對于一個PUE=1.5的數(shù)據(jù)中心,基礎設施的耗能主要來自電力設備自身的耗能和制冷系統(tǒng)的耗能,另外還有照明+其他輔助設施(加濕、新風、智能化等)的耗能,這三部分耗能的占比見圖1?？梢娀A設施的耗能中,機械制冷系統(tǒng)的耗能占到總耗能的23%。近三年來數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)冷卻、熱管和液冷技術以及產品上有了創(chuàng)新和突破,在進一步提高制冷系統(tǒng)的能效和節(jié)能上收到了較好的效果,在數(shù)據(jù)中心逐步被采用和推廣。蒸發(fā)冷、熱管和液冷在降低能耗上的優(yōu)越性也將成為今后數(shù)年數(shù)據(jù)中心降低制冷系統(tǒng)能耗發(fā)展趨勢。

　　一、蒸發(fā)冷卻節(jié)能技術在數(shù)據(jù)中心中應用與前景

　　蒸發(fā)制冷主要利用水分子蒸發(fā)相態(tài)產生變化時吸熱的特性達到制冷效果,在濕球溫度較低、空氣干燥工況下可達到較好的制冷效果,見示意圖2。蒸發(fā)冷卻是將潛熱轉變?yōu)轱@熱。將未飽和空氣暴露在自由的、溫度較低的水表面中,并且水和空氣融合,可以冷卻未飽和空氣。一部分空氣顯熱轉移到水中,并通過一部分的水的蒸發(fā)變?yōu)闈摕帷?/p>

　　空氣干燥、濕球溫差稱為濕球溫降,空氣越干,這個溫差越大,利用這個蒸發(fā)冷卻后的溫降,可以充分降低室外空氣的溫度,然后利用其冷卻數(shù)據(jù)中心內部的熱空氣,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的制冷。

　　1.1 蒸發(fā)冷卻技術的分類與原理

　　蒸發(fā)冷卻技術主要分為四種形式:

　　1）直接蒸發(fā)冷卻:是指空氣與水大面積的直接接觸,由于水的蒸發(fā)使空氣和水的溫度都降低,此過程中空氣的含濕量有所增加,空氣的顯熱轉化為潛熱,這是一個絕熱降溫加濕過程。被冷卻空氣與蒸發(fā)水分直接接觸,可通過噴淋室、濕膜加濕、噴霧加濕等形式來降低環(huán)境的溫度,直接蒸發(fā)冷卻原理見圖3。

　　2）間接蒸發(fā)冷卻:是把直接蒸發(fā)冷卻過程中降溫后的空氣和水通過非接觸式換熱器冷卻待處理的空氣,可通過表冷器換熱、間接蒸發(fā)盤管換熱等形式來降低環(huán)境的溫度,得到溫度降低而含濕量不變的送風空氣,此過程為等濕冷卻過程。間接蒸發(fā)冷卻裝置原理圖4。

　　3）間接+直接蒸發(fā)冷卻:根據(jù)送風含濕量的要求,在間接蒸發(fā)冷卻模塊后增加直接蒸發(fā)冷卻模塊,新風被降溫、并被適當加濕,調節(jié)送風的濕度。間接+直接蒸發(fā)冷卻原理見圖5。

　　4）蒸發(fā)冷卻+機械制冷:雖然在自然蒸發(fā)冷卻的過程中所消耗的能量較少,主要是風機和水泵耗能,與目前主流的機械制冷的空調相比在節(jié)能和經濟性上更有優(yōu)勢。但是直接和間接蒸發(fā)冷卻無法滿足全年所有工況可以提供數(shù)據(jù)中心需要的制冷要求,因為在室外溫度(夏季)上升時,換熱器的換熱效率下降,不能滿足機房送風溫度要求時,必須增加機械制冷系統(tǒng)的補充。間接蒸發(fā)冷卻+機械制冷原理圖見圖6。

