近年来，藏区数据中心产业发展迅速，其能耗和全年产生的热量亦大规模增长。为提高数据中心能源利用效率，本文以西藏拉萨市某数据中心为研究对象，通过对其一期工程空调系统进行实测分析，建议在二期工程建设中采用热回收型蒸发冷却空调系统。采用焓差实验室模拟藏区室外条件，对机组性能进行了测试，并针对系统的节能性和经济性进行了计算分析。结果表明：该机组蒸发冷却模式下填料最佳淋水密度为1 800 kg/(m 2 ·h)，最佳运行风速为2.4 m/s；虽然藏区低大气压力有利于提高机组直接蒸发冷却效率，但机组实际制冷量受到较大影响。机组热回收模块的实验测试结果表明，在机房机柜装机率为100%时，热回收量最高可达264.78 kW，具有显著的节能性和经济性。
藏区；数据中心；直接蒸发冷却；余热回收；节能性分析
黄翔 1 史东旭 1 褚俊杰 1 陈梦 1 代聪 1 梁凯 1 陶昌军 2 蒋宁 2 苏林 3 颜利波 3
（1.西安工程大学；2.西藏宁算科技集团有限公司；3.广东美的暖通设备有限公司）
近年来，藏区新基建发展迅速，藏区数据中心建设数量和规模正迎来新一轮爆发式增长。数据中心作为耗能大户，在“2030碳达峰、2060碳中和”背景下，节能压力与日俱增。经预测，未来数据中心的平均能耗强度将高达3 000 W/m 2 。目前已经大量应用于藏区数据中心的机械制冷空调机组虽然制冷效果较好、运行较为稳定，但其功耗与初投资较高，而蒸发冷却技术是一项节能、环保、绿色、低碳的制冷技术，其空气处理机组具有载冷能力强、占地面积小、集成化程度高等优点，在干燥地区的数据中心具有很大的应用潜力。袁洪、肖新文通过对数据中心不同冷却方式进行对比，发现数据中心应用蒸发冷却空调系统具有更好的节能性。刘凯磊等人、田振武等人实地研究了蒸发冷却空调在数据中心的应用情况。Duan等人对一种露点间接蒸发冷却器在不同的条件下进行了测试，结果表明其能效比最高可达到11.6，湿球效率最高为99.5%。
除此之外，数据中心全年产生的热量亦大规模增长。目前大部分数据中心产生的热量都随着空调系统排至室外环境中，造成了大量的能源浪费。若将此部分热量加以利用，必将会产生较大的经济效益和社会价值。吕萌萌等人、罗玉庆、崔科等人对实际运行的数据中心余热利用系统的节能量进行了定量测算，并对其未来的节能潜力进行了预估。李国柱等人、李金苡对数据中心余热利用的实际案例进行了经济性分析，并指出数据中心余热回收量受到冷却技术等多种因素的影响。
以上文献对蒸发冷却技术和余热回收技术在数据中心的应用效果进行了介绍，但并未针对西藏当地实际情况和结合藏区实际应用案例，分析热回收型蒸发冷却空调系统在藏区数据中心利用的可行性。因此，本文以西藏自治区拉萨市某数据中心为研究对象，通过实测分析该工程案例一期空调系统的运行现状及存在的问题，进而提出在二期工程建设采用热回收型蒸发冷却空调系统的方案，并对此方案采用的热回收型蒸发冷却空调机组进行了实验测试、分析，同时针对系统的节能性和经济性进行了计算分析。
1.1 建筑概况
项目总建筑面积约64.5万m 2 ，分两期建设。现已建成一期数据中心机房楼及其配套用房，工程一期设计占地面积116 278 m 2 ，含1栋综合运维楼、4栋机房，可布置约1.1万台机柜，数据中心机房楼配套用房包括变电所、电池室高压配电室与弱电间，为数据中心机房提供电力能源等支持。二期工程拟建数据中心机房楼1栋，建筑面积约1.2万m 2 ，其使用功能主要为数据机房及其配套用房。
