供冷量14.4MW的数据机房，需冷源系统全年为机房稳定提供冷冻水。根据机房对供水温度的最新要求[18]，取一次水供水温度在10-20℃的温度区间，每隔2.5℃计算一组工况。采取兰州的气象参数。对比方案为（1）方案一，串联间接蒸发冷却塔与水冷冷机结合的新系统；（2）方案二，并联间接蒸发冷却塔与水冷冷机结合的新系统；（3）方案三，风冷冷机；（4）方案四，普通冷却塔与电制冷机结合的系统。

       所有方案间接蒸发冷却表冷器为6排，NTU=2.65。

       全年气象参数及提供10/16℃冷水时各方案的冬夏分界点如图8所示。低温、高温冷却水的自然冷却时长、全年耗水量耗电量为表1和表2所示。图9展示了干空气能全年分布。夏季干空气能大于等于1 kJ/kg.a的时候都适合用间接蒸发冷却。

       四种方案在不同供回水温度下全年逐小时的模拟结果如图10-12所示：

       表1展示了不同方案在不同供回水温度下自然冷却工况与非自然冷却工况的切换条件。

       图13以15/21℃一次水冷却水供回水为例，对比了四种方案全年逐小时耗电情况。

       在每个供回水温度下分别对比四个方案，可以看到，带有间接蒸发冷却塔的系统可以延长自然冷却时间，大幅度降低全年耗电量。其中方案一串联间接蒸发冷却循环防冻性能最好。

       对比四个方案各自在不同供回水温度下的自然冷却时长和耗电量，可以看到，提高机房供水温度对可以大幅度降低耗电量。机房供水温度每提高1℃，蒸发冷水机组依靠自然冷却运行时间会增加17-19天；且高温供水可以使得间接蒸发冷却塔几乎全年自然冷却。而对于风冷冷水机组来说，自然冷却时长随供回水温度的变化约为8-9天/℃，为水冷机组的一半。说明提高机房的供回水温度对水冷系统更为有利。这也反映了这个温度区间里，干球温度和湿球温度随时间的变化速率的差异。

3 总结

       综上，间接蒸发冷却塔与水冷冷机相结合的新型冷源系统，可以实现：（1）夏季降低冷却水出水温度，提高冷机COP；（2）冬季从原理上彻底避免冷却塔结冰；（3）工况切换避免了水管结冻，利于安全运行；（4）极端缺水情况依然可以正常运行，性能与风冷机相当；（5）可模块化，放置于屋顶，省去机房面积；同时增加冷源的可靠性；可分期投入；（6）运行调控简单，仅通过风机变频保证稳定的出水温度。

       当机房设计供水温度提高时，该系统的耗电量显著降低，有着非常大的节能潜力。

       风冷制冷系统的电耗相比常规水冷方式都有明显增加，在大型数据中心的冷源系统设计中应尽量避免设计风冷制冷的系统。

参考文献

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       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。