间接蒸发冷却技术节能分析

在集中式空调冷冻水系统中，供回水温度是一个关键指标，不同的供回水温度即对应不同的节能性，进风温度的提高意味着末端供回水温度也可以适当提高。一方面在传统压缩式制冷系统中，冷水机组制冷效率会显著提高；另一方面蒸发冷却冷水系统的适用范围及使用时长增加，数据中心高能耗的问题得到了缓解。

近几年来，新建数据中心的冷冻水供水温度都有很大的提高，《数据中心设计规范》GB-规定，机房冷冻水供水温度为7～21℃，冷冻水回水温度为12～27℃。目前很多数据中心项目更侧重高供水温度，一些大型数据中心冷冻水温度已提高至15～18℃，甚至更高。

蒸发冷却冷水系统所产生的高温冷水用于数据中心冷却，还要与相应的空调高效末端形式匹配。根据布置位置的不同，机房空调末端形式可分为房间级、列间级和机架级。列间级或机架级的空调末端相对服务器距离较近，气流输送距离短、能耗低，且对冷冻水温与回风温度之间的换热温差敏感性低，因此，机架级或列间级的空调高效末端形式更适合蒸发冷却冷水系统的应用。

间接蒸发冷却技术不同地点的耗能分析

通过蒸发冷却冷水系统与水冷式离心机制冷系统节能数据对比，数据中心应用蒸发冷却冷水系统可以实现大幅节能，同时蒸发冷却冷水系统用水量只相当于水冷式离心机制冷系统的30%～50%，因此蒸发冷却冷水系统在节水、节电、环保性等方面有着巨大的潜力。但蒸发冷却技术的效果常受到室外气象条件的影响，在不同地区，由于蒸发冷却技术的效率、稳定性不同，因此具有不同的节能性、经济性，因此应针对不同地区，进行差异化分析。

以下述某数据中心为模型，对蒸发冷却冷水系统进行不同地区的综合计算和分析：

IT总负载kW，N+1冗余，送/回风设计温度为25/38℃，供回水设计温度为17/23℃，蒸发冷却冷水系统以蒸发冷却冷水机组全年主用，蒸发冷却新风机组备份，间接蒸发冷却湿工况换热效率为80%（南方地区间接蒸发湿工况换热效率按照60%计算），室外湿球温度＞19℃时，开启新风备份或者机械制冷备份，其他时间开启蒸发冷却冷水机组实现供冷。在寒冷、严寒地区蒸发冷却冷水机组需要复合乙二醇干冷器，以实现冬季乙二醇自由冷却且防止冷水系统结冰，复合乙二醇干冷器后的蒸发冷却冷水机组在干球温度＜8℃时排空循环水并停止喷淋。

项目地点选取以下几个5个典型城市为例进行对比分析，气象参数参考年数据进行计算分析。

1、深圳（汕尾）：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、乌鲁木齐：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、张家口（怀来）：中国北部的严寒区域，高纬地区，冬季寒冷。

该5个城市气象参数如表5所示。

表5不同城市气象参数

图2不同地区数据中心蒸发冷却冷水系统制冷因子

图3不同地区数据中心蒸发冷却冷水系统年耗水量

图4不同地区数据中心蒸发冷却冷水系统年耗电量

在相同条件下，kW的IT负载，蒸发冷却冷水系统（以蒸发冷却冷水机组为主用冷源，蒸发冷却新风机组为备份冷源或配合高效末端的蒸发冷却冷水系统为例）制冷总输入功率是传统冷水系统设备输入功率的一半左右（具体以项目实际情况为准），可大幅降低空调系统引发的电气投资，同时耗电量、耗水量相较于传统水冷式机械制冷系统有较明显的减少。

从上面的数据可以看出，蒸发冷却冷水系统更适用于高纬度寒冷干燥地区，随着维度的升高，空气的干燥度越大，蒸发冷却设备的节能效果越显著；但在南方高温高湿地区应，仍具有很大的节能、环保优势，特别是和高效空调末端技术结合应用，效果更加明显。

综合而言，对蒸发冷却冷水系统的节能分析得出以下结论：

1、较低的制冷因子：充分利用室外自然冷源，在全年大部分时间实现“自然冷却”或“低成本冷却”，实现整个数据中心大幅度节能。

2、降低配电要求：由于蒸发冷却冷水系统主要冷却能力是通过蒸发冷却方式获得的，所以相对的补充机械冷却（压缩机）并不需要配置满足%数据中心散热量需求，相对于传统的机械冷却方式为主的冷却系统，蒸发冷却冷水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设备容量。

3、蒸发冷却冷水系统由于要消耗水源，需要注意所处地区水资源和水处理问题。

各主要城市间接蒸发冷却技术节能效果

根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规程》GB—中室外气象参数的统计，对全国湿球温度在22℃以下的部分地区的夏季空气调节室外计算湿球温度进行分析，来探讨蒸发冷却冷水系统的适用范围。夏季空气调节室外计算湿球温度19℃以下的地区仅有西藏、新疆、内蒙古、青海部分地区。而将湿球温度从19℃提高至22℃，这就包括西藏、新疆、青海、云南、贵州、四川、甘肃、宁夏、陕西、山西、内蒙古、黑龙江等许多区域。除此之外，蒸发冷却冷水系统可以采用蒸发冷却新风备份、高效空调末端或与机械制冷结合等多种方式方式，在全年大部分时间开启蒸发冷却模式以节约系统运行费用。蒸发冷却冷水系统及高效空调末端集成技术可以在数据中心得到很好的应用。

蒸发冷却冷水系统以自然冷却为主，必要时会以机械制冷作为补充，蒸发冷却冷水系统主要运行模式可分为乙二醇自由冷却（非寒冷地区不需要）、直接蒸发冷却模式、间接-直接蒸发冷却模式、蒸发冷却冷水复合蒸发冷却冷风模式（采用新风备份时极端高温高湿时运行）、蒸发冷却冷水复合机械制冷模式（采用机械制冷补冷时极端高温高湿时运行）。当外界环境温度较低时，系统运行在乙二醇自由冷却模式，当室外温度较高且湿球温度也较高时，系统运行在蒸发冷却冷水复合蒸发冷却冷风模式或蒸发冷却冷水复合机械制冷模式。

蒸发冷却冷水系统依赖于使用环境温湿度，在不同的地区，节能效果各有差异，经分析可得出，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乙二醇自由冷却模式、直接蒸发冷却模式、间接-直接蒸发冷却模式运行，蒸发冷却冷水系统在我国绝大部分地区都有着较大的市场潜力和节能潜力。

蒸发冷却冷水系统中靠蒸发冷却或乙二醇自由冷却为数据中心制冷的时常是数据中心全年运行节能的关键，对空调系统的设计重点应是全年有更多的时间允许自然冷却模式运行，而极端天气时用机械制冷辅助（条件允许可采用蒸发冷却新风补冷，系统更加节能）。