水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

田振武,黃 翔,吳志湘,郭志成

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的發(fā)展,芯片等重要部件的耐熱程度有了很大的提升,數(shù)據(jù)中心機房環(huán)境溫度范圍有所變化,給自然冷卻技術(shù)帶來巨大的應(yīng)用空間。以往的數(shù)據(jù)中心設(shè)計中,由于設(shè)計方和使用方過分關(guān)注較低的送風(fēng)溫度,從而形成“小風(fēng)量、大溫差”的數(shù)據(jù)中心供冷模式。雖然在這種“小風(fēng)量、大溫差”的供冷方式中風(fēng)機能耗小,但易造成機房送風(fēng)溫度不均勻，局部熱點等問題[1]；而“大風(fēng)量、小溫差”的供冷方式有效避免了這些問題,并且拓展了自然冷卻的應(yīng)用范圍。

近年來，蒸發(fā)冷卻已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心和基站得到應(yīng)用[2],國內(nèi)一些早期建設(shè)的數(shù)據(jù)中心因運行能耗高,增加了蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的改造方案[3]。蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用可分為風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻[4]與水側(cè)蒸發(fā)冷卻[5]2種形式,以間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組為代表的風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻已經(jīng)在國內(nèi)外得到了有效應(yīng)用[6-7]。水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)包括利用冷卻塔和蒸發(fā)冷卻冷水機組等設(shè)備為機房空調(diào)末端提供冷水的供冷方式,隨著數(shù)據(jù)中心單位機柜發(fā)熱量的不斷上升,水側(cè)蒸發(fā)冷卻的載冷能力強、占地面積小、集中程度高等優(yōu)點越來越突出,在數(shù)據(jù)中心有很大的應(yīng)用潛力。

歐美學(xué)者[8-9]最先提出“Water-side Free Cooling”,用來降低空調(diào)水系統(tǒng)的運行能耗。文獻[10-11]對冷卻塔自然供冷傳熱傳質(zhì)過程的關(guān)鍵影響因素進行了理論研究；文獻[12-13]對系統(tǒng)中的冷卻塔、板式換熱器、末端換熱器等主要設(shè)備的匹配進行了優(yōu)化設(shè)計。在國內(nèi),謝愛霞等[14]對常規(guī)制冷系統(tǒng)和帶冷卻塔預(yù)冷制冷系統(tǒng)進行了火用比較分析,當水源溫度高于一定值時采用冷卻塔預(yù)冷,可提高火用利用效率；文獻[15-17]結(jié)合嚴寒地區(qū)數(shù)據(jù)中的冷卻塔供給空調(diào)系統(tǒng)與湖水冷卻技術(shù),分析了冷卻塔免費供冷在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計與應(yīng)用。李林達等[18]分析了一種數(shù)據(jù)中心用閉式冷卻塔+水冷磁懸浮冷水機組的設(shè)計方案及節(jié)能運行模式；郭志成等[19-20]針對數(shù)據(jù)中心用冷卻塔和蒸發(fā)冷卻冷水機組的實驗樣機進行測試分析。但現(xiàn)有文獻缺乏針對數(shù)據(jù)中心的相關(guān)研究。本文通過分析數(shù)據(jù)中心機房熱環(huán)境規(guī)范要求的變化趨勢與水側(cè)蒸發(fā)冷卻各換熱環(huán)節(jié)之間的關(guān)系,得出水側(cè)蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的適用性?？偨Y(jié)了開式冷卻塔、閉式冷卻塔、蒸發(fā)冷卻冷水機組3種典型水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)形式,探究水側(cè)蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力。

1 水側(cè)蒸發(fā)冷卻適用性

1.1 數(shù)據(jù)中心機房熱環(huán)境要求

原國家標準《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范：GB 50174—2008》[21]規(guī)定，A、B級機房熱濕環(huán)境要求主機房溫度(23±1)℃,相對濕度40%～55%,不得結(jié)露。新國家標準《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范：GB 50174—2017》[22]將機房熱濕環(huán)境要求改為：冷通道或機柜進風(fēng)區(qū)域的溫度18～27 ℃,露點溫度5.5～15 ℃,同時相對濕度≤60%;當IT設(shè)備對環(huán)境溫度和相對濕度要求放寬時,機房冷通道或進風(fēng)區(qū)域的溫度允許擴大到15～32 ℃。

