數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻潛力評價計算新方法

褚俊杰 ，徐 偉，黃 翔，呂偉華

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑環(huán)境與能源研究院，北京 100013；2.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

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求的爆發(fā)式增長，信息技術(shù)驅(qū)動智能終端、VR、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和5G等領(lǐng)域快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”向各產(chǎn)業(yè)加速滲透，帶動了數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲規(guī)模、計算能力以及網(wǎng)絡(luò)流量的大幅增加[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2018年全國數(shù)據(jù)中心總用電量為1 608.89億kW·h，比上海市2018年全社會用電量(1 567億kW·h)還要多，相當(dāng)于中國三峽大壩的全年發(fā)電量[2]。因此，數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)成為近年來研究的熱點[3]。蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種利用水分蒸發(fā)制取冷量的高效自然冷卻技術(shù)，在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中利用間接蒸發(fā)自然冷卻方案，會顯著提高空調(diào)設(shè)備的換熱效率，延長自然冷源的利用時間[4]。黃翔團(tuán)隊先后提出了利用間接蒸發(fā)冷卻器預(yù)冷進(jìn)風(fēng)的間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組，在我國西北地區(qū)的數(shù)據(jù)中心冷卻工程應(yīng)用中，實現(xiàn)了該數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)全年100%的自然冷卻，該系統(tǒng)運行安全可靠、節(jié)能節(jié)水，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。美國國家可再生能源實驗室在美國科羅拉多州的國家冰雪數(shù)據(jù)中心采用了結(jié)合露點間接蒸發(fā)冷卻換熱器的直接空氣側(cè)自然冷卻系統(tǒng)。結(jié)果顯示，此系統(tǒng)在夏天冷卻系統(tǒng)能量消耗降低75%，在冬天能夠降低能耗90%[8-9]。BI等提出將新型回?zé)崾铰饵c間接蒸發(fā)冷卻器應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中，通過使用新型的露點冷卻系統(tǒng),數(shù)據(jù)中心的電能利用效率在1.10～1.22之間[10]。賀紅霞[11]、褚俊杰[12]等針對露點間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)行了理論與實驗分析，先后提出了適用于干燥氣候條件下的數(shù)據(jù)中心用露點間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷復(fù)合空調(diào)。除了蒸發(fā)冷卻設(shè)備實驗與應(yīng)用分析，一些學(xué)者也對數(shù)據(jù)中心自然冷卻時間進(jìn)行了探討，王澤青等通過空間插值的方法，得到全國各地區(qū)2種自然冷卻方式的全年自然冷卻時間分布圖[13]；田振武等對水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心全年運行時間進(jìn)行了探討[14]。

以上文獻(xiàn)均以數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的實驗測試與工程實踐為主，且現(xiàn)有蒸發(fā)冷卻空調(diào)氣候適用性評價的方法僅適用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域[15-16]，無法直接應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)自然冷卻潛力的評價中。為此，本文基于現(xiàn)有的蒸發(fā)冷卻空調(diào)氣候適用性評價與自然冷卻潛力評價方法，提出一種新的數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻潛力評價計算方法，為評價數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻潛力計算提供了新的思路與途徑。

1 現(xiàn)有計算與評價方法

對于如何表征不同地區(qū)蒸發(fā)冷卻空調(diào)適用性與自然冷卻潛力的評價指標(biāo)與評價計算方法，相關(guān)研究學(xué)者對此問題提出不同的解決方案。

1.1 室外空氣干濕球溫差法

狄育慧等[15]利用某一地區(qū)夏季室外空調(diào)計算干球溫度與濕球溫度之差，來表征其應(yīng)用蒸發(fā)冷卻空調(diào)的驅(qū)動勢(ΔT),即

ΔT=Tdb-Twb

(1)

式中：Tdb為環(huán)境干球溫度，℃；Twb為環(huán)境濕球溫度，℃。

例如，烏魯木齊地區(qū)夏季室外空調(diào)計算干球溫度33.4 ℃，濕球溫度18.3 ℃，其干濕球溫差為15.1 ℃。廣州地區(qū)夏季室外空調(diào)計算干球溫度34.2 ℃，濕球溫度27.8 ℃，其干濕球溫差為6.4 ℃。烏魯木齊地區(qū)的干濕球溫差遠(yuǎn)比廣州的干濕球溫差大得多，也更適用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)。在此基礎(chǔ)上，分別將夏季室外空調(diào)計算的濕球溫度20、23、28 ℃作為表征蒸發(fā)冷卻空調(diào)適應(yīng)性的指標(biāo)限值,如表1所示。

