案例解析丨间接蒸发冷却技术在应用中的优势与不足

　　摘要

　　间接蒸发冷却技术以支持快速交付、分期部署、高能效水平等优势特点，广泛应用于国内外数据中心项目。但应用过程中，仍需面对建筑外立面耦合、直膨式（DX）补冷比例高低与IT设备容量产出强相关、连续制冷实现、换热芯体结垢和结露等设计、建造、运营维度的诸多问题与挑战。

 

　　关键词

　　数据中心；间接蒸发冷却（IDEC）；电能利用效率（PUE）；主机托管服务（COLO）；制冷负载系数（CLF）

 

　　作者  

　　陈聪1  葛林2

　　（1.国网思极紫光（青岛）云数科技有限公司；2.万国数据服务有限公司）

 

　　随着云计算、人工智能（AI）、大数据、无人驾驶与5G等数字经济技术应用的快速迭代与繁荣发展，对数据中心（或边缘数据中心）等新型基础设施的需求愈发旺盛。但不可否认的是，数据中心的快速增长在碳中和、碳达峰背景下将面临一系列挑战，如何实现数据中心高能效水平的设计、运营，达到减排、减碳的目标，是行业面临的难题。

 

　　电能利用效率（power usage effectiveness,PUE）是一种较为直接的用来客观量化数据中心能效水平的评估指标，被行业机构、运营商、第三方中立数据中心等广泛采纳。PUE可简单划分为IT设备基准耗电比（其值为1）、制冷负载系数（cooling load factor,CLF）、供电负载系数（power load factor,PLF），而供电负载系数受制于供电系统架构固化、IT设备负载率水平等因素的影响，其能效治理的难度较大、空间相对有限。在IT负载率相对平稳的条件下（如超过40%水平），制冷负载系数与制冷系统型式、室外气象条件、运营管理水平等因素强相关。

 

　　数据中心制冷系统比较典型的应用型式有冷水系统、风冷氟泵系统等，且近几年来，伴随预制化建造模式的逐步成熟与快速交付的迫切需求，间接蒸发冷却（indirect evaporative cooling，IDEC）的制冷型式在行业互联网客户、第三方定制化数据中心项目中也得到了大量应用。间接蒸发冷却技术作为一种迭代更新的新技术，在特定区域应用具有高能效、低耗水、低成本等诸多优势，但在设计、建造、运营过程仍然会面对诸多问题与挑战。

 

　　文献已对间接蒸发冷却系统的应用特点、节能性、经济性等问题进行了深入研究。本文旨在通过对间接蒸发冷却技术路径与应用案例简述，结合笔者设计与运营的项目经验，多维度总结间接蒸发冷却技术应用的优势及应用中面临的问题挑战与思考等，以供参考。

 

　　02、间接蒸发冷却技术原理与路径

　　蒸发冷却技术是基于空气与水的直接接触、以两者间的水蒸气分压力差与温差为驱动力、利用水蒸发吸热进行制冷的绿色节能技术。按照被处理空气与水的接触方式的不同，蒸发冷却一般可分为直接蒸发冷却与间接蒸发冷却。

 

　　间接蒸发冷却是二次侧工作空气与循环水在换热芯体的湿通道内直接接触，等焓降温后具备冷却能力，一次侧的使用空气流经换热芯体的干通道时仅被冷却而不被加湿，2种工作介质通过换热芯体进行换热，从而达到对一次侧使用空气进行等湿降温的效果。应用于数据中心场景时，间接蒸发冷却设备的工作空气多为室外新风，使用空气多为数据机房内的热回风，以两者的温差为驱动力，通过换热芯体间壁的热传导将数据机房内IT设备的热量传递给室外侧空气，不足部分通过设置辅助机械补冷满足送风温度要求，从而实现数据机房制冷的目的。

 

　　间接蒸发冷却设备的核心部件为换热芯体，按照换热芯体内一次侧空气的流向与流道分布结构的不同，可分为板翅式、管式、板管式等型式。数据中心间接蒸发冷却设备换热芯体以板翅式、管式应用居多，而无论采用哪种型式，均有2个互不连通的空气流道，借助通道的间壁冷却数据机房回风。

