露点蒸发冷却技术在数据中心应用的分析

北京建筑大学 曾锦雯 郭一平

       【摘  要】数据中心是典型的大规模、高密度电子器件集成系统，需要良好的散热才能保障其继续运行。空调设备作为其重要支撑子系，耗能非常大，因此降低空调耗能成为其节能减排的关键之一。露点间接蒸发冷却技术是一种能通过二次空气的蒸发冷却，从而间接冷却一次空气（送风），使得一次空气降至露点温度且不改变送风含湿量的技术，是近年来国内外在数据中心应用的研究热点。本文介绍了露点蒸发冷却器在数据中心的发展现状，重点研究了国内外数据中心在蒸发冷却空调上的应用实例，通过社会效益和环境效益的分析探讨其可靠性、经济性和环保性，总结其关键问题和发展方向。

       【关键词】露点蒸发冷却；数据中心；应用实例；社会效益；环境效益

1 引言

       随着科技发展和社会进步，数据中心的热流密度和总的热负荷越来越大。数据中心作为典型的高密度、大规模的电子器件集成系统，耗电量和耗能量不容小觑。露点间接蒸发冷却技术可以间接冷却一次空气，不增加空气湿度就能实现制冷的蒸发冷却技术。该技术具有环保、经济、节能等特点，在国内外研究都倍受关注。据最新数据统计显示，目前全球数据中心总量达860万个，其中美国和西欧几乎占了一半。当前在欧美地区对传统数据中心的改造已经基本完成，为了加强企业的全球化的服务能力，欧美地区正加快速度建造新的大型云计算数据中心。而我国的数据中心产业建设还在起步阶段，并且市场保持着高增长的趋势。

       2003年，在第四届暖通空调国际研讨会上，俄罗斯的Valeriy Maisotsenko博士发表了《The Maisotsenko cycle for air desiccant cooling》，提出了Maisotsenko循环（M-cycle），是热力学的一个重要突破。M-cycle技术其实就是露点间接蒸发冷却技术，能够利用水和空气中的自然清洁的能源，利用湿能进行冷却降温，且不增加送风的湿度，具有十分高的能效比（EER）。该技术广泛永源化工、农业、生产和环保等领域，并且在数据中心的应用非常出色。并且，Delphi Corp公司和Coolerado公司根据M-cycle研发了露点间接蒸发冷却器，推进了露点间接蒸发冷却技术的发展和应用推广。露点间接蒸发冷却器在2004年被任务是新技术中最重要的产品之一。

       目前我国传统数据中新还存在这能耗高、成本高、运行耗能大、设计不合理和不环保等缺点。以中国电信的数据中心为例，中国电信拥有的星级数据中心机房大楼至少300个，共有至少4万客户16万台设备在数据中心机房运行着。中国电信的数据中心每年总耗电量达10亿度左右，且空调的耗电量已经从过去的30%上升到目前的40%左右。随着电费单价的上涨和电信业务价格的优惠下降，中国电信的能耗费用的上涨速度已经超过了电信业务资费的收入的增长速度。同时，受到国内供电能力的制约和节能减排大环境的影响，推广新一代绿色节能数据中心的任务已经迫在眉睫。

       本文将归纳当前数据中心的冷却技术，探讨目前数据中心空调制冷的局限性，通过社会效益评价和环境效益评价分析，总结间接蒸发冷却技术的节能优势，呼应国家战略要求，大力推广节能减排的新技术。

2 国内外案例分析

       2.1 Coolerado在数据中心的应用

       Idalex公司基于M-Cycle的间接蒸发传热传质换热器提出并申请了专利，授权给Coolerado 公司开发了一系列 Coolerado Cooler产品。制造商声称，换热器的湿球效率可达到94%~122%。

       Coolerado Cooler是用100%的全新风作为送风，应用于美国科罗拉多州的美国国家冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center）取得了良好的收益效果。该数据中心建立在Boulder地区，数据中心内安装了8台Coolerado M50露点间接蒸发冷却器，经过测试，每台冷却器的送风量在室外静压0Pa至250Pa时，送风量从2462m³/h变化至1256m³/h。Coolerado Cooler的机组是模块化的，器联合安装8台机组，每台机组的功率为710W，数据中心的面积为160m²，这8太机组联合安装能达到大风量组合式空调机组的制冷效果。如下表所示为Coolerado Cooler在美国国家冰雪数据中心的应用中，对使用精密空调的PUE值和使用露点间接蒸发冷却空调的PUE值的测试结果对比如图2-1所示。