表 1 蒸發(fā)冷卻氣候區(qū)域劃分Tab.1 Evaporative cooling climate region division

1.2 干空氣能表征法

謝曉云等結(jié)合空氣化學(xué)火用計算公式，提出空氣的干空氣能的計算表達(dá)式，用來表征空氣干燥程度以及能源品位的高低[16],即

(2)

式中：ed,o為干空氣能，kJ/kg;t0為環(huán)境溫度，℃；w為含濕量，kg/kg；Rair為干空氣氣體常數(shù)，取為287 J/(kg·℃)；w0為標(biāo)準(zhǔn)工況下空氣飽和含濕量，kg/kg。最終以夏季室外空調(diào)計算溫度得出空氣的干空氣能表達(dá)式，同時確定以干空氣能=10 kJ/kg為我國干空氣能的表達(dá)值,得到適宜蒸發(fā)冷卻空調(diào)應(yīng)用的區(qū)域劃分。

但應(yīng)當(dāng)指出的是，上述2種來表征某一地區(qū)的夏季蒸發(fā)冷卻空調(diào)的適用性的方法都是基于夏季室外空氣溫度。即先有一個基準(zhǔn)空氣參數(shù)值，再計算得到空氣溫度差值或者能量差值的指標(biāo)值。指標(biāo)值也是空氣自身溫濕度、能量與基準(zhǔn)值的差值。

1.3 定義數(shù)據(jù)中心排熱驅(qū)動溫差

羅銘等分析了數(shù)據(jù)中心空調(diào)的特點，定義了數(shù)據(jù)中心排熱驅(qū)動溫差[17]，即

Δt=RQ

(3)

式中：Δt為冷卻系統(tǒng)需要的換熱溫差，℃；R為排熱系統(tǒng)等效熱阻；Q為數(shù)據(jù)中心要求排熱量，kJ；將ΔT設(shè)為芯片溫度與冷源溫度差值，℃。當(dāng)ΔT>Δt時，可以用室外冷源排熱；當(dāng)ΔT<Δt時，輔助機(jī)械制冷，補(bǔ)充溫差。此方法僅能對數(shù)據(jù)中心排熱過程實質(zhì)進(jìn)行定性說明，無法進(jìn)行定量計算。

1.4 自然冷卻度時數(shù)法

GHIAUS等提出自然冷卻度時數(shù)法，該方法反映了自然通風(fēng)的應(yīng)用潛力，溫差越大，度時數(shù)DH越大[18]，即

(4)

式中：troom為室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；ta,i為室外逐時溫度，℃；Cs為供冷開始時間；Ce為供冷結(jié)束時間；但自然冷卻度時數(shù)無法反映不同自然冷源形式的應(yīng)用潛力。

1.5 修正度時數(shù)法

LYU等基于文獻(xiàn)[18]提出一種修正度時數(shù)DHRC的表示方法[19]，增加能效的篩選，進(jìn)一步界定自然冷卻小時數(shù)時間。供冷時

(5)

式中：tbase,i為第i時刻自然能源利用基準(zhǔn)溫度；tn,i為第i時刻采集到的自然能源溫度；ηn,i為自然能源系統(tǒng)的能量利用系數(shù)；COPn為自然冷源能效因子；COPm為機(jī)械冷源能效因子。

這種修正度時數(shù)的計算方法，加入了能效因子COP，即在室內(nèi)外存在溫差(室外低于室內(nèi))的前提下，再考慮能效的比值。如果自然冷卻的能效低于機(jī)械制冷能效，此時計入自然冷卻時間，否則即為0，應(yīng)該舍去。

2 冷卻潛力計算新方法

應(yīng)當(dāng)指出的是，現(xiàn)有的關(guān)于蒸發(fā)冷卻空調(diào)適應(yīng)性的評價方法都著眼于民用建筑的蒸發(fā)冷卻空調(diào)。方法本身并不適用于數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻空調(diào)的評價。自然冷卻度小時數(shù)的方法著眼于民用建筑的自然冷卻與機(jī)械制冷的系統(tǒng)選擇，與數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)有著較大的區(qū)別。首先數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)考慮全年供冷需求，而民用建筑僅用于供冷季時間段。其次，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)考慮環(huán)境空氣與數(shù)據(jù)中心自身排熱的關(guān)系，幾乎不考慮新風(fēng)的進(jìn)入，著眼于環(huán)境空氣與數(shù)據(jù)中心回風(fēng)的溫差關(guān)系。數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)需要全年開啟，沒有一個準(zhǔn)確的室外溫度數(shù)值來代表全年各個小時的溫度參數(shù)。因此使用小時數(shù)來表征數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中自然冷卻的使用時間成為廣泛接受的評價指標(biāo)。