 

　　图1为一种典型的基于板翅式换热芯体的间接蒸发冷却设备原理图，室外新风流过经水喷淋（或高压微雾）浸润的湿通道，与其内附着的水膜进行热湿交换等焓降温后，再通过换热芯体间壁吸收数据机房回风的热量，最后排至室外环境。数据机房回风流过换热芯体的干通道，进行等湿冷却后重新送入数据机房。

　　虽然数据中心项目采用间接蒸发冷却技术是出于节能等因素考虑，但数据中心业务的可靠性、可用性要求高，仅采用空气-空气换热很难在全寿命周期内所有工况下提供足够的冷却能力。因此，基于数据中心所在地室外气象参数、机房送回风温度等参数，间接蒸发冷却设备通常会设置一定比例的补冷措施。补冷措施有风冷直膨式（direct expansion，DX）、水冷盘管式（chilled water，CW）等，但水冷盘管通常需额外配置冷源，不仅占地面积大、增大投资，还会面临表冷器盘管冬季防冻等难题，而风冷直膨式具有配置灵活方便、安全可靠、成本低等优势，因此大量应用于间接蒸发冷却设备的机械补冷系统，如图1所示。

 

　　1.2、间接蒸发冷却设备运行模式

　　间接蒸发冷却设备以自然冷却为主，机械补冷系统为补充，其主要运行模式可分为干模式、湿模式和混合模式3种。以北京为例，结合数据机房服务等级协议（service level agreement，SLA）送/回风温度（25 ℃/38 ℃）、IDEC设备效率（干模式60%，湿模式70%）、极端湿球温度（ASHRAE极端湿球温度20年重现期值30.9 ℃）、典型气象年室外逐时参数等，进行3种模式的切换温度推演，进而测算间接蒸发冷却系统全年平均PUE值。

 

　　忽略一次、二次空气风量差异，由显热交换效率公式进行计算：

　　式中 ηIDEC为芯体的换热效率；tra为一次侧回风温度，℃；tsa为一次侧送风温度，℃；tb为二次侧空气温度，干模式为干球温度tdb，湿模式为湿球温度twb，℃。

 

　　干模式：将送/回风温度、干模式效率代入式（1），计算得出tdb=16.3 ℃。即室外干球温度低于16.3 ℃时，间接蒸发冷却设备可干模式运行。

 

　　湿模式：将送/回风温度、湿模式效率代入式（1），计算得出twb=19.4 ℃。即室外干球温度高于16.3 ℃且湿球温度低于19.4 ℃时（非极端湿球温度场景，逼近度按0 ℃考虑），间接蒸发冷却设备可湿模式运行。

 

　　机械补冷：将回风温度、极端湿球温度、湿模式效率代入式（1），计算得出tsa=33 ℃。要求送风温度达到25 ℃，送风由33 ℃降温至25 ℃需由机械制冷处理，机械补冷比例χDX=（33.0 ℃-25 ℃）/（38 ℃-25 ℃）×100%=61.5%。

 

　　较高的DX补冷比例会影响IT设备容量产出（详见后续章节分析）。通过以上分析计算可知，该假定条件下，数据中心间接蒸发冷却设备的运行模式切换温度如表1所示。

　　查阅《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中北京典型气象年室外逐时干湿球温度，可知干球温度低于16.3 ℃运行干模式的时长为5 052 h，干球温度高于16.3 ℃且湿球温度低于19.4 ℃运行湿模式的时长为1 989 h，湿球温度高于19.4 ℃运行混合模式的时长为1 719 h。结合各模式运行时长与耗电功率，可推算出间接蒸发冷却系统年均CLF值在0.095～0.110之间。与典型冷水系统实际运营年均CLF值0.168（SLA冷通道温度25 ℃）相比，仅从能耗角度考量，间接蒸发冷却技术具备较高能效水平，可有效降低数据中心年均PUE值。

 