國家標準《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范：GB 50174—93制定時,服務(wù)器還不能在較高的溫度下穩(wěn)定運行,經(jīng)過材料科學(xué)、制冷科學(xué)20余年的發(fā)展,IT 設(shè)備及機房空調(diào)系統(tǒng)性能有了很大的提升,實踐證明服務(wù)器可以在高達27 ℃進風(fēng)條件下安全穩(wěn)定運行。隨著新的國家標準《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范：GB 50174—2017》中溫度上限的進一步提高,數(shù)據(jù)中心的供冷方案將進入高送風(fēng)溫度控制時代[23]。水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以利用較小的輸入能耗產(chǎn)出合適的高溫冷水,在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域可發(fā)揮更好的作用。

1.2 供回水溫度

在集中式空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中,供回水溫度是一個關(guān)鍵指標。新國家標準出臺后,進風(fēng)區(qū)域溫度的提高意味著末端供回水溫度也可以適當提高。一方面在傳統(tǒng)壓縮式制冷系統(tǒng)中,冷水機組制冷效率可顯著提高;另一方面,水側(cè)蒸發(fā)冷卻也增加了適用范圍,數(shù)據(jù)中心高運行能耗的問題得到了緩解。近幾年來,新建數(shù)據(jù)中心的冷凍水供水溫度都有很大的提高,傳統(tǒng)供回水溫度7 ℃/12 ℃的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)退出歷史舞臺。GB 50174—2017規(guī)定機房冷凍水供水溫度為7～21 ℃,冷凍水回水溫度為12～27 ℃。很多互聯(lián)網(wǎng)云計算數(shù)據(jù)中心更側(cè)重高供水溫度的設(shè)計,一些大型數(shù)據(jù)中心在定制耐高溫服務(wù)器的前提下,冷凍水溫度已提高至15～18 ℃。

水側(cè)蒸發(fā)冷卻所產(chǎn)生的高溫冷水用于數(shù)據(jù)中心冷卻與相應(yīng)的空調(diào)末端形式匹配。根據(jù)布置位置的不同,機房空調(diào)末端形式可分為房間級、列間級和機架級。列間級或機架級的空調(diào)末端相對服務(wù)器距離較近,氣流輸送距離短、能耗低,且對冷凍水與回風(fēng)之間的換熱溫差敏感性低。因此,機架級或列間級的空調(diào)末端形式更適合水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。

1.3 水側(cè)蒸發(fā)冷卻出水溫度

水側(cè)蒸發(fā)冷卻出水溫度一方面以冷卻塔為主,其出水溫度高于環(huán)境濕球溫度,用逼近度表征冷卻塔出水溫度[24]。當室外濕球溫度降到低于系統(tǒng)要求的冷卻塔出口水溫5 ℃時, 即可將空調(diào)系統(tǒng)切換到直接自然供冷模式[25]；另一方面以蒸發(fā)冷卻冷水機組為主,其出水溫度在環(huán)境濕球與露點溫度之間的情況用冷幅深表征蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度[26],即可用室外環(huán)境濕球溫度判斷蒸發(fā)冷卻冷水機組的適用性。

目前主流空調(diào)廠家空調(diào)末端的送風(fēng)溫度與冷凍水供水溫度的差值為6～8 ℃,冷凍水供回水溫差一般為5 ℃左右。根據(jù)新的國家標準,數(shù)據(jù)中心冷通道進風(fēng)溫度設(shè)定為26 ℃,可得水側(cè)蒸發(fā)冷卻需要達到的冷水溫度為16～19 ℃,圖1為系統(tǒng)換熱溫度間的關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)換熱溫度間的關(guān)系

國內(nèi)民用建筑中已有很多利用蒸發(fā)冷卻冷水機組制取冷水的成功案例,而且多家企業(yè)正在對蒸發(fā)冷卻冷水機組的材料、結(jié)構(gòu)等方面進行改進,蒸發(fā)冷卻冷水機組的出水溫度還會向室外露點溫度逼近。根據(jù)文獻[26]關(guān)于蒸發(fā)冷卻冷水機組的測試結(jié)果,其冷幅深值較為穩(wěn)定,在2～3 ℃之間波動,即利用水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取低于環(huán)境濕球溫度2～3 ℃的冷水成為可能。根據(jù)室外空氣的濕球溫度預(yù)測水側(cè)蒸發(fā)冷卻的出水溫度，室外濕球溫度22 ℃,可完全用水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)為數(shù)據(jù)中心供冷水。

1.4 水側(cè)蒸發(fā)冷卻適用范圍

若按照舊標準中的溫度標準執(zhí)行,則室外濕球溫度19 ℃才可以完全用水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)來為數(shù)據(jù)中心供冷水。根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)程：GB 50019—2015[27]中室外氣象參數(shù)的統(tǒng)計,對全國濕球溫度在22 ℃以下的部分地區(qū)的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度進行分析,探討水側(cè)蒸發(fā)冷卻的適用范圍。

夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度19 ℃以下的地區(qū)僅有西藏、新疆、內(nèi)蒙古、青海等地區(qū)。而將濕球溫度從19 ℃提高至22 ℃的地區(qū)包括西藏、新疆、青海、云南、貴州、四川、甘肅、寧夏、陜西、山西、內(nèi)蒙古、黑龍江。除此之外,在非干燥地區(qū)可以利用水側(cè)蒸發(fā)冷卻與機械制冷結(jié)合的方式,在全年大部分時間開啟蒸發(fā)冷卻模式以節(jié)約系統(tǒng)運行費用。水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)為數(shù)據(jù)中心供冷的模式可以在數(shù)據(jù)中心得到很好的應(yīng)用。

2 應(yīng)用實例

2.1 開式冷卻塔

內(nèi)蒙古某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)使用開式冷卻塔作為自然冷卻方案,開式冷卻塔+冷水機組+板式換熱器空調(diào)系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 開式冷卻塔+冷水機組+板式換熱器空調(diào)系統(tǒng)流程圖

從圖2可以看出,水冷式冷水機組與板式換熱器串聯(lián)接入機房空調(diào)末端,開式冷卻塔在另一側(cè)與板式換熱器、水冷冷水機組串聯(lián)。冷卻系統(tǒng)有3種運行模式:冬季開啟冷卻塔免費供冷模式,關(guān)閉制冷壓縮機,利用冷卻塔通過板式換熱器向空調(diào)末端提供冷量;過渡季節(jié)開啟冷卻塔預(yù)冷模式:利用冷卻塔冷卻水供水，并通過板式換熱器對空調(diào)系統(tǒng)回水進行預(yù)冷處理,充分利用自然冷源,提高制冷主機的制冷效率；夏季常規(guī)制冷模式:利用冷水機組向空調(diào)末端提供冷量。

這種形式在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用較普遍,全年有部分時間處于冷卻塔免費供冷模式,而節(jié)能的多少取決于免費供冷模式在全年所占的時間比。假如供水溫度設(shè)計為18 ℃,考慮板換和冷水輸送管路溫升,則環(huán)境濕球溫度在11 ℃時,可完全使用冷卻塔免費供冷模式。以中國北方典型城市呼和浩特為例,全年濕球溫度小于11 ℃的小時數(shù)為6 254 h,全年71%的時間完全可以不開啟機械制冷模式,此時系統(tǒng)以水側(cè)蒸發(fā)冷卻為主、機械制冷為輔。

2.2 閉式冷卻塔

江蘇某數(shù)據(jù)中心空調(diào)工程中采用閉式冷卻塔+水冷冷水機組的設(shè)計方案如圖3所示。從圖3可以看出,系統(tǒng)由水冷冷水機組、閉式冷卻塔、水泵、閥門等設(shè)備組成,系統(tǒng)管道被各閥門控制,形成機械制冷模式、自然冷卻模式、混合預(yù)冷模式等3種不同的系統(tǒng)運行模式。

農(nóng)村土地確權(quán)的資料是明確土地權(quán)屬的參考文件，一定要保證這些資料的完整性以及準確性。現(xiàn)階段政府大力推行新城鎮(zhèn)化，地方政府需要重視農(nóng)村土地確權(quán)各類資料的采集以及保存，實現(xiàn)檔案的數(shù)字化[7]。這樣就可以借助現(xiàn)代化技術(shù)實現(xiàn)對農(nóng)村土地信息的保存，避免出現(xiàn)資源缺乏的狀況；可以補充部分缺失的資料，保證農(nóng)村土地權(quán)屬有完整的依據(jù)[8]。

圖3 閉式冷卻塔+冷水機組空調(diào)系統(tǒng)流程圖

閉式冷卻塔與開式冷卻塔相比,省略板式換熱器且冷卻盤管置于塔內(nèi),塔內(nèi)循環(huán)冷卻水直接噴淋至盤管表面,換熱效率較高。閉式冷卻塔冷卻介質(zhì)是蒸餾水,在使用過程中不會產(chǎn)生水垢,保證盤管內(nèi)部流體運行暢通。但是在我國北方閉式冷卻塔仍需考慮防凍問題。以南京為例,供水溫度設(shè)計為18 ℃,考慮冷水輸送管路溫升,則環(huán)境濕球溫度低于12 ℃時,可完全使用自然冷卻模式,該模式運行時間占全年運行時間的46.8%,系統(tǒng)在高濕度地區(qū)有節(jié)能潛力。

2.3 蒸發(fā)冷卻冷水機組

新疆某數(shù)據(jù)中心以蒸發(fā)冷卻冷水機組作為全年主導(dǎo)冷源,結(jié)合當?shù)貧庀髼l件以及數(shù)據(jù)中心設(shè)計要求,蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)流程圖