1.2 冷热源概况
在项目方案设计阶段对拉萨当地的气候特点等进行了分析，最终选定直接通风冷却技术、直接蒸发冷却技术对数据中心模块区机柜进行冷却降温，以实现最大程度运用天然冷源。一期工程采用直接蒸发冷却空调机组为数据中心机房送风，二期工程拟采用热回收型蒸发冷却空调机组为数据中心机房送风，回收的热量用于农业养殖。
一期工程单间机房总面积约为514 m 2 ，共摆放机柜160个，单台机柜发热量5 kW，层高6.2 m，距地面3.2 m处设置吊顶回风层。机房的设计温度为（23±3）℃，相对湿度控制在（50±5）%。机房热通道开敞，采用侧向列间送风、顶部吊顶回风方式，共设置5个回风口。采用5台直接蒸发冷却空调机组为机房侧向列间送风，单台制冷量210 kW。冬季采用新风自然冷却方式。一期工程空调系统示意图见图1。
为了充分利用室外的自然冷源，在室外空气干球温度或湿球温度达到某一设定条件时，仅采用全新风便可满足对机房内降温的要求，但由于数据中心内环境温度精度要求高，且需全年不间断运行，直接蒸发冷却空调应用于数据中心往往采用多种不同的运行模式，以达到更好的节能效果。根据室外气象参数不同，可分为以下运行模式。
直接混合模式：当室外干球温度≤5 ℃时，直接送入新风易引起机房内部结露，因此调整回风口开度，将部分回风与新风混合，将送风处理到24 ℃再送入机房。
直接新风模式：当5 ℃＜室外干球温度≤24 ℃时，采用全新风过滤后直接送入机房。
蒸发冷却模式：当室外干球温度＞24 ℃时，需要开启水泵，采用直接蒸发冷却的方式对新风进行降温，以满足制冷要求。
2.2 二期工程空调系统介绍
二期工程空调系统在一期工程的基础上，采取了一些改进性措施。首先，针对一期工程部分区域存在的漏风漏水、机房内部存在局部热点等问题，对直接蒸发冷却空调机组的填料进行了优化改造：空调机组采用高分子填料取代过去的金属铝箔填料，高分子填料具有吸水性强、湿球效率高、不易飘水等优势。其次，为了让数据中心机房内部冷量分配更为合理，针对一期工程冷热气流掺混，造成机柜进风温度较高的问题，对机房内部布局进行了升级改造，在原有机柜的基础上升级为侧向列间送风结合热通道封闭的运行模式，让机柜“背对背”摆放，使得机柜散出的热空气更加集中地排放至吊顶回风层，最大限度减少回风与送风掺混，提高了制冷效率。同时，机房热通道封闭可有效提高机房内部人员舒适度，让机房运维人员能在较为凉爽舒适的环境中工作。机柜热通道密封技术能有效降低机房电能利用效率 PUE 值，提高数据中心的空间利用效率，增加机柜设备的存储密度，提升数据中心设备的IT负荷率。最后，考虑到一期工程机房的回风余热被大量浪费，二期工程结合机房常年制冷的特点，通过水源热泵机组回收机房热量并向供暖区域供暖，同时机组也向数据机房提供冷量，达到能量合理分配的目的。该带热回收的直接蒸发冷却空调机组可用于数据中心机房的降温，以保证机房内温度适宜，保证机房内电器设备的使用环境。数据中心热回收型蒸发冷却空调系统如图2所示。
机组实际运行时，室外新风由新风口进入机组后，先和室内回风混合，再流经过滤装置，随后进入湿膜，喷淋水在湿膜处发生直接蒸发，空气被等焓加湿，最后在送风机的作用下送入数据机房。