　　1.3、国内外数据中心间接蒸发冷却应用案例

　　欧洲、美国等国外地区的数据中心项目应用了较多的间接蒸发冷却技术，尤其是北欧地区，呈温带海洋性气候，全年最高干球温度仅26 ℃左右，较为激进的项目甚至取消机械补冷等措施。国内近年来采用间接蒸发冷却技术的项目以互联网或云计算公司自建项目居多。国内外数据中心间接蒸发冷却应用案例、设备厂商，以及换热芯体型式、材质、喷淋方式等汇总见表2。

　　02、数据中心间接蒸发冷却技术应用的优势

　　2.1、支持快速交付、分期部署

　　数据中心服务于上层业务应用，当某项应用存在爆发性增长时，用户侧的诉求即为数据中心基础设施快速建设与交付，满足业务快速部署和上线需求。间接蒸发冷却设备作为一种融合自然冷却、机械补冷，高度集成控制模式的预制化产品，可按需设置、分期部署。既能满足快速交付需求，也能很好地规避常规冷水系统较强的工程属性，实现缩短建造、安装周期等目的。

 

　　2.2、高能效水平

　　前已述及，PUE可作为一种较为直接的评估指标来客观量化数据中心能效水平。此外，水利用效率（water usage effectiveness，WUE）可表征为数据中心水利用效率的指标，其值为数据中心内所有用水设备消耗的总水量与所有电子信息设备消耗的总电能之比。

 

　　间接蒸发冷却技术的应用区域已逐步从西北、东北等区域逐步向东南区域扩展，在数据机房送风温度贴近A1级推荐值（classes A1 recommended）上限时，可充分利用自然冷源，相比于传统水冷系统有明显的节电、节水优势。以北京、上海和深圳某数据中心模型为例，间接蒸发冷却与传统水冷方案的PUE与WUE对比数据如表3所示。从对比结果来看，间接蒸发冷却方案的CLF值和WUE值均大幅低于传统水冷系统方案。

　　2.3、经济优势

　　从全寿命周期考量，经过近几年的快速发展和行业项目应用落地，国内间接蒸发冷却设备的造价大幅下降，其投资相较于同等配置、冗余条件的传统水冷系统低20%左右，10年总拥有成本（total cost of ownership，TCO）则低27%左右。

 

　　2.4、降低运维难度

　　间接蒸发冷却设备是高度集成的盒化产品，通过预置控制逻辑、传感器等实现设备状态监测、自动模式切换、机房级设备群控等，降低对运维人员的技术要求。与传统水冷系统相比，设备维护种类与工时可大幅削减，整体来看对运维环节是比较有利的。

 

　　03、数据中心间接蒸发冷却应用中

　　面临的问题与思考

 

　　3.1、设计维度

　　3.1.1 间接蒸发冷却设备与外立面耦合问题

　　间接蒸发冷却设备与数据机房外立面强耦合，对既有建筑适配性难度较大，适合于大平层新建项目，且应用于新建多层项目时，设备二次侧进出风气流组织、维护通道、排风管道等需结合间接蒸发冷却设备特征进行重点考虑，否则极易出现气流组织短路、产生热岛效应等问题。

 

　　此外，因行业厂商的设备特征参数如进出风口位置与尺寸、设备质量与尺寸差异性极大，在项目规划设计阶段，需梳理所有候选设备厂商的关键性参数，但很难形成一致性条件使大部分设备入围以满足公开招标要求。故设计方案需综合考虑不同厂家的设备参数，配置合理的混风箱或按特定技术要求进行设计，待中标厂商确定后，以固化的设备参数、基础等提资条件深化图纸满足施工要求。

 

　　3.1.2 DX比例高低与IT设备容量产出关联问题

　　数据中心项目市电容量相对固化，主机托管（COLO）型数据中心项目IT设备容量产出的高低直接影响项目收益率，也即低于IT设备容量产出限制值时经济性恶化。

 

　　以20 000 kV·A市电容量2N架构为例，设计PUE值为1.395，功率因数为0.9，IT设备容量产出为6 450 kW。常规水冷系统冷源部分性能系数按5.0、末端水冷精密空调性能系数按16.0考虑，则设计CLF值约为0.34。同等冗余条件下，间接蒸发冷却设备按单台制冷量250 kW、EC风机与喷淋泵等功率按42 kW、压缩机性能系数按3.5、辅助用房氟泵空调性能系数按4.0考虑，则可推导出间接蒸发冷却设备DX补冷比例平衡值约为40%。即在市电容量固化的条件下，DX比例高于40%时，则会劣化IT设备容量产出。

