數據中心間接蒸發制冷技術應用探討

韓曉雷，孫 楊，潘洪濤

（1.中國移動通信集團 河北有限公司，河北 石家莊 050000；2.中國移動通信集團設計院有限公司 河北分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

2021年3月15日，習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議時強調要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局，實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。因此，本論文重點研究數據中心新型制冷技術，充分結合氣候環境、機房環境、負載等因素，因地制宜打造節能的綠色數據中心，實現數據中心低碳建網、低碳運行、低碳運維。

1 數據中心PUE構成

電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是評價數據中心能源效率的指標，是數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值。PUE=數據中心總能耗/IT設備能耗，PUE值越接近1表明非IT設備耗能越少，即能效水平越高[1]。

數據中心PUE值主要由空調冷源PUE因子、空調末端PUE因子、電源PUE因子以及其他PUE因子構成，各PUE影響因素如表1所示。

表1 PUE因子關鍵因素統計表

不同地區數據中心PUE指標調研詳見表2。

表2 各地數據中心PUE調研表

通過計算各個因素對數據中心PUE影響占比，得出PUE因子影響比例圖及排列圖，詳見圖1。

圖1 數據中心PUE因子占比

其中空調冷源PUE因子在數據中心PUE（不含通信設備）的總占比為51%，是影響數據中心能耗的主要因素。因此，降低空調冷源的PUE因子可以有效降低數據中心能耗，打造節能的綠色數據中心，實現數據中心 “低碳”運行。

2 間接蒸發冷卻技術介紹

間接蒸發冷卻技術是指通過非直接接觸式換熱器將直接蒸發冷卻得到的濕空氣（二次空氣）的冷量傳遞給待處理空氣（一次空氣）實現空氣等濕降溫的過程。間接蒸發冷卻技術能從自然環境中獲取冷量，與一般常規機械制冷相比，在炎熱干燥地區可節能80%～90%，在炎熱潮濕地區可節能20%～25%，在中等濕度地區可節能40%，從而大大降低空調制冷能耗[2]。間接蒸發冷卻空調（Air Handle Unit，AHU）是利用間接蒸發冷卻器，使二次空氣與水直接接觸，通過熱濕交換降低二次空氣干球溫度，一次空氣通過間接蒸發冷卻器被二次空氣冷卻的設備。

3 空調冷源節能分析

節能演進路徑主要從減少冷量輸送設備開啟時間、提高冷量輸送設備自身能效兩個方面進行不斷優化，從而使得熱量從數據中心內轉移至室外大氣環境過程中降低空調整體冷量輸送能耗，實現空調系統節能。

影響空調冷源的兩大方面主要為制冷設備和自然環境，具體分析如下。

3.1 簡化設備及能量轉換，提高制冷效率

制冷效率主要由制冷系統的核心部件及熱量轉換方式決定。為計算出不同制冷設備的制冷效率，選取各個制冷系統核心部件及熱量轉換過程及次數進行統計對比。

集中冷凍水空調主要核心部件包括：冷水機組、板式換熱器、冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、蓄冷罐以及冷凍水末端空調7個主要部件。熱量轉換過程包括：室外空氣與冷卻水、冷卻水與冷媒、冷媒與凍水、冷凍水與室內空氣4次轉換過程[3]。

間接蒸發冷空調主要核心部件包括：蒸發式冷凝器機組、風管兩個主要部件。熱量轉換過程包括：室內空氣與室外空氣一次轉換過程。間接蒸發冷制冷方案與冷凍水方案對比如圖2所示。

圖2 間接蒸發冷制冷方案與冷凍水方案對比

間接蒸發冷空調比集中冷凍水空調減少了5個核心部件，熱量轉換環節由4次減少至1次，降低75%。通過簡化制冷設備，減少換熱交換次數，可以有效提高制冷效率，降低機房制冷PUE因子。

3.2 選取寒冷地或嚴寒地區充分利用自然冷源

自然冷源技術是當室外溫度低于室內溫度且溫差超過設定上限時，通過技術手段將室外自然冷源引入機房，從而實現機房降溫。數據中心通過充分利用自然冷源制冷，可以有效減低空調壓縮機運行時間，減少空調能耗。

不同地區自然冷源利用時長統計詳見表3。

表3 不同城市自然冷源利用時長統計表

根據統計分析可以看出，嚴寒地區自然冷源自然利用時長高達80%左右，寒冷地區自然冷源利用時長約65%。因此，選取寒冷地區或嚴寒地區建設數據中心，延長自然冷源使用時間，可以有效提高制冷效率，降低機房制冷PUE因子。

4 實施策略分析

4.1 確定設備選型提高空調能效

間接蒸發冷卻空調機組與傳統冷凍水制冷系統相比，可以將核心部件減少71%，熱量轉換降低75%。因此，間接蒸發冷空調可以有效降低傳熱損耗，增加自然冷卻時長。設備簡化后有效減少了系統復雜度，大大降低了運維風險及成本。同時，具有分期便捷部署的優點，建設周期縮短，利于業務快速實施。因此采用間接蒸發冷技術設備提高空調能效，降低機房PUE。

4.2 充分利用自然冷源確定數據中心選址

嚴寒地區溫度指標可很大程度上減少電制冷工況的運行時間，根據歷史氣象數據計算，AHU空調設備需要啟動壓縮機制冷的時間全年不到800 h，從而極大地降低了空調系統運行的耗電量。

通過以上實施策略，測算機房空調冷源PUE因子下降約0.06，PUE節能效果明顯，實現數據中心低碳運行。

5 效益分析

以某數據中心為例，機房安裝8000個機架，單機架功耗7 kW。結合數據中心選址要求并應用間接蒸發冷卻技術后，每年節約電費約2943萬kW·h，按電價為0.6元/（kW·h）計算，可節約電費成本1766萬元。

6 結 論

通過應用間接蒸發冷卻技術及充分利用自然冷源確定數據中心選址，可有效降低機房PUE，提高制冷效率，對支撐數據中心新型制冷技術建設，打造節能的綠色數據中心，實現低碳建網、低碳運行、低碳運維具有重要意義。