图2-1 间接蒸发冷却空调PUE对比图

       该数据中心位于Boulder地区，在2月至4月室外气温较低，室外空气可通过简单过滤室外冷空气，直接使用自然通风为设备降温，获得了近似“免费”的供冷 。因此只需在室外气温较高的5月至12月和1月使用Coolerado的冷却器。使用精密空调时，PUE值在2左右，最大的PUE值在4月份达到了2.5，在5月份PUE值最低为1.55左右。而使用Coolerado的露点间接蒸发冷却器时，数据中心的PUE值都在1.75以下，并且在1月、10月、11月和12月都非常接近于1。由此看得出使用露点间接蒸发冷却器是比使用精密空调更加节能有效的制冷方式。

       2.2 国内某数据中心案例分析

       2.2.1 工程概况

       以河南省郑州某机房工程为例，对露点蒸发空调机组的节能潜力进行分析。该机房面积约为210m²，机房冷负荷为136KW。原来配备4台阿尔西精密空调CYBERCOOLDXAU 36e2 S6。单台阿尔西精密空调的制冷量为36.9KW，输入功率为11.1KW，送风方式为上送风。

图2-2-1 郑州某机房平面图（左：改造前；右：改造后）

       该工程配置4台机房精密空调，输入功率共44.4KW，制冷量共147.6KW。如图2-1所示为机房平面图。现进行机房节能模拟改造，增置使用M-cycle技术的露点间接蒸发冷却器为机房进行冷却降温。

       2.2.2 气象分析

       根据ASHRAETC9.9介绍的设备环境要求，热环境参数包络区如图2-2所示，在焓湿图上绘制出推荐区和允许区，推荐区为实施应以推荐运行环境范围为目标进行设计和运行的值，允许区为设施应以极端运行环境范围进行设计与运行的值。

图2-2 ASHRAE2008 推荐的1级设备要求的环境参数包络区

       郑州地区属于暖温带亚湿润季风气候。四季分明，雨热同期，干冷同季。随着四季更替，依次呈现春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雨雪的基本气候特征。郑州气候温和，四季分明。郑州年平均气温14.5℃。七月份最热，月平均气温27.1℃。一月份最冷，月平均气温为-0.3℃。郑州基本气候情况见表2-1：

表2-1 郑州基本气候数据表（近十年统计）

       由于水在0℃以下会结冰，所以要保证空调机组的工作温度在0℃以上。如表4.2.1河南郑州基本气候表统计的数据所示，一年中湿球温度大于0℃的天数有个75个，最高温度为42℃，最低温度为-17℃。因此，为了保证通入空调机组设备的空气温度大于0℃，避免凝结现象，可以将回风通入设备中，保护机器设备。由ASHRAETC9.9中给出的包络区可知，不同工况机组的制冷能力也不同。当室外的干湿球温度升高时，送风温度也随之上升。如果室外空气温度的露点温度值高于30℃时，不仅不能制冷，反而会对回风空气进行加热。因此，室外新风的焓值要小于回风的焓值，并且满足室内送风要求，才能对数据中心进行降温，否则不宜开启内循环间接蒸发冷却机组。这种情况下需使用其他冷却方式为数据中心降温。

       湿球温度＜10℃适合自然冷却模式，10--15℃之间适合预冷模式，＞15℃适合普通制冷模式

       郑州地区在4月份至10月份是在满足 ASHRAE TC 9.9 的环境要求的允许区的，而在5月份至8月份可以满足器环境要求的推荐区。因此，露点间接蒸发冷却技术在郑州地区一年中的大多数月份都可以启用，本文设定露点间接蒸发冷却器的使用时间为4月至10月，其他月份可直接通入室外新风为数据中心降温冷却。

       2.2.3 技术分析

       改造后，数据中心间接蒸发制冷技术包括两大部分。分别为蒸发制冷段和机械制冷段。数据中心的制冷包括三种工况：

       1）仅间接蒸发制冷：当室外天气环境较好时，可以，在室外环境工况良好的情况下可完全通过间接蒸发制冷模式为数据中心供冷；

       2）间接蒸发+机械制冷：间接蒸发制冷量不足时开启机械制冷辅助提供数据中心供冷；

       3）在室外温度较高或湿度很大时通过开启机械制冷为数据中心供冷。

       在较寒冷的4月份和10月份，露点间接蒸发冷却空调的降温效果不如恒温恒湿精密空调好，但是在5月份至9月份，露点间接蒸发冷却空调能够很好地利用自然资源，利用清洁环保空气和水来实现有效降温。也就是说，在一年中的大部分时间，露点间接蒸发冷却空调都能高效使用，在其他月份也能够满足机房的制冷的基本要求。使用情况如下表2-2.

