0 引言

近年來，我國對數據中心的需求不斷增加，數據中心能耗問題日益突出，大多數數據中心的PUE值偏高，與國際先進水平相比有較大差距。如何有效利用自然冷源，通過增加全年自然冷卻時間來降低能耗，是數據中心節(jié)能的主要方向[1]。蒸發(fā)冷卻技術利用空氣中的干空氣能達到制冷作用，有效降低了數據中心PUE及運營成本，在國內外數據中心項目中不斷被推廣應用。目前，由于風側蒸發(fā)冷卻空調設備安裝靈活且便于模塊化生產，其在大平層類數據中心的應用相對較為普遍[2-4]。而水側蒸發(fā)冷卻技術以水為冷量傳輸介質，相對較為節(jié)能，且便于系統(tǒng)冷量輸送，適用于大型、多層數據中心[5-6]。

一方面，隨著芯片技術的不斷發(fā)展，材料的耐溫程度顯著提高，數據中心進風區(qū)域溫度可高達18～27 ℃[7]；另一方面，數據中心冷卻系統(tǒng)需要更趨近于芯片級冷卻的末端來應對服務器密度不斷增大帶來的難題[8]。這些都擴大了蒸發(fā)冷卻技術在數據中心的應用空間。為了探究水側蒸發(fā)冷卻應用于數據中心的適用性，本文以實際工程測試數據為基礎，對數據中心水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的運行效果進行分析，得出水側蒸發(fā)冷卻技術在數據中心的適用性。

1 干燥地區(qū)數據中心水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用復合乙二醇自然冷卻的蒸發(fā)冷卻冷水機組作為全年主導冷源，且蒸發(fā)冷卻冷水機組采用內外冷復合間接蒸發(fā)冷卻技術，制取的冷水溫度能低于環(huán)境濕球溫度[9]。該系統(tǒng)首次應用于烏魯木齊某數據中心，蒸發(fā)冷卻新風機組作為全年備份冷源，系統(tǒng)針對干燥地區(qū)數據中心研發(fā)，全年采用蒸發(fā)冷卻空氣-水系統(tǒng)，實現去制冷機化。如圖1所示，在全年運行過程中，該系統(tǒng)有3種主要的運行模式。

注：A～F為水管閥門。圖1 數據中心機房用新型蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)

在過渡季節(jié)，系統(tǒng)開啟水側蒸發(fā)冷卻運行模式。蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的高溫冷水進入一次水系統(tǒng)，并通過板式換熱器將冷量輸送到二次水系統(tǒng)。二次水系統(tǒng)的冷水輸送到顯熱末端空調機組，用于冷卻機房內部回風。

在炎熱的夏季，系統(tǒng)開啟水側-風側復合蒸發(fā)冷卻運行模式。蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的高溫冷水通過板式換熱器將能量輸送到二次水系統(tǒng)，并最終將冷水送到蒸發(fā)冷卻新風機組的外冷式間接蒸發(fā)冷卻器內。此時，室外新風先經過外冷式間歇蒸發(fā)冷卻器等濕降溫，再經過直接蒸發(fā)冷卻器等比焓降溫后送入機房冷通道，吸收機柜散熱量并最終通過機房排風機排至室外。

在冬季，系統(tǒng)開啟乙二醇自然冷卻運行模式。水系統(tǒng)內部乙二醇溶液防止系統(tǒng)內部結冰，此時蒸發(fā)冷卻冷水機組的外冷式間接蒸發(fā)冷卻器相當于乙二醇干冷器。

1.2 間接段效率

間接蒸發(fā)冷卻亞濕球效率用式(1)計算[10-11]，其值反映間接蒸發(fā)冷卻使機組進風濕球溫度逼近機組進風露點溫度的程度，如圖2所示。

(1)

式中n為間接蒸發(fā)冷卻亞濕球效率；ts,o為機組進風濕球溫度，℃；ts,a為間接段后空氣濕球溫度，℃；tl,o為機組進風露點溫度，℃。

注：ha、ho分別為a、O狀態(tài)點的比焓。圖2 間接蒸發(fā)冷卻亞濕球效率示意圖

1.3 淋水填料段水側效率

淋水填料段水側效率m用式(2)計算，其值反映了淋水填料段使機組回水溫度逼近淋水填料段進風空氣濕球溫度的程度。

(2)

式中m為淋水填料段水側效率；tH為機組回水溫度，℃；tG為機組供水溫度，℃。

2 系統(tǒng)測試分析

2.1 測試概況

系統(tǒng)測點布置如圖3所示，各測點具體測試儀器及測試量如下。

圖3 系統(tǒng)測點分布

測點1：測量室外環(huán)境大氣壓、溫濕度。大氣壓力采用多功能測量儀(testo480)測量，壓力測量范圍70～110 kPa；溫度、相對濕度采用溫濕度記錄儀(testo/174H)測量，溫度測量范圍-20～70 ℃，相對濕度測量范圍0～100%。

