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(lèi)和應(yīng)用

　　數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)歷經(jīng)風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)及風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)等時(shí)期，節(jié)能技術(shù)逐步發(fā)展。目前大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的間接蒸發(fā)自然冷卻方式，與傳統(tǒng)新風(fēng)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(huì)影響室內(nèi)濕度、過(guò)濾器維護(hù)成本低、耗水量少、節(jié)能水平高等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

　　一：蒸發(fā)冷卻技術(shù)分類(lèi)

　　數(shù)據(jù)中心常用節(jié)能方式：

　　蒸發(fā)冷卻技術(shù)分類(lèi)：

　　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(dú)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(chēng)為二次空氣)和水，通過(guò)換熱器與室外空氣進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)(稱(chēng)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(guò)程是一個(gè)等濕降溫過(guò)程。

間接蒸發(fā)冷卻原理示意圖

　　2、間接蒸發(fā)冷卻機(jī)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(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、機(jī)械制冷補(bǔ)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(yùn)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(fēng)風(fēng)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(jìn)入機(jī)組。首先進(jìn)行空氣過(guò)濾。因?yàn)槭彝饪諝鉁囟鹊停瑹o(wú)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(wù)器機(jī)房回風(fēng)。經(jīng)過(guò)換熱器后，吸收熱量的室外空氣回到上部，由室外側(cè)EC 風(fēng)機(jī)墻排放到室外。在機(jī)組下部分，機(jī)房?jī)?nèi)部的熱回風(fēng)首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾，在熱交換器中和室外空氣進(jìn)行熱交換。冷卻后的機(jī)房回風(fēng)，經(jīng)過(guò)室內(nèi)側(cè)EC 風(fēng)機(jī)墻被送入服務(wù)器機(jī)房。

干模式運(yùn)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(jìn)入機(jī)組。首先進(jìn)行空氣過(guò)濾。因?yàn)槭彝饪諝鉁囟炔粔虻停枰ㄟ^(guò)高壓微霧噴淋進(jìn)行絕熱蒸發(fā)制冷的來(lái)補(bǔ)充制冷量。室外空氣在換熱器內(nèi)冷卻服務(wù)器機(jī)房回風(fēng)，吸收熱量的室外空氣回到上部，由室外側(cè)EC 風(fēng)機(jī)墻排放到室外。在機(jī)組下部分，機(jī)房?jī)?nèi)部的熱回風(fēng)首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾，在熱交換器中和室外空氣進(jìn)行熱交換。冷卻后的室內(nèi)空氣，經(jīng)過(guò)室內(nèi)側(cè)EC 風(fēng)機(jī)墻被送入服務(wù)器機(jī)房。

濕模式運(yùn)行示意圖

　　3. 間接蒸發(fā)自然冷卻+機(jī)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(jìn)入機(jī)組。首先進(jìn)行空氣過(guò)濾。通過(guò)高壓微霧噴淋進(jìn)行絕熱蒸發(fā)制冷來(lái)補(bǔ)充制冷量。室外空氣在換熱器內(nèi)冷卻服務(wù)器機(jī)房回風(fēng)，吸收熱量的室外空氣回到上部，由室外側(cè)EC 風(fēng)機(jī)墻排放到室外。在機(jī)組下部分，機(jī)房?jī)?nèi)部的熱回風(fēng)首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾，在熱交換器中和室外空氣進(jìn)行熱交換。因?yàn)槭彝饪諝鉁囟雀撸?jīng)過(guò)換熱器冷卻后的室內(nèi)空氣溫度仍然未到達(dá)送風(fēng)溫度要求，還需要補(bǔ)充機(jī)械制冷。經(jīng)過(guò)室內(nèi)側(cè)EC 風(fēng)機(jī)墻后，因?yàn)闄C(jī)械制冷風(fēng)閥關(guān)閉，機(jī)房回風(fēng)只能再經(jīng)過(guò)機(jī)械制冷盤(pán)管，經(jīng)過(guò)制冷后機(jī)房回風(fēng)達(dá)到設(shè)定送風(fēng)溫度后被送入服務(wù)器機(jī)房。

混合模式運(yùn)行示意圖

　　四：應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限

　　1、造價(jià)方面

　　業(yè)界有人認(rèn)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(shuō)的是：經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展和大量落地應(yīng)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(jià)成本則一直保持相對(duì)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(rèn)為是技術(shù)路線(xiàn)成熟，多年廣泛應(yīng)用，穩(wěn)定可靠。所以強(qiáng)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(huì)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(huì)選擇風(fēng)冷直膨系統(tǒng)。不過(guò)，經(jīng)過(guò)幾年的成熟應(yīng)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?fù)?dān)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(dá)出對(duì)可靠性的不同理解。