　　1.2 間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用

　　間接蒸發(fā)冷卻設備按熱交換器形式不同大致可分為板式、管式、板管式等形式。無論哪種換熱器都具有兩個互不聯(lián)通的空氣管道,借助兩個通道的間壁,使空氣得到冷卻。

　　1）管式換熱器

　　數(shù)據(jù)中心內熱空氣從側面進入換熱器,延管道被冷卻后再次送入數(shù)據(jù)中心。室外側干冷空氣從底部進入換熱器,在管道外側蒸發(fā)冷卻降溫后再冷卻管內的熱空氣,然后從上部排出。管式換熱器換熱過程見圖7。

　　2）板式換熱器

　　板式間接蒸發(fā)冷卻設備由一組金屬板或復合材料組成。板式間接蒸發(fā)冷卻其中的二次空氣來自于室外新風,一二次空氣的比例對板式間接蒸發(fā)冷卻效率影響較大,兩側空氣在熱交換器表面上進行熱交換。見圖8。

　　3）板管式間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)

　　蒸發(fā)冷卻式結構上將冷凝器和冷卻塔合二為一,省略冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞階段;充分利用水的蒸發(fā)潛熱冷卻工藝流體,用水量為水冷式冷凝器的45～50%。該系統(tǒng)運行和冷卻完全使用數(shù)據(jù)中心室內回風,省去了間接蒸發(fā)冷卻器的空氣過濾器,而是額外設置旁通過濾機組,這與所有的機組都裝過濾器相比,減少了過濾器的投入、維護費用及風機功率,也減少了室外空氣污染物影響IT設備的風險。同時,為了給人員提供新風或維持室內正壓,根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,裝配設有加濕和除濕功能的新風機組,以此來提供通風和濕度控制。

　　4）其他相關技術研究

　　上述間接蒸發(fā)冷卻空調機組載冷介質皆為空氣,目前大型數(shù)據(jù)中心普遍采用冷凍水系統(tǒng),故將間接蒸發(fā)冷卻技術融合進冷凍水系統(tǒng)成為研究方向。市面上可見的蒸發(fā)冷卻冷水機組主要有兩種:**種將蒸發(fā)冷卻技術應用于機械式冷水機組的冷凝器部分,嚴格來說只是蒸發(fā)式冷凝器的應用,通過高換熱系數(shù)的蒸發(fā)式冷凝器獲得較低的系統(tǒng)冷凝溫度從而提高機組能效;第二種即利用蒸發(fā)冷卻過程直接出冷水,是一種純粹的蒸發(fā)冷卻冷水機組,是完全的自然冷卻。蒸發(fā)冷卻冷水機組系統(tǒng)示意如圖9所示。

　　為獲得在高溫天氣仍能直接使用的低溫水,機組設置了預冷段、間接蒸發(fā)冷卻段和直接蒸發(fā)冷卻段。室外新風首先在預冷段由系統(tǒng)回水進行預冷,然后經間接蒸發(fā)冷卻段等濕減焓降溫,經過兩次降溫后的空氣*終在直接蒸發(fā)段制取冷水。在干球溫度33.5℃、濕球溫度18.2℃的室外條件下,可獲得16℃的出水溫度。

　　1.3 數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷運行模式

　　數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要是以自然冷卻為主,機械制冷為輔,蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)主要運行的模式可分為干、濕和混合等三種模式。

　　1）干模式:在室外干球溫度低于16℃左右,依靠室內外空氣在換熱芯體換熱就可以提供足夠的冷量,此時運行在干工況。此時噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機械制冷系統(tǒng)都不工作。室外新風與室內回風直接經換熱器換熱,數(shù)據(jù)中心較高的回風經由空氣-空氣換熱器被室外的低溫空氣直接冷卻。見圖10。

　　2）濕模式:當室外環(huán)境溫度較溫和時(濕球溫度高于19℃左右),機組運行在濕模式。此時開啟噴淋蒸發(fā),而機械制冷系統(tǒng)仍然不工作。室外空氣通過增發(fā)冷卻系統(tǒng)進行預降溫,然后再經由空氣空氣換熱器冷卻數(shù)據(jù)中心回風。見圖11。