測點2：測量間接蒸發(fā)冷卻冷水機組間接段后空氣溫濕度、風速。溫度、相對濕度采用溫濕度記錄儀(testo/174H)測量，溫度測量范圍-20～70 ℃，相對濕度測量范圍0～100%；風速采用葉輪風速測量儀(testo410-1)測量，測量范圍0.4～20.0 m/s。

測點3：測量間接蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度。出水溫度采用水溫電子傳感器測量，測量范圍-50～110 ℃。

測點4～7：測量板式換熱器一次、二次水系統(tǒng)供回水溫度。水溫采用水溫電子傳感器測量，測量范圍-50～110 ℃。

2.2 冷水機組性能測試

系統(tǒng)采用間接蒸發(fā)冷卻冷水機組作為冷源，其出水溫度能否滿足設計要求是判斷系統(tǒng)能否適用于數據中心冷卻系統(tǒng)的關鍵。而間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的2個主要功能段——間接段和淋水填料段的性能將影響機組出水溫度。其中，間接段的作用是降低環(huán)境空氣濕球溫度，而淋水填料段是空氣與水熱濕交換的場所。為探索環(huán)境空氣參數對間接蒸發(fā)冷卻冷水機組性能的影響，本文對間接段和淋水填料段分別進行測試。根據環(huán)境空氣干濕球溫度的不同將測試工況分為5種。

2.2.1間接段性能測試

圖4顯示了間接段后濕球溫度隨環(huán)境空氣干球溫度、濕球溫度、露點溫度的變化。從圖4可以看出，間接段后空氣濕球溫度變化與環(huán)境空氣濕球溫度的變化趨于一致，各工況間接段前后濕球溫度差的變化范圍穩(wěn)定在±0.5 ℃，表明間接段后濕球溫度可以通過環(huán)境濕球溫度預測。由式(1)計算5種工況的亞濕球效率，結果顯示，在不同工況下，亞濕球效率有所不同，而在相同工況時，間接段亞濕球效率變化值穩(wěn)定在±5%之間。

圖4 不同工況下間接段前后空氣溫度變化

2.2.2淋水填料段性能測試

圖5顯示了淋水填料段后空氣干濕球溫度及間接蒸發(fā)冷卻冷水機組供回水溫度的變化。從圖5可以看出，相對于間接段，空氣干球溫度、露點溫度，空氣濕球溫度變化對淋水填料段出水溫度的影響較大，各工況中機組出水溫度與淋水填料段后空氣濕球溫度之差較為穩(wěn)定，均在±0.5 ℃之間，這表明淋水填料段后空氣濕球溫度是影響機組出水溫度的關鍵因素。通過式(2)計算得淋水填料段水側效率變化值均穩(wěn)定在±5%之間。

2.2.3氣象條件對機組性能的影響

表1～3給出了5種工況下實測得到的機組性能，分別為各工況下環(huán)境空氣參數實測平均值、間接段后空氣參數實測值及機組性能參數實測值。從表3可以看出，對于工況2～5，間接蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度均低于環(huán)境濕球溫度，達到亞濕球溫度的水平，而工況1由于間接段亞濕球效率過低，出水溫度略高于環(huán)境濕球溫度。從表1～3可以看出，工況1～5環(huán)境空氣濕球溫度平均值逐漸增大，對應間接段亞濕球效率也逐漸升高，而淋水填料段水側效率維持在60%左右。由此表明，室外環(huán)境影響間接蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度的過程主要是體現在間接段降低環(huán)境空氣濕球溫度性能上。

圖5 不同工況下淋水填料段空氣與水溫度變化

表1 環(huán)境空氣參數實測平均值

表2 間接段后空氣參數實測值

表3 機組性能參數實測值

2.3 系統(tǒng)性能測試

2.3.1夏季運行測試

我國西北地區(qū)夏季晝夜溫差較大，在夏季全天運行中蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)性能是否穩(wěn)定，特別是在數據中心領域能否保證冷卻系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作，是系統(tǒng)連續(xù)運行中值得關注的問題。

圖6顯示了2018年8月10日間接蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度隨環(huán)境參數的變化，從圖中可以看出：環(huán)境干球溫度的變化范圍為24.0～33.1 ℃；環(huán)境濕球溫度的變化范圍為15.5～19.3 ℃；機組出水溫度范圍為13.1～16.9 ℃。由此可以得出，盡管全天環(huán)境參數變化范圍較大，蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度波動幅度依然能穩(wěn)定在±2 ℃以內。相對來說，白天環(huán)境空氣干空氣能品質較好，機組出水溫度會低于環(huán)境濕球溫度；夜晚環(huán)境空氣干空氣能品質較差，出水溫度可能會高于環(huán)境濕球溫度。