　　3、運(yùn)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(hù)量基本相當(dāng)，而從全年看間接蒸發(fā)冷卻肯定有優(yōu)勢(shì)，尤其是冬季基本不需要維護(hù)，對(duì)運(yùn)維的挑戰(zhàn)相對(duì)較低，有業(yè)主認(rèn)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(yùn)維的優(yōu)勢(shì)。

　　4、市場(chǎng)認(rèn)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(yīng)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(shè)中從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可循，可操作性強(qiáng)，所以獲得長(zhǎng)期認(rèn)可。

　　間接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域相對(duì)年輕，大型項(xiàng)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(shè)和彈性靈活部署是較難調(diào)和的矛盾，運(yùn)維難度較大。隨著間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和自然冷卻風(fēng)冷直膨系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新進(jìn)步，這兩項(xiàng)技術(shù)也出現(xiàn)了較高運(yùn)行效率和低PUE的案例，在產(chǎn)品化、模塊化、彈性靈活、少運(yùn)維工作量等方面優(yōu)于傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)。

　　5、方案設(shè)計(jì)

　　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(shè)備廠(chǎng)商和設(shè)計(jì)單位的配合關(guān)系相對(duì)前置化，也就是在設(shè)計(jì)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(jìn)行，甚至不同的廠(chǎng)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(xiàng)目的實(shí)施帶來(lái)較大的困惑。

　　按照傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，或者建筑形式已經(jīng)確定的項(xiàng)目，或者設(shè)計(jì)方案已經(jīng)報(bào)批完成的項(xiàng)目，如果想要改為間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，將會(huì)比較困難，尤其是在一線(xiàn)城市。畢竟是屬于空氣冷卻方式，空間和占地問(wèn)題是間接蒸發(fā)冷卻不可回避的一個(gè)弊端，這也是目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的。在一線(xiàn)城市土地資源緊張的情況下，間接蒸發(fā)冷卻未來(lái)發(fā)展的空間受限，二三線(xiàn)城市由于土地資源相對(duì)寬松，可能會(huì)是未來(lái)間接蒸發(fā)冷卻轉(zhuǎn)移戰(zhàn)場(chǎng)的重點(diǎn)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(gè)短板是受氣候條件的嚴(yán)重限制，不同氣象參數(shù)帶來(lái)不同的風(fēng)機(jī)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(duì)于換熱量和風(fēng)機(jī)耗電量的最佳匹配有著至關(guān)重要的影響，當(dāng)然進(jìn)而影響PUE。隨著機(jī)房室內(nèi)溫濕度范圍要求的寬泛趨勢(shì)和升溫趨勢(shì)，間接蒸發(fā)冷卻也逐步在發(fā)生改變，其應(yīng)用的區(qū)域場(chǎng)景已從西北逐步往東南方向挺進(jìn)，即使在深圳也有應(yīng)用案例，只是相對(duì)北方案例的效率有所降低。

　　五：案例應(yīng)用

　　美國(guó)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(bǔ)充。空調(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(yíng)模式，完全可適應(yīng)模塊化建設(shè)的節(jié)奏和要求。

　　在長(zhǎng)達(dá)6年的運(yùn)行中，該項(xiàng)目的間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組承受了諸如森林火災(zāi)，沙漠的高硬度地下水等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，獨(dú)特的聚合物間接蒸發(fā)換熱器無(wú)需任何軟化水處理，同時(shí)可以通過(guò)特殊的自清潔功能，始終保持高效率運(yùn)行，在滿(mǎn)負(fù)載整體系統(tǒng)測(cè)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(guó)能源部評(píng)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(shū)》

　　美國(guó)Supernap數(shù)據(jù)中心

　　間接蒸發(fā)冷卻在美國(guó)案例眾多。但在歐洲卻并未成為主流，雖然也有部分項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，但近幾年來(lái)主流方式返回到風(fēng)冷式冷凍水方案，而非水冷。這種現(xiàn)象背后的原因復(fù)雜，據(jù)行業(yè)人士分析，除了業(yè)務(wù)模式以外，和歐洲對(duì)于水源和水質(zhì)的管理、用水成本、人工成本、維護(hù)成本、設(shè)備可靠性以及環(huán)境保護(hù)等眾多因素相關(guān)。

　　法國(guó)巴黎COLT數(shù)據(jù)中心

　　巴黎Colt數(shù)據(jù)中心位于法國(guó)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(gè)數(shù)據(jù)中心，每層機(jī)房面積約5000平方米，形成了上下2層共2個(gè)模塊機(jī)房。采用間接蒸發(fā)自然冷卻機(jī)組，每臺(tái)設(shè)備顯冷量為320kW，每層機(jī)房模塊配置6臺(tái)機(jī)組，采用5+1冗余配置。每臺(tái)設(shè)備均配置部分制冷量的DX輔助制冷單元。