從圖4可以看出，蒸發(fā)冷卻冷水機組與機房末端通過板式換熱器間接連接,系統(tǒng)有3種運行模式。模式Ⅰ:極端天氣開啟風(fēng)側(cè)、水側(cè)復(fù)合蒸發(fā)冷卻模式,蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機房末端回水,此時機房為全新風(fēng)模式;模式Ⅱ:夏季或過渡季節(jié)開啟水側(cè)蒸發(fā)冷卻模式,蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機房末端回水,此時機房內(nèi)部為全回風(fēng)模式;模式Ⅲ:冬季開啟乙二醇自然冷卻模式,乙二醇自然冷卻段與機房末端通過乙二醇水溶液管道連接,機房內(nèi)部發(fā)熱量通過乙二醇溶液傳遞。

利用蒸發(fā)冷卻冷水機組為數(shù)據(jù)中心供冷是一種新型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)。與冷卻塔相比,蒸發(fā)冷卻冷水機組增加進風(fēng)預(yù)冷段,讓蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度達到亞濕球溫度,使水側(cè)蒸發(fā)冷卻在更廣泛區(qū)域的數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用。新疆某數(shù)據(jù)中心冷源設(shè)計出水溫度為16 ℃,用水側(cè)蒸發(fā)冷卻滿足夏季數(shù)據(jù)中心供冷需求,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心全年自然冷卻。

3 存在問題及其解決措施

3.1 技術(shù)經(jīng)濟分析

數(shù)據(jù)中心自然冷卻方式由于其多樣性,需要技術(shù)經(jīng)濟對比得出水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的節(jié)能性。數(shù)據(jù)中心全年運行能耗是節(jié)能的關(guān)鍵,水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在不同地區(qū)、不同氣候條件的應(yīng)用時間不一樣,因此需要可變工況的水側(cè)蒸發(fā)冷卻試驗臺,并通過模擬計算與實際能耗測試綜合分析水側(cè)蒸發(fā)冷卻的經(jīng)濟性。

3.2 控制系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻空調(diào)是氣象空調(diào),在全年運行過程中環(huán)境參數(shù)的變化對其制冷效果影響較大。在季節(jié)變化時,重點關(guān)注水側(cè)蒸發(fā)冷卻和機械制冷模式之間的切換;在全天運行過程中,重點關(guān)注蒸發(fā)冷卻設(shè)備開啟數(shù)量以及對單臺機組制冷量的控制。

3.3 液冷技術(shù)發(fā)展

數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)被譽為數(shù)據(jù)中心行業(yè)的革命性技術(shù)。在自然環(huán)境下水側(cè)蒸發(fā)冷卻完全可以滿足液冷的溫度要求,因此液冷的發(fā)展是水側(cè)蒸發(fā)冷卻的機遇。水側(cè)蒸發(fā)冷卻冷源設(shè)備如何與液冷末端配合,液冷技術(shù)的溫度上限值得討論。

3.4 耗水量

水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)以水為載冷劑,并且以水蒸發(fā)原理制冷,系統(tǒng)全年運行均離不開水的消耗,因此耗水量尤為重要。系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)針對不同地區(qū)的電力資源和水資源進行綜合分析,并將水側(cè)蒸發(fā)冷卻設(shè)備與傳統(tǒng)的水冷式設(shè)備作對比,選出合理的冷卻方式。

3.5 水質(zhì)處理

水側(cè)蒸發(fā)冷卻中的填料塔、高溫表冷器、顯熱末端、供回水管路等設(shè)備中都充滿水,水質(zhì)問題影響每個換熱環(huán)節(jié)的傳熱傳質(zhì)及能量輸送過程,同時也是影響換熱設(shè)備使用壽命及換熱效果的關(guān)鍵因素。目前,對于不同地區(qū)水質(zhì)調(diào)查、水質(zhì)處理方法等問題仍需研究。

4 結(jié) 語

耐高溫服務(wù)器材料以及新型空調(diào)末端方式的進步,促使數(shù)據(jù)中心機房進風(fēng)溫度上限提高,使冷凍水供水溫度提高至18～20 ℃,水側(cè)蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的適用性因此擴大,環(huán)境濕球溫度低于22 ℃即可完全使用水側(cè)蒸發(fā)冷卻為數(shù)據(jù)中心供冷。水側(cè)蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用時間是數(shù)據(jù)中心全年運行節(jié)能的關(guān)鍵,對空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計重點應(yīng)是全年有更多的時間允許自然冷卻模式運行,而極端天氣時用機械制冷輔助。水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)中,蒸發(fā)冷卻冷水機組制取冷水是全年利用自然冷卻時間最多的方式。