 

　　3.1.3 连续制冷实现问题

　　GB 50174—2017附录A明确A级数据中心对连续制冷时间要求不应小于不间断电源设备的供电时间，通常柴油发电机组作为后备电源时，不间断电源系统电池供电时间不短于15 min。前已述及，机械补冷的型式有风冷直膨式和水冷盘管式，水冷盘管式需要适配一套冷源系统，通常不予考虑。目前，间接蒸发冷却设备通常会对室内外EC风机、喷淋泵及控制器等分别提供市电和不间断电源，确保其对应部件连续运行。对压缩机一般提供两路电源，而为满足连续制冷，是否按压缩机容量100%或50%（亦或者不考虑连续制冷）配置不间断电源，通常需结合业务需求、SLA温度条件、DX配电增加成本等因素综合确定。

 

　　3.1.4 实现高能效潜在制约因素

　　间接蒸发冷却技术比较适用于干湿球温差大、干燥的地区，且需配合数据机房较高的送/回风温度。当送/回风温度趋近于A1级推荐值上限区或A1级允许值（classes A1 allowable）中下区时，设备综合能效比较高，否则能效数据与常规水冷方案相比优势较难体现。

 

　　3.1.5 换热芯体材质与处理水质要求标准差异化问题

　　行业各厂商设备采用的芯体材质型式存在差异，金属芯体与高分子芯体对水质的要求不同，如表4所示。根据芯体材质，结合项目所在地原水水质选择合适的水处理方式。通常，金属芯体对水的硬度和氯化物含量要求较高，需要采用反渗透水；高分子芯体防腐性能好，只对水的硬度有明确要求，需要采用软化水。因此，在规划设计阶段，设备难以固化，对水质的处理工艺流程较难归一化处理。

　　3.1.6 应用于COLO型数据中心难度极大

　　规划设计阶段建筑布局明确时，每个数据机房的间接蒸发冷却设备数量与尺寸也相对固化。此时，数据机房总制冷量与所在地室外气象参数和冷热通道温度有关，而关键的影响参数为一次侧送回风温度。若后续进驻客户要求SLA温度明显低于规划设计工况，容易造成数据机房电力、制冷容量规划与实际使用需求错位，变相影响商务成本。

 

　　以1.2节计算模型为例，以单台间接蒸发冷却设备制冷量为基准，设备尺寸、压缩机配置相对固化时，若送风温度调低至22 ℃，机械补冷比例由61.5%提升至77.9%，间接蒸发冷却设备的制冷能力则减少16%左右。

 

　　因而，以客户需求为导向的COLO型数据中心项目，在客户需求未明确时，兼顾数据机房的灵活性、可扩展性、弹性等因素，很难主动应用间接蒸发冷却技术方案，故往往以客户高度定制化项目应用居多，这与国内间接蒸发冷却应用案例汇总结果一致。

 

　　3.2、建造维度

　　在建造环节，应重点关注间接蒸发冷却设备配套风管与外立面墙体衔接处的密闭性。该处密闭性的优劣，不仅影响机房气体灭火防护区密闭的有效性（数据机房采用预作用灭火系统时则不受影响），还直接影响机房的气密性。若处理不佳，将增加机房温湿度、洁净度控制难度，还存在雨水从外立面进入机房环境的风险。故需在土建建设时预留好穿墙风管的预埋件，便于设备与外墙衔接处密封处理。

 

　　3.3、运营维度

　　3.3.1 数据机房气流组织问题

　　间接蒸发冷却设备单体制冷量通常在200 kW以上，与水冷型或风冷型精密空调末端相比较大，因而其循环风量也较大，对应单体设备的循环次数变大，导致其故障时影响的范围同步扩大，同时机房温度场与速度场的变化也更剧烈。

 