数据机房回风通过吊顶回风层进入带热回收的直接蒸发冷却空调机组后，首先经过热回收装置，与装置中的乙二醇水溶液进行换热，实现对热量的收集，热量在热回收装置中被带走送入水源热泵机组，随后部分回风在排风机的作用下直接排出，部分与室外新风混合，再次被处理后送入机房，不断循环，实现空气的降温。热回收装置设置在排风通道内，避免在进风通道内形成风阻，保证了热回收装置不会影响进风通道内气流的流通，冷空气在进风通道内顺畅流动，特别是在空调系统不需要运行热回收模式时，可保证冷空气顺畅流动，进而保证了降温系统对机房的高效降温。
通过热回收装置将水源热泵机组与带热回收的直接蒸发冷却空调机组联系起来配合使用，一方面可避免热量的浪费，另一方面可提升水源热泵机组等设备自身的性能。
二期工程中热回收型蒸发冷却空调与水源热泵的相关参数分别如表1、2所示。
在藏区温度最高的8月份，对一期工程中的单个机房内部热环境进行测试分析，以确定空调系统能否满足机房制冷要求。在机房冷通道与热通道距地面1.5 m处布置测点，其中冷通道布置测点30个，热通道布置测点24个。采用温湿度记录仪测量，温度测量范围为-20～70 ℃，相对湿度测量范围为0～100%。机房测点布置情况如图3所示。
机房内实际热环境测试结果如图4所示。可以发现：冷通道干球温度基本稳定在26 ℃左右，而露点温度基本稳定在8 ℃以上，由于测点距送风口距离不同，不同位置的干球温度有一定差异，远离送风口的区域干球温度略高，同时相对湿度波动较大，但始终在45%以下；热通道内部干球温度始终稳定在40 ℃左右，距离送风口较远的测点干球温度较高，最高可达到42 ℃，热通道内部露点温度始终在12 ℃以上，相对湿度在22%~36%之间波动。高温环境下易造成服务器可靠性降低，寿命缩短，局部热点甚至有可能造成起火现象。因此二期工程需要对空调机组进行合理改良，以满足机房的冷却需求。
在外部空气送入数据中心之前，对其进行有效的清洁过滤是必要的，以确保尽可能多地除去有害颗粒物和气体污染物。对机房内部环境空气品质进行了测试，采用粉尘检测仪metone831进行测量，最小测量粒径0.5 μm。
数据中心机房内实际空气品质测试结果如图5所示。GB 50174—2017《数据中心设计规范》要求空气中大于或等于0.5 μm的尘粒数要小于17 600粒/L。测试结果表明，冷热通道内部环境中的含尘浓度均满足此要求。
为了验证改良后的热回收型蒸发冷却空调机组在藏区数据中心的适用性，在焓差实验台上对该机组进行了实验，通过改变直接蒸发冷却淋水密度、送风速度与大气压力，找到最合适的状态点以使机组直接蒸发冷却效率最高。
实验条件设定为：关闭空调回风口，开启循环水泵，采用蒸发冷却模式对焓差实验台模拟的室外环境进行冷却降温，室外空气状态点设定为藏区全年最高干球温度37 ℃、相对湿度17%、湿球温度19 ℃。实验中利用温湿度自记仪、热球风速仪与水温记录仪进行数据采集。测量仪器参数如表3所示。
理论分析表明，随着淋水密度的增大，冷却效率逐渐提高。但是，当淋水密度增大到一定值后，空气与水接触面积不变，蒸发冷却效率及平均换热系数的提高幅度不大，而循环水泵的能耗增加，造成能源的浪费。因此，从工程最优化的角度来讲，确定蒸发冷却空调的最佳淋水密度是十分必要的。固定送风速度为2.6 m/s，改变填料淋水密度，以此确定淋水密度对直接蒸发冷却填料效率的影响。
