1　引言

近年来，我国数据中心市场总规模高速增长，耗电量已经连续数年以超过12%的速度增长，其中，40%以上的能耗用于IT设备的散热。随着数据中心对社会资源的需求越来越多，数据中心节能已成为社会各界共识，而占据较大比例能耗的空调系统为IT设备的正常运行提供适宜的温/湿度环境，这是数据中心节能的关键所在。

PUE是评价数据中心能源效率的指标，其数值为数据中心内所有用电设备消耗的总电能与所有电子信息设备消耗的总电能之比，其值越接近于1，表明能效水平越高。截至2022年，我国在用超大型数据中心平均PUE值为1.39，大型数据中心平均PUE值为1.5。在数据中心业务需求量日益俱增且PUE较高的现状下，如何提高能源利用率，降低PUE，已成为数据中心的目标之一。

空调系统能耗占比较大，对降低数据中心的PUE至关重要。蒸发冷却利用水分汽化吸热的方式，代替或部分代替机械制冷，是降低数据中心能耗行之有效的方法，是国内外公认的节能措施之一。蒸发冷却冷水机组充分利用“干空气能”，具有能效高、运行费用低、节能环保等优势。江亿等专家综述了蒸发冷却原理，研发了间接蒸发冷却冷水机，并指出其在我国干燥地区的节能优势。姜宇光通过对比分析间接蒸发冷却空调与冷水空调的经济技术，得出间接蒸发冷却技术适宜在我国温和地区及北方电价较高地区推广的结论。王俊等专家在高湿度地区对蒸发冷却冷水机组的试验中发现，机组在干燥地区和半湿润地区应用时循环水温度降幅最大。耿志超等专家研究了蒸发冷却冷水机组制取的冷水温度与环境湿球温度和进入填料塔之前的空气湿球温度的关系。基于上述研究，本文对不同地区数据中心应用间接蒸发冷却冷水系统和常规水冷冷水机组空调系统进行节能和经济分析，探究蒸发冷却技术的节能效果及其适合应用的地区。

2　概述

2.1　数据中心主要冷却系统

数据中心机房设备发热主要为显热负荷，且其设备发热量大，即使室外温度较低，数据中心机房仍需要全年不间断制冷。利用冷水制冷的系统按照其冷凝方式的不同，可以分为风冷冷水系统、水冷冷水系统和蒸发冷却冷水系统。

带自然冷却的风冷冷水系统，主机设置于建筑屋面或室外，机组将制冷压缩和自然风冷冷却集成于一体，室内制冷管路采用闭式循环水系统，耗水量较小，可以解决缺水和防冻的问题。

水冷冷水机组空调系统示意如图1所示。该系统采用水冷主机压缩制冷与冷却塔间接利用自然冷源相结合的方式，形式为“水冷主机+水泵+板式换热器+冷却塔”，需要设置单独的制冷机房，其管路系统和维护均比较复杂。

图1　水冷冷水机组空调系统示意

蒸发冷却冷水系统示意如图2所示。该系统主要包括蒸发冷却冷水机组、水泵、空调末端等设备，该系统采用直接蒸发冷却加间接蒸发冷却，再加机械制冷辅助的一体机方式为空调末端提供冷水。间接蒸发冷却冷水机组可放置于屋面，节省冷源部分室内安装空间。

图2　蒸发冷却冷水系统示意

2.2　蒸发冷却技术简介

蒸发冷却技术是一种利用水蒸发吸热制冷的绿色节能技术。按照被处理空气与水接触的方式，蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却技术和间接蒸发冷却技术。按照空调载冷介质的不同，蒸发冷却空调设备可分为蒸发冷却空调机组和蒸发冷却冷水机组。

直接蒸发冷却技术是指空气与水直接接触，水分子蒸发进入空气，吸收汽化热而使空气的干球温度降低。间接蒸发冷却技术是指空气经过表面式换热器，与经蒸发冷却的水或空气进行热交换而被冷却，其极限温度能达到空气的露点温度。蒸发冷却技术原理如图3所示。