　　3）混合模式:當室外濕球溫度較高時(濕球溫度高于19℃左右),特別是在炎熱天氣,自然冷卻無法滿足制冷需求,開啟壓縮制冷系統(tǒng)補充不足的部分。采用蒸發(fā)冷卻+高效換熱+壓縮制冷的運行模式，稱為混合工況。此時噴淋蒸發(fā)系統(tǒng)和機械制冷系統(tǒng)同時工作，共同達到所需要的制冷量。見圖12。

　　1.4 蒸發(fā)冷系統(tǒng)優(yōu)勢和關注問題

　　近幾年來,蒸發(fā)冷卻(特別是間接蒸發(fā)冷卻)空調機組成為行業(yè)節(jié)能應用熱點,國內外許多的廠商都研制和推出了相關產品。蒸發(fā)冷卻空調與傳統(tǒng)的壓縮機型空調相比,具有以下優(yōu)點:

　　1）耗能與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)相比能效有了明顯的提升:蒸發(fā)冷卻空調設備中所需的主要動力為風機和水泵動,無制冷壓縮機,能效比COP值很高,通常機械制冷系統(tǒng)的耗電為50W/m2左右,而蒸發(fā)型空調系統(tǒng)為10W/m2左右,節(jié)電80%左右。

　　2）蒸發(fā)冷卻空調運行方式為全新風運行:且具有空氣過濾和加濕功能,不斷輸入100%新鮮冷空氣,有效的正壓送風可使有害的空氣排出室外,保持室內潔凈;大大改善其室內空氣品質。

　　3）保護環(huán)境,零污染:由于蒸發(fā)冷空調設備主要是以水為制冷劑,對大氣無污染。

　　4）模塊化、工廠預制:蒸發(fā)冷卻改變了目前主流水冷機組的結構，可以實現(xiàn)模塊化和在工廠的預制，現(xiàn)場安裝，沒有管道的連接和安裝，減少工期。

　　目前蒸發(fā)冷卻技術的應用的主要形式為間接蒸發(fā)冷卻空調機組、直接蒸發(fā)新風系統(tǒng);雖然蒸發(fā)冷卻技術有上述眾多的優(yōu)點和優(yōu)勢,但是還需要看到蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)在結構和環(huán)境上存在的問題,主要體現(xiàn)在以下幾點:

　　1）對建筑的要求

　　蒸發(fā)冷卻技術上采用水與空氣換熱交換,決定了在建筑上需要有特殊的空間(專用的水和空氣蒸發(fā)交換空間、機房回風空間)，因此采用蒸發(fā)冷的系統(tǒng)改變了以往數(shù)據(jù)中心建筑的功能布局、層高、空氣進出流動通道，見示意圖13和實例案例圖14。

　　對于采用蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,規(guī)模(機柜數(shù)、單機柜容量)差異化,需要定制化的設計,沒辦法簡單化的復制,因為進排口的設置需求,在高層建筑數(shù)據(jù)中心中應用較為困難。另外由于間接蒸發(fā)冷卻空調機組產品還未形成統(tǒng)一的標準化,不同的廠家尺寸差異較大,導致建筑的設計的通用性較差。目前在大型數(shù)據(jù)中心建設中,采用間接換熱空調機組

　　大部分都是采用外置的方式,在建筑結構上采用工業(yè)廠房的模式,見圖15。

　　2）地域條件的要求

　　蒸發(fā)冷卻更適用于空氣干燥的地區(qū),蒸發(fā)冷卻過程中空氣越干燥,干濕球溫差越大,“干空氣能”的利用率越強,能獲得的溫度就越低。

　　根據(jù)中國的氣候特點和干濕地區(qū)分布,蒸發(fā)冷卻技術建議在“胡煥庸線”的左邊氣候比較干燥的區(qū)域使用,可以達到更好的節(jié)能和節(jié)水效果。見圖16。