淋水密度对直接蒸发冷却效率的影响如图6所示。随着淋水密度的增大，直接蒸发冷却效率呈现先上升后稳定的趋势；当淋水密度大于等于1 600 kg/(m 2 ·h)时，冷却效率基本稳定在77%左右。由于数据中心空调机组一般是按照迎面风速为2.6 m/s设计的，只有在部分负荷时，机组的迎面风速才小于它的额定风速2.6 m/s。所以，在计算最佳喷淋水量时，要以迎面风速为2.6 m/s时的最佳淋水量为设计淋水量。因此，在目前布水较为均匀的情况下，最佳淋水密度为1 800 kg/(m 2 ·h)左右。
在不同风速下，直接蒸发冷却效率也会有一定波动。固定淋水密度为1 800 kg/(m 2 ·h)，调整风机转速，分别将风速控制为2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0 m/s，计算不同状态下的蒸发冷却效率与制冷量。
风速对直接蒸发冷却效率与制冷量的影响如图7所示。直接蒸发冷却效率随着迎面风速的增大而减小，究其原因是迎面风速增大，设备的换热系数增大，但由于设备的换热属于有限空间内的换热，随着空气流速的增大，空气与水之间的接触时间缩短，接触不充分，设备的换热效率下降。虽然运行风速越小，该工况下的效率越高，但机组的送风量也越小。为了保证空调足够的制冷量，最佳运行风速取2.4 m/s左右。
通过理论分析发现：一般情况下，大气压力越低，直接蒸发冷却机组的运行效率越高。在西藏当地同一海拔下，大气压力的变化很小，所以当机组的运行地点已定时，大气压力的改变对机组运行效率的影响并不大。但西藏当地海拔较高，大气压力与其他城市差距较大，因此大气压力对机组实际运行效率的影响是不能忽略的。固定淋水密度为1 800 kg/(m 2 ·h)、运行风速为2.6 m/s，不改变其他参数，对该空调机组在广州、西安、乌鲁木齐、拉萨4个地区当地大气压力下的运行情况进行模拟实验。
大气压力对直接蒸发冷却空调机组应用效果的影响如图8所示。由于拉萨的大气压力较低，为65.23 kPa，机组在相同风速下运行，其效率高于其他地区；而广州地区的大气压力较高，为100.45 kPa，直接蒸发冷却机组在该地运行效率相对较低。由于藏区大气压低，空气密度小，同样体积的空气载冷能力小，导致了空调机组送风量为21.76 m 3 /s时，直接蒸发冷却效率提升，机组实际制冷量反而逊于其他大气压环境下的制冷量。但考虑到藏区室外空气相对湿度较低，干湿球温差较大，蒸发冷却空调相比在其他城市有更大的利用价值。
考虑到数据中心机房内机柜装机量未满时实际回风温度会受到一定影响，分别对机房机柜装机率30%、40%、50%、100%情况下的机房回风温度进行计算。
以满负载状态下机房最大负荷为800 kW为例，通过式（1）分别计算装机率30%、40%、50%下送入吊顶回风区静压箱的回风的温度。计算结果如表4所示。
式中 Q 为机房实际散热量，kW； q m 为空气质量流量，kg/s； c p 为空气比定压热容，kJ/(kg·℃)；Δ t 为送回风温差，℃。
数据中心余热再利用的原理是将数据中心室内的回风由热通道送入吊顶回风层，再将热量传递给热回收盘管内的冷水。吊顶回风层总面积约为1 382 m 2 ，吊顶壁面换热系数约为0.62 W/m 2 ，根据式（2）可估算出回风在吊顶回风层内的热损失。计算结果如表5所示。
式中 L 为吊顶壁面冷负荷，kW； α 为温差修正系数； F 为吊顶壁面散热面积，m 2 ； K 为吊顶壁面传热系数，kW/（m 2 ·℃）； t i 为室内计算温度，℃； t o 为室外计算温度，℃。