图3　蒸发冷却技术原理

蒸发冷却冷水机组原理如图4所示。该机组设置立管式间接蒸发冷却器，外界进风1经过雾化喷淋后间接冷却，外界进风2使该机组的直接蒸发冷却段获得更低的进风温度，更低温度的室外空气通过喷淋填料冷却机组回水。该机组利用蒸发冷却过程可制取和室外空气湿球温度相同温度的机组出水。

该机组优先开启直接蒸发冷却段来提供冷量（开启2 # 风机），随着室外湿球温度的升高，机组自动开启间接蒸发冷却段（开启1 # 风机和喷淋泵），机组还采用空气预冷加直接蒸发冷却方式制取冷水。冷却侧可制取低于13.5℃的出水，经1.5℃温差换热器换热，该机组可制取15℃的冷水，实现无压缩制冷。同时，蒸发冷却冷水机组内设置机械压缩补冷系统，当室外湿球温度高于13.5℃时，蒸发冷却过程无法满足制冷需求，该机组启动机械压缩补冷系统，间接蒸发冷却过程作为机械压缩补冷系统的冷却塔使用。

图4　蒸发冷却冷水机组原理

3　案例模型

本研究以贵阳某数据中心为例，分别采用水冷冷水机组空调系统和间接蒸发冷却冷水系统两种制冷系统，结合20个不同气候地区城市的气象数据，分析间接蒸发冷却技术在我国的能源利用情况，探讨该技术在我国的应用前景。

3.1　数据中心基本概况

贵阳某数据中心基本概况见表1。数据中心机房采用24台间接蒸发冷却冷水机组（机组内置压缩补冷系统），其中有3台机组为备用机，供/回水温度为15℃/21℃，单台制冷量为697kW，水量为100m3/h，额定功率为42.84kW，额定能效比 为 16.27。数据中心机房末端空调采用列间空调形式或地板下送风封闭冷通道，电池电力室、高低压配电室、UPS室等采用上送风冷水型机房专用空调。

按照相同负荷考虑冷水主机方案，冷水主机系统选用“ 3+1 ”台 1400RT 高压离心冷水主机，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔与主机一一对应。

3.2　样本机组选取

本研究选取水冷离心冷水机组和间接蒸发冷却冷水机组，按照不同样本城市的气象数据分别应用于数据中心，计算并分析间接蒸发冷却冷水机组的应用情况。

（1）水冷离心冷水机组

数据中心采用水冷离心冷水机组空调系统制冷，冷水供/回水温度设为15℃/21℃，冷却水供/回水温度设为32℃/38℃，按照本模型建筑空间条件进行冷却塔选型，选择的冷却塔在室外湿球温度8℃时可以制取13.5℃的冷却水，当室外湿球温度小于8℃时实现冷却塔免费供冷，在室外湿球温度大于13℃时采用机械压缩制冷。其他过渡季节水冷离心冷水系统切换为混合制冷模式，冷水机组与板式换热器串联运行，冷水回水经过板式换热器进行预冷，降低水温后进入冷水机组进一步冷却至供水温度。其系统运行工况如下。

① 工况一：机械制冷，室外湿球温度＞13℃，耗电功率为3998.2kW。

② 工况二：部分自然冷却，室外湿球温度为8℃ ～ 13℃，耗电功率为2910.7kW。

③ 工况三：完全自然冷却，室外湿球温度＜8℃，耗电功率为1823.2kW。

在数据中心运行过程中，电源功耗和建筑照明功耗分别为896kW和168kW，按照上述水冷离心冷水机组空调系统各工况计算，得到数据中心平均PUE。在此基础上，依据当地室外湿球温度数据，确定各样本城市数据中心应用水冷离心冷水机组的PUE。

（２）间接蒸发冷却冷水机组

间接蒸发冷却冷水系统主要存在3种运行模式。

① 当外界环境的湿球温度较低时（TS≤4.5℃），仅依靠间接蒸发冷却冷水机组中的喷淋填料与板式换热器，对机房冷水回水进行冷却，此为完全自然冷却运行模式。

② 当外界环境的湿球温度较高时（4.5℃＜TS≤13.5℃），依靠空气预冷加直接蒸发冷却的方式，间接蒸发冷却冷水机组通过换热器对机房冷水回水进行冷却，此为预冷型完全自然冷却运行模式。

