间接蒸发冷却技术在数据中心应用的经济性分析
原创
《制冷与空调》
中国制冷与空调
2020-03-20 09:58
发表于北京
为顺应全世界数据化的大趋势，实施我国“互联网+”的行动计划，国内各行各业的计算量和数据存储量正呈现指数型增长之势。然而，数据存储、计算和应用集中化已是大势所趋，应运而生的数据中心以前所未有的速度发展。从广义上来讲，数据中心是指所有含有数据服务器、通信设备、冷却和供电设备的建筑、厂房。随着其数量与规模的增长，数据中心的能耗越来越不容忽视。在数据中心的能耗构成中，空调系统的能耗大约占数据中心总能耗的30%~50%，因此，空调系统是当前数据中心提高能源效率的重点环节。一个典型的数据中心的能耗构成如图1所示。
图1
数据中心能耗构成
利用自然界的低温冷源对数据机房进行自然冷却的空调方案是提高数据中心能源利用效率的重要途径，全年有很长时间内室外温度低于数据中心的室内控制温度，将室外新风直接引入数据机房，一般会破坏数据机房内空气的洁净度，对IT设备的可靠运行造成威胁。数据中心的空调系统倾向于间接利用自然界的冷源，导致空调设备换热效率的较低。
蒸发冷却技术在中国的应用已有近20 年，在公共建筑和工业建筑领域有大量实际工程案例。中国南北气候差异较大，温湿度环境不同，蒸发冷却技术的应用和气候环境关系密切，近年来在国内部分数据中心项目上逐步得到应用，有效降低了数据中心PUE及运营成本，引起数据中心业界极大的关注，尤其是在空气质量要求较高的数据中心行业，间接蒸发冷却技术可实现室内外仅传热但不传质，机房内的湿度及空气品质不受室外空气的影响，该项技术存在巨大的发展空间。在中国东南部地区，间接蒸发冷却空调的自然冷却时间比传统空调的自然冷却时间全年多出2 000小时左右。在北京、天津、河北和山东等地区，间接空调的自然冷却时间大约比传统空调的自然冷却时间多出1 000～2 000小时左右。在我国西北部地区间接蒸发冷却空调的自然冷却时间比传统空调的自然冷却时间多出1 000小时左右。
随着间接蒸发冷却技术在国内和国际数据中心的示范应用，也预示着间接蒸发冷却技术应用的日益成熟。间接蒸发冷却技术可延长全年免费能源的时间，间接蒸发冷却技术能从自然环境中获取冷量，与一般常规机械制冷相比，在炎热干燥地区可节能80%～90%，在炎热潮湿地区可节能20%～25%，在中等湿度地区可节能40%，从而大幅降低空调制冷能耗。
根据全球各地采用间接蒸发冷却设备的数据中心统计的能耗指标，平均PUE为1.15左右，最低可以达到1.03。同时，间接蒸发冷却设备用水量只相当于常规冷冻水系统的40%~50%，因为是分布式部署，可靠性也显著提高。
以深圳地区为例，深圳夏季最高湿球温度为28 ℃，而绝大多数服务器厂家设计的服务器出风温度都在35 ℃以上，这就意味着，即使在深圳地区全年都可以利用加湿降温后的室外空气对机柜回风进行降温。
对于湿球温度低于22 ℃的中温带及高原地区，可以完全利用间接蒸发冷却，省去了水冷或者风冷空调系统的投资。下面就间接蒸发冷却系统的经济性进行分析比较。蒸发冷却技术工作
间接蒸发冷却的核心原理是室外新风与直接蒸发冷却填料或者换热器壁面的水膜以及由高压喷头将水流雾化形成的小水滴直接接触，进行充分的热湿交换，直接蒸发冷却过程中降温后的室外新风和水通过非接触式换热器与数据机房的室内送风间接接触进行显热量的交换，那么就可以得到温度降低而含湿量不变的送风空气，此过程为等湿冷却过程。间接蒸发冷却利用通过蒸发加湿得到的室外侧空气湿球温度和数据中心内部的回风温度的温差，通过管壁的热传导将服务器的热量传递给室外侧空气的过程，从而达到冷却数据中心的目的（图2、图3）。
图2
间接蒸发冷却技术原理图
图3
间接蒸发冷却空调在数据中心机房应用原理图投资和运分析
2.1
初投资分析
根据市场调查统计分析，间接蒸发制冷设备的价格为4 000~6 000元/kW。根据数据中心大小不同，初投资也不相同。
2.2
运行费用分析
以下就两个实际项目为例对间接蒸发冷却式冷水机组与传统水冷冷水机组系统进行初投资以及运行费用的分析比较。
案例1：以宁夏地区某一数据中心为例，该数据中心建筑面积11 000 m2，机柜数量为1 030个，每个机柜装机功率为4 kW，机房总热负荷为5 400 kW。该数据中心采用传统水冷离心机组进行制冷，该系统AEER为4.8。现采用间接蒸发冷设备进行对比，该系统AEER值保守为10.5。以每度电费为1.0元，每立方米水费4.5元进行计算，数值对比见表1。
表1
案例1产品节能和ROI分析表