2.1 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻

典型的數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)在全年工作過程中，有3種工作模式，分別為干模式(換熱器空氣/空氣換熱)、濕模式(風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻)、混合模式(風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻+機(jī)械制冷)。根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)全年的動態(tài)變化，3種工作模式依次動態(tài)切換，為數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境提供保障。

(a)干模式

(b)濕模式

(c)混合模式圖 1 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)[1]Fig.1 Wind side indirect evaporative free cooling system[1]

干模式下，數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻風(fēng)側(cè)冷卻效率(ξ,%)計算公式為

(6)

式中:tRA,db,in為數(shù)據(jù)中心中回風(fēng)的干球溫度，℃；tRA,db,out為冷卻器產(chǎn)出空氣即送風(fēng)的干球溫度，℃；tOA,db,in為環(huán)境空氣即冷卻器干模式下進(jìn)風(fēng)的干球溫度，℃。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20-21]規(guī)定數(shù)值，間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備干模式下?lián)Q熱效率值為55%。

濕模式下，數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻風(fēng)側(cè)冷卻效率(ξ)計算公式為

(7)

式中：tOA,wb,in為環(huán)境空氣即冷卻器濕通道進(jìn)風(fēng)的濕球溫度，℃。當(dāng)數(shù)據(jù)中心回風(fēng)和送風(fēng)基本維持不變時，環(huán)境溫度越低，計算效率越低；反之，環(huán)境溫度越高，計算效率越高。如果高過基準(zhǔn)值，則無法得到要求的送風(fēng)溫度，換熱將無法進(jìn)行。按照標(biāo)準(zhǔn)[20-22]規(guī)定數(shù)值，濕模式下間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備換熱效率值為70%。

基于間接蒸發(fā)自然冷卻最大制冷量與數(shù)據(jù)中心散熱量相等，采用式(8)計算得到效率基準(zhǔn)值ξbase：

(8)

以此作為判斷依據(jù)，得到表征數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻潛力計算方法公式。

干模式下：

(9)

式中：Hdry為數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻干模式小時數(shù)統(tǒng)計；tL為送風(fēng)溫度限定值；n為全年小時數(shù)，8 760 h。若式(9)計算結(jié)果為正，則此時刻認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻小時數(shù)；若計算結(jié)果為0，此時刻應(yīng)舍去。

濕模式下：

(10)

式中：Hwet為數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻濕模式小時數(shù)。

數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻小時數(shù)統(tǒng)計值計算公式為

Hair=Hdry+Hwet

(11)

選擇全國31個主要中心城市，采用上述方法，利用相關(guān)氣象數(shù)據(jù)集[22]，分別統(tǒng)計風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運行時間，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯猴L(fēng)側(cè)系統(tǒng)干工況模式運行時間最短的是海口市，全年僅為2 317 h。濕工況模式運行最長的城市是南寧，全年有3 037 h間接蒸發(fā)冷卻工作模式。濕工況模式運行最短的城市是拉薩，全年僅136 h間接蒸發(fā)冷卻工作模式。風(fēng)側(cè)系統(tǒng)中間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合工作的混合模式運行時間最長的是?？冢曛杏? 475 h需開啟機(jī)械制冷系統(tǒng)。值得一提的是，烏魯木齊和蘭州全年空調(diào)系統(tǒng)開啟機(jī)械制冷的時間僅為6 h和2 h，西寧、拉薩和昆明，全年甚至不需要開啟機(jī)械冷源。在這些城市，使用風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)，可以保障數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境。

圖 2 風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻小時數(shù)Fig.2 Free cooling hours of indirect evaporation at the wind side

2.2 水側(cè)間接蒸發(fā)冷卻

數(shù)據(jù)中心水側(cè)間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意，如圖3所示。

(a)干模式

(b)濕模式

(c)串聯(lián)混合模式

(d)并聯(lián)混合模式圖 3 水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng) [1]Fig.3 Water side indirect evaporative free cooling system