　　此外，过渡季室外气象参数变化较快，间接蒸发冷却设备湿模式与混合模式切换时，因压缩机的启停受控制时间、冷量加载速度、油压等因素影响，再叠加较高换气次数，间接蒸发冷却设备送风温度波动明显。机柜服务器端进风温度同步变化，进风温度高低影响服务器风扇转速，进而机房速度场也产生波动。

 

　　3.3.2 芯体维护与结垢等问题

　　间接蒸发冷却设备换热芯体结垢主要归因于水质、芯体材料和运行环境等方面。

 

　　水盘内循环水在喷淋过程中不断蒸发浓缩，浓缩倍数的增大使得换热芯体湿通道侧壁上微溶性碳酸盐类水垢附着概率增大，因而补充水质处理工艺及循环水电导率、pH值等指标的控制至关重要，勿压减成本多机共用传感器，应一机专用。

 

　　换热芯体材料的表面能、粗糙度、亲水性等方面对结垢有着重要影响。表面能越大，湿通道侧壁面与水垢亲和力越大，水垢稳定性越强；粗糙度越大，越容易结垢；湿通道侧壁换热材料亲水性越差，越容易结垢。

 

　　间接蒸发冷却设备二次侧循环水与大气直接接触，而室外新风中的粉尘、灰尘等固体颗粒物易导致水盘产生黏泥或微生物聚集，高浓缩倍数循环水进而导致芯体结垢，影响换热效率。芯体的清洗维护操作难度极大。

 

　　3.3.3 室外极寒条件下芯体结露问题

　　数据机房低负荷叠加极寒室外气象条件时，冷备间接蒸发冷却设备换热芯体一次侧内部通道容易结露/冰，劣化数据机房内湿度条件。换热芯体二次侧的通道侧壁与一次侧较高温度空气接触，存在结露/冰的可能，进而间接蒸发冷却设备冷凝排水路径存在结冰的可能。间接蒸发冷却设备一次侧回风路径上存在内壁结冰的可能，设备壳体钣金拼接处存在冷桥，保温性能差时同样会结冰。间接蒸发冷却设备芯体存在质量问题时，不仅影响气密性，导致漏风，更易导致一次侧回风的冷凝水在低处聚集，进而通过漏点流至室外二次侧的设备水盘而结冰。

 

　　3.3.4 间接蒸发冷却设备二次侧进风路径清理问题

　　春季时杨柳絮等频发，间接蒸发冷却设备二次侧进风路径粗效过滤网极易被堵塞，维护工作量大且易导致设备喷淋侧频繁故障报警。需考虑设置降低维护难度的电动清扫措施。

 

　　3.3.5 间接蒸发冷却设备逻辑优化问题

　　间接蒸发冷却设备的模式切换与节能控制逻辑通常由厂家预置，但运营应用阶段，需结合数据机房负载、环境条件等因素调节比例、积分、微分的预设参数，以匹配调优送风温度与室外环境扰动的调整响应速度、震荡等问题。但随着间接蒸发冷却设备硬件的差距越来越小，硬件节能空间有限，因此借助AI智能算法，实现间接蒸发冷却设备与上层服务器进风温度联动按需制冷，结合配置、环境扰动等关联因子实时动态调节间接蒸发冷却设备间协同、模式寻优等智能控制策略是未来发展趋势。

 

　　3.3.6 设备供应商平均修复时间管理问题

　　间接蒸发冷却设备对运维人员技术能力要求降低，但反而增强了对设备供应商的依赖，平均修复时间（mean time to repair，MTTR）等管理难度加大，且项目通常选址于二、三线城市，往往需要设备供应商派维护人员驻场解决设备突发故障问题。

 

　　05、结语

　　间接蒸发冷却技术以支持快速交付、分期部署、高能效水平、TCO低等优势特点，在国内外数据中心项目中得到较多地应用。但应用过程中，仍需面对间接蒸发冷却设备与建筑外立面适配耦合、DX补冷比例高低与IT设备容量产出强相关、连续制冷实现、换热芯体结垢和结露、水质处理、间接蒸发冷却设备逻辑优化等设计、建造、运营维度的诸多问题与挑战。技术本身存在多面性，从不同角度考量，结合多方需求进行评估，在合适的环境条件下选择适合的技术路线才是最佳的。