根据数据中心机房内不同装机率下的出风温度，利用焓差实验台模拟热回收模块在4种不同出风温度下的换热效果，并对热回收模块性能进行分析。
不同装机率下热回收换热器的热量回收情况如图9所示。随着数据中心机房装机量的增加及回风温度的升高，热回收模块的换热量有了显著增加，并且在装机率为100%时达到峰值264.78 kW，而回风出口温度为26.9 ℃，在回收大量热量的同时，也对数据中心机房回风进行了有效的预冷，结合蒸发冷却空调可将空气处理到机房要求的温度范围内。而乙二醇水溶液出口温度最高可达到20 ℃，基本满足了余热回收的热量需求，有效降低了水源热泵能耗。
在藏区数据中心应用条件下对直接蒸发冷却空调系统与传统的风冷直膨变频空调的运行费用进行分析，并对比水源热泵系统与传统电加热器和锅炉系统的节能性。
二期工程数据中心单间机房负荷约为7 854 kW，按风冷直膨变频空调 COP 为3进行计算，经实际测试，机房直接蒸发冷却空调系统直接新风模式与直接混合模式下的功率约为722 kW，蒸发冷却模式下的功率约为474 kW。藏区当地电价较低，按0.4元/（kW·h）计算。机房直接蒸发冷却空调与风冷直膨变频空调运行电费对比如表6所示。
该项目养殖鱼池冬季热负荷约为2 159 kW，为了满足养殖鱼池的供热要求，采用水源热泵机组回收数据机房冷水系统19 ℃的冷水回水的低品位废热，为供暖区域提供60 ℃的热水，同时向数据机房提供冷量，降低数据机房冷水系统的运行功率。每生产1 kW热量，可产生约0.8 kW冷量。水源热泵热回收供暖方案需增设2台单台制热量1 300 kW的水源热泵机组及配套的水泵、管道阀门、配电等，投资估算为326.3万元。
因此，为了分析余热回收系统的节能性，对水源热泵与传统电加热器、燃料锅炉运行费用进行比较。其中，煤炭价格按1 200元/t、汽油价格按9 900元/t、天然气价格按7 430元/t计算。消耗1 t 标准煤排放的二氧化碳量约为2.6 t；消耗1 kW·h电产生约0.000 78 t二氧化碳；燃烧1 t汽油约产生2.89 t二氧化碳；燃烧1 t天然气约产生2.03 t二氧化碳。
水源热泵与电加热器及其他加热方式节能性对比分别如表7、8所示。水源热泵系统相比于传统电加热器和燃油锅炉、燃气锅炉，在运行成本上具有显著的经济性优势，燃煤锅炉虽然相对费用较低，但全年的碳排放量仅次于电加热器，与国家“碳达峰、碳中和”的发展目标背道而驰。因此从节能环保的角度，水源热泵无疑最适合在西藏实际应用。
根据表8计算可得，水源热泵热回收供暖方案运行费用较燃煤锅炉供暖方案费用降低56.8%，静态投资回收期仅为1.36 a，投资见效较快。因此，该方案在符合环保要求的基础上，具有较好的经济效益和社会效益。
1） 随着藏区数据中心单位机柜发热量的不断增大，蒸发冷却空调的供冷能力强、占地面积小、集中程度高等优点越来越突出。通过在藏区机房实地运行实测和在焓差实验室模拟实验，分析得到直接蒸发冷却空调在数据中心拥有极大的节能潜力，可以满足藏区大型数据中心的冷却需求。
2） 数据中心可持续稳定产生大量热量，采用热回收模块机组回收其热量用于养殖业供暖，同时向数据机房空调系统输出冷量，可有效提高整个数据中心的综合能源利用效率。根据理论计算，相较于传统供暖方案，数据中心热回收与水源热泵相结合的供暖方案节能性和经济性效果显著。建议在数据中心规划设计时充分考虑采用热回收方案，回收数据机房余热，变废为宝。