③ 当外界环境的湿球温度很高时（TS＞13.5℃），采用机械压缩制冷，此为完全机械制冷运行模式。

间接蒸发冷却冷水机组在不同室外湿球温度下的空调总功耗见表2。机组可在湿球温度低于13.5℃时，启用数据中心全负荷无压缩制冷，当湿球温度高于13.5℃时，启用机械压缩制冷系统。按照PUE计算方法，结合间接蒸发冷却冷水系统各工况运行时长，确定各样本城市数据中心应用间接蒸发冷却冷水机组的平均PUE。

3.3　样本城市选取

    依据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中热工设计分区，一级区划将全国划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。选取各分区代表城市作为样本，样本城市见表3。基于各样本城市的气象数据，进一步探究间接蒸发冷却冷水机组在我国不同地区的数据中心的应用情况。

按照两种冷水机组不同运行工况的适用条件，查询相关气象数据，得出各地不同湿球温度范围的时长，即可得到两种冷水机组在各样本城市应用时不同的运行工况，两种冷水机组各工况运行时长如图5所示。在我国严寒地区应用水冷离心冷水机组时全年利用自然冷时长平均可达到5273h，应用间接蒸发冷却冷水机组时全年利用自然冷时长平均可达到7398h，而在深圳几乎无法利用自然冷却。

图5　两种冷水机组各工况运行时长

4　结果与分析

数据中心分别应用两种制冷系统，通过对比各样本城市数据中心的PUE和能耗情况，并结合间接蒸发冷却技术在数据中心应用的特点，分析间接蒸发冷却技术在节能和经济效益方面的优势及其在我国适宜应用的地区。

4.1　节能性分析

本研究统计了不同样本城市数据中心应用水冷离心冷水机组系统和间接蒸发冷却冷水系统的PUE及二者的差值。整体来看，制冷系统在我国严寒地区、寒冷地区数据中心的PUE基本低于温和地区年平均温度较高的城市的PUE，这客观说明了制冷系统的能耗受当地温度的影响较大。

两种制冷系统的PUE可以反映该城市应用间接蒸发冷却冷水系统相较于水冷离心冷水机组空调系统的节能潜力。间接蒸发冷却冷水系统与水冷离心冷水机组空调系统PUE值对比如图6所示，图6中呼和浩特、兰州、乌鲁木齐、西宁应用间接蒸发冷却冷水系统的PUE降低值分别为0.053、0.056、0.055、0.056，结合我国西北地区干燥缺水的气候特征，证明在“干空气能”充足的西北地区应用蒸发冷却技术节能效果明显。我国云贵地区海拔较高，属亚热带季风气候，可利用间接蒸发冷却的中低温时间较长。贵阳、昆明、重庆应用间接蒸发冷却冷水系统的PUE降低值分别为0.046、0.054、0.042，因此，该地区利用蒸发冷却技术同样具有良好的节能效果。

图6　间接蒸发冷却冷水系统与水冷离心冷水机组空调系统PUE值对比

自然冷源利用时长对PUE的影响如图7所示，图7（a）展示了各样本城市的间接蒸发冷却冷水系统PUE与蒸发冷却利用时长的线性相关性，通过拟合可以看出二者呈负相关关系，即蒸发冷却利用时间越长，PUE越低，数据中心越节能。图7（b）整合了各样本城市两种制冷系统利用自然冷源的时长差值及其对应的PUE差值，基本呈现时长差值越大，PUE差值越大的趋势，其中，昆明的自然冷源时长差比深圳长1614h，其PUE差值比深圳大0.032。因此，间接蒸发冷却冷水系统增加的自然冷却时长即为该技术的节能潜力时间，湿球温度在8℃ ～ 13.5℃的时长可作为判断当地应用间接蒸发冷却冷水系统节能空间的依据。