案例2：以河北地区某一数据中心为例，该数据中心建筑面积25 000 m2，机柜数量为2 700个，每个机柜装机功率为5 kW，机房总热负荷为17 600 kW。该数据中心采用传统水冷离心机组进行制冷，该系统AEER为4.5。现采用间接蒸发冷设备进行对比，该系统AEER值保守为10.1。以每度电费为0.8元，每立方米水费5.74元进行计算，数值对比见表2。
表2
案例2产品节能和ROI分析表
从分析结果来看，间接蒸发冷却机组的初投资相对较高，但是由于全年大部分时间是干模式和湿模式下运行，电费可以有很大的节省。一般2~4年内相对普通的冷冻水型精密空调机组可以达到盈亏平衡点。 间接蒸发冷却技术节能分析
3.1
间接蒸发冷却技术不同地点的耗能分析
通过蒸发冷却式冷水机组与传统水冷冷水机组系统节能数据对比，数据中心场合应用蒸发冷却式冷水机组可以实现大幅节能，同时间接蒸发冷却设备用水量只相当于常规冷冻水系统的1/5，因此间接蒸发冷却技术在节水节电上有着巨大的潜力。
以下面数据中心为例对间接蒸发冷却节能系统进行综合分析。
数据中心项目地点选取以下几个典型区域进行对比：
1）深圳：中国南部的热带地区，低纬度，沿海一年四季温湿度较高；
2）上海：中国东部的沿海城市，中纬度，一年四季温度在冰点之上，沿海湿度较高；
3）北京：中国北部的季风气候，中高纬度地区，一年四季温差变化大，受季风影响，冬季干燥寒冷，夏季炎热潮湿；
4）银川：中国西部的大陆干旱地区，中高纬度地区，远离海洋，气候干燥；
5）哈尔滨：中国北部的严寒区域，高纬地区，冬季寒冷。
机房面积：700
m2；IT负载：1 000 kW（为便于分析，机房总散热量即按1 000 kW计算）；冗余：N+1；送/回风设计温度：25 ℃/38 ℃；气象参数：以上地区参考年数据进行计算分析。
间接蒸发冷却干工况换热效率为50%，间接蒸发冷却湿工况换热效率为80%。室外湿球温度19 ℃以下，使用间接蒸发冷却，干球5 ℃以下停止喷淋。图4为不同地区的间接蒸发冷却系统效率对比，图5为不同地区间接蒸发冷却系统年耗水量对比，图6为不同地区间接蒸发冷却系统年耗电量对比。
图4
不同地区间接蒸发冷却系统效率
图5
不同地区间接蒸发冷却系统年耗水量
图6
不同地区间接蒸发冷却系统年耗电量
在相同条件下，1 000 kW的IT负载，间接蒸发冷却制冷总输入功率是冷水系统设备输入功率的一半，耗水量相较于传统开式水系统有较明显的减少。图7为不同制冷形式总输入功率对比，图8为不同制冷形式耗水量对比。
图7
不同制冷形式总输入功率
图8
不同制冷形式耗水量对比
从上面的数据可以看出，间接蒸发冷却更适用于高纬度寒冷干燥地区，随着纬度的升高，空气的干燥度越大，间接蒸放冷却设备的节能效果越显著，但是在严寒地区例如哈尔滨，其温度在冰点以下时间太多，造成喷淋时间减小，不能充分利用高效的蒸发冷却，故比更干燥的银川地区需要更多的电能进行制冷。
3.2
各主要城市间接蒸发制冷机组节能效果
间接蒸发冷却系统以自然冷却为主，机械制冷作为补充，间接蒸发冷却系统主要的运行模式可以分为干模式，湿模式和混合模式等3种工作模式。当外界环境温度较低时，机组运行在干模式。当外界环境温度较温和时，机组运行在湿模式。当室外温度较高且湿球温度也较高时，机组运行在混合模式。
间接蒸发制冷机组较为依赖于使用环境温湿度，在不同的地区，节能效果各有差异，在国内建设数据中心较多的城市，使用间接蒸发制冷机组各模式下年小时占比如图9所示。
图9
不同地区间接蒸发制冷机组各运行模式年小时占比示意图
从图9中可以看出，幅员辽阔的严寒地区、寒冷地区以及夏热冬冷地区等中高纬度地区全年大部分时间都是干模式和湿模式下运行，使用间接蒸发冷却技术有着巨大的节能潜力。此外，对于类似深圳市等低纬度地区，干模式和湿模式年小时占比总和也达到了37.95%。因此，间接蒸发冷却技术在我国绝大部分地区都有着不小的市场潜力和节能潜力可挖。
4结束语
综合而言，间接蒸发冷却技术在数据中心领域有着巨大的节能潜力。
1）根据全球各地采用间接蒸发冷却设备的数据中心统计的能耗指标，平均PUE在1.15左右，最低可以达到1.03。同时间接蒸发冷却设备用水量只相当于常规冷冻水系统的40~50%，节水效果明显。
2）间接蒸发冷却机组的初投资相对较高，但是由于全年大部分时间是干模式和湿模式下运行，电费可以有很大的节省。一般2~4年内相对普通的冷冻水型精密空调机组可以达到盈亏平衡点。
3）可降低配电需求。由于间接蒸发冷却设备主要冷却能力是通过间接蒸发方式获得的，所以相对的补充机械冷却（压缩机）并不需要配置满足100%数据中心散热量需求，只需配置机房100%散热量减去间接蒸发冷却能带走热量之后剩余的量，相对于传统的机械冷却方式为主的冷却系统，间接蒸发冷却系统可适当降低制冷系统的配电需求，从而可实现降低配电成本或增大IT设备使用量的目的。
本文选自《制冷与空调》2020年1月刊68-73页