　　不是說在我國中東部(紅線右邊)的區(qū)域就不能采用蒸發(fā)冷,而是需要考慮在這些地區(qū)高濕不僅降低了換熱的效率,還需要考慮增加除濕所需要的耗能,*終影響節(jié)能的實際效果。

　　3）對空氣質量的要求

　　間接蒸發(fā)冷卻空調機組工作原理為外部空氣與水的換熱,然后再通過空空換熱器來冷卻室內空氣。目前間接換熱空調機組基本都采用板式換熱器,室外空氣中的灰塵、顆粒物等,通過加濕后,會附著在換熱器表面,時間長了會大大影響換熱器的效果?，F(xiàn)在國外也在積極研究采用高分子材料替代傳統(tǒng)的金屬換熱器,來降低空氣質量對換熱器效率的影響。

　　直接蒸發(fā)冷卻新風系統(tǒng),室外空氣經過過濾和加濕降溫后直接送到數(shù)據(jù)中心機房內,空調的品質直接關系IT的運營穩(wěn)定。

　　因此需要關注空氣的質量對持續(xù)制冷和對IT設備的影響,差的空氣質量將降低換熱的效果和維護難度以及維護的成本,當遇到沙塵暴時還將引發(fā)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)無法正常運行。另一方面空氣中有害的氣體(如硫化物等)也會導致IT設備電路腐蝕,導致短路或短路而不能正常運行。因而目前采用蒸發(fā)冷的數(shù)據(jù)中心大多會設計兩種制冷系統(tǒng)的并存,有些還增加有害氣體的檢測和過濾裝置,不僅增加投資還增加后期的運維成本。

　　4）運維中的問題

　　目前蒸發(fā)冷的水質問題是影響蒸發(fā)冷卻空調技術推廣使用的主要限制因素之一,結垢、污泥、菌澡滋生、腐蝕穿孔,不僅降低了系統(tǒng)的冷卻效率、設備的使用壽命,同時也影響到正常的運行。另外在北方冬季的結冰現(xiàn)象什分嚴重,影響到冷卻塔的散熱效果、加大冷卻塔的承重、損害填料和管道,同樣影響冷卻塔的使用壽命。見圖17。

　　5）蒸發(fā)冷卻還不能完全取代機械制冷系統(tǒng)

　　與機械制冷相比,蒸發(fā)冷卻還存在著很多不足之處。如體積大、缺乏除濕功能,冷卻空氣的能力受外界氣候環(huán)境(雨雪、風沙等惡劣天氣)的影響嚴重,多級蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)控制較復雜等。當僅靠蒸發(fā)冷卻不能達到制冷要求時,還需要機械制冷進行補償,因此,將機械制冷與蒸發(fā)冷卻相結合,取長補短。

　　總之,數(shù)據(jù)中心需要全年制冷,而直接和間接蒸發(fā)冷卻技術具有明顯的“靠天吃飯”屬性。國內除了西北某些地區(qū)氣候能夠使用該技術實現(xiàn)全年制冷,絕大多數(shù)地區(qū)需要配置機械制冷機組補充冷量,在極端高溫天氣負擔蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)欠缺的制冷量,但這又引起人們對于安全方面的擔憂。一方面,蒸發(fā)冷卻空調機組體積較大,需要與機柜通道通常一一對應,與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的備份理念存在一定偏差;另一方面,若按極端工況下間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)制冷能力的*大欠缺量配置機械組件且考慮不間斷供冷需求,則極大增加了對于機械組件的相應UPS及電池配置。故蒸發(fā)冷卻空調機組更適宜應用于非夏熱冬暖地區(qū)。

　　二、熱管技術在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能中的應用與前景

　　近幾年來制冷技術的研究和制造商將熱管技術應用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)中,熱管具有獨特的技術優(yōu)勢,在數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)節(jié)能和節(jié)水方面收到良好的效果。