水側(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備是間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組。當(dāng)室外環(huán)境干球溫度較低時，為水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)的干運行模式，如圖3(a)所示。此時空調(diào)系統(tǒng)通過表冷器內(nèi)的防凍冷卻介質(zhì)，例如乙二醇(CH2OH)2與室外溫度較低的空氣換熱，為數(shù)據(jù)中心排熱。當(dāng)室外環(huán)境溫度升高，利用間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的冷水通過板式換熱器為數(shù)據(jù)中心排熱，如圖3(b)所示。當(dāng)室外環(huán)境溫度繼續(xù)升高，此時通過間接蒸發(fā)冷卻模式也仍然無法進(jìn)行有效排熱時，開啟機(jī)械制冷冷水機(jī)組，運行間接蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷混合運行模式。間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組與機(jī)械冷機(jī)的混合運行模式有2種，一種是串聯(lián)混合，如圖3(c)；一種是并聯(lián)混合，如圖3(d)所示。機(jī)械制冷冷水機(jī)組產(chǎn)生的冷水全部或部分提供給數(shù)據(jù)中心的空調(diào)末端，而間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組用以排出機(jī)械制冷冷水機(jī)組的熱量。間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組制取的冷水溫度要低于普通冷卻塔的出水溫度，從而提高整個空調(diào)系統(tǒng)的能效。

干模式下，數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻水側(cè)出水冷卻效率(Γ)計算公式為

(12)

式中：tRW,in為機(jī)組在數(shù)據(jù)中心空調(diào)末端的回水溫度，℃；tRW,out為機(jī)組出水溫度，℃。干模式下，機(jī)組出水(防凍介質(zhì))溫度的極限是環(huán)境空氣干球溫度。按照標(biāo)準(zhǔn)[20-21]規(guī)定數(shù)值，干模式下?lián)Q熱效率值為55%。

濕模式下，數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻水側(cè)出水冷卻效率(Γ)計算公式為

(13)

式中：tOA,dp,in為濕模式下環(huán)境空氣露點溫度，℃。濕模式下，機(jī)組出水溫度的極限是環(huán)境空氣的露點溫度。按照標(biāo)準(zhǔn)[20-21]規(guī)定數(shù)值，以環(huán)境空氣露點溫度為基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)工況(進(jìn)風(fēng)干球溫度33.5 ℃、濕球溫度18.2 ℃、露點溫度8.3 ℃)下，間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組水側(cè)效率標(biāo)準(zhǔn)型(供回水溫差5 ℃)為40%，大溫差型(供回水溫差10 ℃)為58.1%。

干模式下，數(shù)據(jù)中心水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻小時數(shù)為

(14)

間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組的極限出水溫度為環(huán)境空氣的露點溫度[23]。

濕模式下，數(shù)據(jù)中心水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻小時數(shù)為

(15)

全年自然冷卻總小時數(shù)為

Hwater=Hdry+Hwet

(16)

選擇31個全國主要中心城市，采用上述方法，利用相關(guān)氣象數(shù)據(jù)集[22]，分別統(tǒng)計水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)全年運行時間，結(jié)果如圖4所示。

圖 4 水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻小時數(shù)Fig.4 Free cooling hours of water side indirect evaporation

可以看出：水側(cè)系統(tǒng)中，間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組與機(jī)械制冷冷水機(jī)組聯(lián)合工作的混合模式運行時間最長的城市是?？冢曛斜仨氂? 057 h開啟機(jī)械冷源系統(tǒng)。西寧和烏魯木齊全年系統(tǒng)開啟機(jī)械制冷的時間僅為22 h和43 h，拉薩全年水側(cè)系統(tǒng)不需要開啟機(jī)械冷源。在這些地區(qū)，使用水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)，可以保障數(shù)據(jù)中心的熱環(huán)境要求。通過分析這些城市的空調(diào)系統(tǒng)全年運行時間發(fā)現(xiàn)，水側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)更適合用在中國北方地區(qū)。即水側(cè)系統(tǒng)的空氣/防凍冷卻介質(zhì)的干式換熱模式，可以很好地解決冬季水側(cè)系統(tǒng)結(jié)冰無法使用的難題。而在夏季間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組可以產(chǎn)出低于環(huán)境空氣濕球溫度的冷水，相比于傳統(tǒng)冷卻塔，顯著擴(kuò)展了蒸發(fā)冷卻冷水設(shè)備的應(yīng)用范圍和時間。

3 結(jié) 論

1) 現(xiàn)有的計算方法僅考慮了環(huán)境空氣的氣候條件，或者數(shù)據(jù)中心空調(diào)的自身特點，無法直接應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻潛力評價計算中。

2) 在環(huán)境空氣溫度與數(shù)據(jù)中心回風(fēng)(回水)溫度存在溫差的小時數(shù)基礎(chǔ)上，提出了增加間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備換熱效率判定限值，以及數(shù)據(jù)中心送風(fēng)溫度限值，來篩選數(shù)據(jù)中心全年自然冷卻小時數(shù)的方法。明確指出，數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻潛力的大小與環(huán)境空氣氣象參數(shù)、間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備換熱效率、數(shù)據(jù)中心要求送風(fēng)溫度限值等因素有關(guān)。