表2-2 改造前后各项指标对比表

       所以，在河南郑州地区使用露点间接蒸发冷却空调能达到78%的节能率，达到了非常好的节能效果。

       该项目还满足以下一些基本要求：

       1）由于该项目使用水作为制冷剂，水是一种洁净的能源，是可再生能源，来源较广，费用不高，因此该项目对原材料的适应能力较强。相较于传统的机械制冷方式，露点间接蒸发冷却空调在原材料的使用上具有较强的应变能力。

       2）该项目在数据中心的应用非常出色，数据中心自身的负荷具有高显热比的特点。如果使用高耗电量、有污染、不稳定的其他制冷方式，机房的总能耗会非常大。

       3）该项目的应变能力较强。

       该冷却器可以在室外湿度较大的时候满足使用要求。当室外天气是阴雨天气或者湿度偏大的天气时，即可加强除湿，使得露点效率较高，更好地实现降温冷却。因此，该项目的应变能力是比较好的。

3 社会效益评价及环境效益评价

       3.1 社会效益评价

       露点间接蒸发冷却器在数据中心的应用带动了大数据行业的发展，对带动地方经济的发展起了促进作用。新一代数据中心的建设呼应国家节能减排的战略要求，使用新的降温技术，推进了露点间接蒸发冷却的技术研究，使得新技术的发展和应用越来越成熟。这是一项新的技术领域，需要越来越多的专家、学者和建设人员和运营人员加入进来，对促进就业具有重大意义。

       由于传统的中小型数据中心都集中在经济发达的一线城市，北京、上海、珠三角地区的数据中心尤为密集，北上广地区的人才众多，推广露点间接蒸发冷却技术，促使北上广的优秀工程师和研究者往地域辽阔的三北地区转移，推动当地的教育和人才市场。

       新一代数据中心的建设需要人才转移，并且绿色数据中心的建设不像传统污染工厂企业，带动当地发展的同时却使得当地环境受到了严重的污染。如此一来，会有更多的居民愿意在工厂附近居住和生活，会给当地带来不错的经济发展，对社会带来良好的效益。

       3.2 环境效益评价

       国内数据中心的产业布局已经成为国家战略要求内容。大数据将会是未来十年重点发展的方向，大批新的数据中心将会建起，原有的数据中心也需要扩大规模，电子集成系统的使用率将更大，由此产生的热量会更多。根据专家学者的建议，我国新一代绿色数据中心的建设会集中在东北、西北和华北地区，因为这些地区地域辽阔，空气湿度小，年平均气温较低，对数据中心的散热带来很大帮助。新一代的绿色数据中心的建设会向郊区转移，可以缓解城市的热岛效应。新一代的数据中心将是节能绿色环保的数据中心，使用露点间接蒸发冷却器替代原有的传统的机械制冷空调，能够节省一大笔电费，并且以水为清洁能源，能够对环境有保护作用，体现了节能减排。

       对于传统的数据中心，对空调系统进行改造，将传统的机械制冷系统用露点间接蒸发冷却器代替，进行节能改造。在这个改造过程中，不需要对原建筑装修，只需要在原有的基础上增置露点间接蒸发冷却器，风管也仅需要从原有的窗户穿过，不需要进行大装修。因此在改造的过程中，减少了钢筋混凝土等建筑垃圾的污染。在水资源的使用方面，使用自来水即可，排放出的二次空气的湿度偏大，温度也偏高，但都在可控范围之内，没有污染气体，也没有有害的制冷剂，对所在区域的生态环境是几乎没有影响的。

4 结果与展望

       本研究重点研究露点间接冷却器在数据中心的应用，探讨了国内外发展的现状，总结了数据中心中空调系统节能的重要性。本文重点研究了国内外多个数据中心在蒸发冷却空调上的应用实例，通过分析冷却器的多项性能指标后发现，利用M-cycle原理的露点间接蒸发冷却技术是最环保高效的制冷技术。

       本文呼应国家节能减排的发展战略，推荐使用以水为制冷剂的清洁能源来制冷；使用低耗电高PUE的空调系统为数据中心降温；使用新型技术，并充分利用自然环境资源。希望该节约能源、经济可靠的露点间接蒸发技术能得到推广。

参考文献

       [1]雷卫清、下一代绿色数据中心【J】、人民邮电出版社、北京、2013；
       [2]詹淑慧、燃气供应（第二版）、中国建筑工业出版社、北京、2011；
       [3]任兵、杨国荣、陈亮、数据通信设施节能最佳实践【M】、中国建筑工业出版社北京、2010；
       [4]李成章、机房技术与管理，2011，数据中心空调系统的节能降耗；
       [5]黄翔、空调工程（第二版）、机械工业出版社、北京、2011。

       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。