　　2.1 熱管技術原理

　　典型的熱管由管殼、吸液芯和工作介質組成。管殼為兩端密封的圓柱管,管的內壁貼附同心圓筒式的金屬絲網或其它多孔介質,即吸液芯。對熱管的一端加熱后,由于管內壓力很低,工質吸收熱量變?yōu)檎羝?然后在壓差作用下流向另一端,向外界釋放熱量后再凝結成液體,依靠吸液芯的毛細抽吸力流回加熱段,再次受熱氣化,如此往復循環(huán),就可以連續(xù)不斷地將熱量從一端傳遞到另一端。見圖18。

　　將熱管技術應用到數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng),是利用室內、外溫差通過熱管將室內熱量交換到室外,從而降低室內溫度的系統(tǒng)設備。熱管換熱系統(tǒng)利用循環(huán)工質的氣液相變來傳遞熱量,通過特殊的管路聯(lián)接,將蒸發(fā)段和冷凝段分離開來,室內機為該系統(tǒng)的吸熱端,冷凝器為其放熱端,室內機中的工質在機房內吸熱蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài),經過氣管流入冷凝器,并在冷凝器內放熱冷凝為液態(tài),然后通過液管回到室內機繼續(xù)吸熱蒸發(fā)。熱量傳輸是無源運行,無運動部件,零能耗且故障率極低。熱管技術工作原理見圖19。

　　熱管在實現(xiàn)這一熱量轉移過程中,包含了以下六個相互關聯(lián)的主要過程:

　　(1) 熱量從熱源通過管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液-汽分界面;

　　(2) 液體在蒸發(fā)段內的液-汽分界面上蒸發(fā);

　　(3) 蒸汽腔內的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段;

　　(4) 蒸汽在冷凝段內的汽-液分界面上凝結;

　　(5) 熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源;

　　(6) 在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后的工作液體回到蒸發(fā)段。

　　由于熱管是依靠自身內部工作液體的相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件,所以其具有以下優(yōu)點:

　　(1) **的導熱性能:熱管依靠工作介質的汽、液相變傳熱,換熱系數(shù)高,傳熱熱阻很小,可傳遞熱流密度較大。其導熱系數(shù)比金、銀、銅、鋁等優(yōu)良導熱體高出了幾個數(shù)量級。

　　(2) 優(yōu)良的等溫性:由于熱管內腔的蒸汽處于飽和狀態(tài),其粘度較低,在流動中產生的壓降很小,所以熱管的蒸發(fā)段與冷凝段之間的溫差很小,近似等溫。

　　(3) 可變熱流密度:可以通過獨立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積的方法調節(jié)蒸發(fā)段和冷凝段的熱流密度，以解決其他傳熱方式難以解決的問題。

　　(4) 熱流傳遞方向可控:通過改變內部循環(huán)力的方式,可以實現(xiàn)熱流單向傳遞、雙向傳遞、抗重力傳遞等。

　　(5) 環(huán)境適應性強:熱管的形狀可根據(jù)熱源和冷源的條件靈活變化,其形狀可制成電機的轉軸、燃氣輪機葉片、鉆頭、手術刀等;可應用于地面(重力場),也可以應用于空間(無重力場)。

　　(6) 熱管屬于被動傳熱:工質在熱管內的流動循環(huán)完全依靠管內結構及工質自身的熱力平衡實現(xiàn),沒有任何動力部件,屬于無耗能傳熱,工作性能穩(wěn)定,可靠性高。

　　從熱管的工作原理可以看出,熱管是基本無耗能的原件,通過實現(xiàn)熱量的轉移從而進行制冷。

　　2.2 熱管技術在數(shù)據(jù)中心中的應用

　　目前熱管技術在數(shù)據(jù)中心的產品主要有以下三個系統(tǒng):

　　1）單熱管式制冷系統(tǒng)

　　單熱管精密空調由熱管、蒸發(fā)器、EC風機和室外機組成,在結構與水冷末端精密空調相似,但采用氟的冷媒,無制冷壓縮機,室外機采用風冷或蒸發(fā)冷卻。有效的提高制冷的能效。見圖20。

　　熱管式機房精密空調適用于常年可以使用低溫自然冷源的地區(qū),不需要機械制冷,只有室內和室外風機的耗能,有效降低空調的耗能,提升制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果

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