圖6 間接蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度隨環(huán)境參數的變化

圖7顯示了2018年8月10日蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)運行參數的變化，從圖中可以看出,二次水系統(tǒng)進出水溫度與一次水系統(tǒng)進出水溫度的變化規(guī)律一致，一次水系統(tǒng)進出水平均溫差為5.9 ℃，二次水系統(tǒng)進出水平均溫差為5.5 ℃，換熱溫差(即一次水進水溫度與二次水出水溫度之差)平均值為1.3 ℃。由此可見，晝夜間環(huán)境參數的變化對水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的出水溫度穩(wěn)定性影響不大。

圖7 蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)運行參數變化

2.3.2冬季運行測試

乙二醇自然冷卻運行模式中，乙二醇干冷器與機房末端空調直接連接，水系統(tǒng)中只有乙二醇溶液。筆者以機房末端空調設計進水溫度16 ℃為基準，對3月28日和3月29日的測試數據進行了統(tǒng)計。如圖8所示，室外環(huán)境干球溫度在5 ℃以下時，乙二醇干冷器可以保證16 ℃以下的出水溫度。

圖8 乙二醇自然冷卻系統(tǒng)運行參數

3 系統(tǒng)適用性分析

3.1 運行模式切換條件

水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)在數據中心全年運行有3種主要模式，如表4所示。不同運行模式對自然冷卻的利用程度不同，在運行能耗上有很大差異。因此，根據實際測試數據，以系統(tǒng)供水溫度16 ℃為標準，總結出水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的主要運行模式切換條件，并在焓濕圖上分3個區(qū)域A、B、C對應3種主要運行模式的適用條件，結果如圖9所示。

表4 系統(tǒng)運行模式切換條件

圖9 數據中心水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)主要運行模式焓濕圖

3.2 系統(tǒng)運行能耗

表5給出了新疆某數據中心水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)全年運行過程中主要耗能設備的參數，根據室外環(huán)境參數的不同，系統(tǒng)在不同季節(jié)里有著不同的運行能耗，主要體現在蒸發(fā)冷卻冷水機組設備功率的變化。就蒸發(fā)冷卻冷水機組COP而言，冬季測試工況下機組COP可達28.8，春夏秋季測試工況下機組COP為12.1，優(yōu)于數據中心常用高效冷水機組[12]。不同運行模式下水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的運行策略和能效比對比如表6所示，可以看出，系統(tǒng)在冬季運行乙二醇自然冷卻能效比為14.8，即使系統(tǒng)在夏季運行能效比也可達7.3。其中，蒸發(fā)冷卻冷水機組十二用四備；一次、二次水泵并聯(lián)運行，一次水系統(tǒng)循環(huán)泵兩用一備，二次水系統(tǒng)循環(huán)泵兩用一備；二次水系統(tǒng)冷卻介質為45%的乙二醇溶液。

表5 數據中心水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)主要設備參數

表6 不同運行模式下系統(tǒng)運行策略和能效比

3.3 系統(tǒng)不同地區(qū)的適用性

在機房環(huán)境溫濕度允許的情況下，系統(tǒng)供水溫度越高，蒸發(fā)冷卻冷水機組作為高溫冷源的適用性越強。研究表明，水側蒸發(fā)冷卻供水溫度在16～19 ℃可以滿足數據中心的供冷要求[6]。筆者利用相關氣象數據集，分別對系統(tǒng)3種運行模式的適用小時數進行了統(tǒng)計[13]。如圖10所示，系統(tǒng)供水溫度每升高1 ℃，全年平均增加10 d的自然冷卻運行時間。圖11顯示了各地區(qū)水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)在供水溫度變化時系統(tǒng)能效的變化，以北京為例，當系統(tǒng)供水溫度從16 ℃提升至19 ℃時，冷源系統(tǒng)設計運行能效比增大9.12%。

圖10 數據中心水側蒸發(fā)冷卻不同供水溫度下3種運行模式的時間分布

圖11 數據中心水側蒸發(fā)冷卻不同供水溫度下冷源系統(tǒng)能效比

4 結論

1) 蒸發(fā)冷卻冷水機組間接段后濕球溫度是影響機組出水溫度的關鍵因素，間接段亞濕球效率反映間接段降低環(huán)境空氣濕球溫度的能力，在5種實測工況下間接段亞濕球效率在26%～54%之間，淋水填料段水側效率為60%左右。

2) 蒸發(fā)冷卻冷水機組冬季測試工況運行COP為28.8，春夏秋季測試工況運行COP為12.1。水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)冷源系統(tǒng)測試能效比冬季為14.8，春夏秋季為7.3。

3) 夏季典型日全天測試結果顯示，機組出水溫度在13.1～16.9 ℃之間，水側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)供水溫度每提升1 ℃，全年平均增加10 d的自然冷卻時間，系統(tǒng)供水溫度從16 ℃提升至19 ℃時，冷源系統(tǒng)設計運行能效比增大9.12%。