图7　自然冷源利用时长对PUE的影响

4.2　经济性分析

投资回收期可反映制冷系统的应用合理性，作为判断其节能效果的重要依据。通过计算得出，该模型应用间接蒸发冷却冷水系统比水冷离心冷水机组空调系统增加1201.2万元初投资，投资估算见表4。如果设定投资回收期为5年，则每小时节约电量应大于548kW·h，所对应的PUE降低值应在0.049以上，可证明间接蒸发冷却冷水系统具有明显的节能优势。结合图6中PUE为0.049基准线可以看出，就本文所给样本城市而言，呼和浩特、昆明、兰州、乌鲁木齐和西宁的数据中心应用间接蒸发冷却冷水系统可在5年内收回成本。

按照各样本城市数据中心运行工况分别计算两种制冷系统的耗电量，间接蒸发冷却冷水系统的年耗电量比水冷离心冷水机组空调系统节约百分比如图8所示。在呼和浩特、昆明、兰州、乌鲁木齐和西宁的数据中心应用间接蒸发冷却冷水系统的年耗电量均可节约20%以上，其中，在西宁可节约27%左右的耗电量，而在深圳制冷系统节约耗电量均在8%以下，这与图6中PUE降低值的分布趋势相对应。

就本文所给的样本城市而言，间接蒸发冷却冷水系统的年耗电量比水冷离心冷水机组空调系统的年耗电量平均节约16.9%。其中，北方地区应用间接蒸发冷却冷水系统耗电量可平均节约19.2%，而南方地区可平均节约14.0%。从我国热工设计分区来看，严寒地区应用间接蒸发冷却冷水系统耗电量节约百分比最高，可达到22.8%；温和地区次之，可节约18.8%；夏热冬暖地区最低，仅为9.8%。

4.3　不同冷水供水温度对能耗的影响

本节通过控制间接蒸发冷却冷水系统的冷水供水温度，分析不同冷水供水温度对系统耗电的影响。冷水供水温度的变化会影响各工况适用的湿球温度的范围，为了便于计算，假设冷水供水温度升高1℃，各工况对应的湿球温度范围升高1℃。例如，当冷水供水温度为15℃时，冷水机组可在TS≤13.5℃时利用蒸发冷却，当冷水供水温度提高至16℃时，冷水机组利用蒸发冷却的范围提高至TS≤14.5℃。

基于上述假设，根据间接蒸发冷却冷水系统冷水供水温度确定各工况的运行时长，计算系统耗电量并做出对比，选定冷水供水温度区间为10℃ ～ 15℃，以冷水温度10℃为基准，每提升1℃间接蒸发冷却冷水系统年耗电量节约百分比如图9所示。例如，在贵阳应用间接蒸发冷却冷水系统时，冷水供水温度设定为11℃的系统耗电量比10℃的节约3.21%，冷水供水温度为12℃的系统耗电量比10℃的节约7.03%。结果显示，冷水供水温度每提高1℃，间接蒸发冷却冷水系统年耗电量平均节约3.83%，其中，云贵地区平均节约4.81%，新疆、甘肃、青海、内蒙古等干旱地区平均节约5.61%。因此，间接蒸发冷却冷水系统在西北干旱地区应用具有更大的节能应用空间。

图9　每提升1℃间接蒸发冷却冷水系统年耗电量节约百分比

5　结论

本文通过设备选型分别建立不同制冷系统模型，对不同样本城市的数据中心应用间接蒸发冷却冷水系统和水冷冷水机组空调系统进行节能和经济分析，得出以下结论。

自然冷源利用时间越长，制冷系统耗电量越低，数据中心PUE也越低。根据本项目所在地区的气候条件和项目建设条件，本文选择的间接蒸发冷却冷水系统比水冷冷水机组空调系统利用自然冷源时间长，更具节能优势。但单台间接蒸发冷却冷水机组的制冷量相对于水冷冷水机组的制冷量较小，配置数量多于水冷冷水机组。间接蒸发冷却冷水机组可放置于屋面，其冷源部分占用建筑室内空间相对较小。

根据本项目所在地区的气候条件和项目建设条件，把湿球温度在8℃ ～ 13.5℃的时长作为本模型间接蒸发冷却冷水系统节能潜力时长，其可用于评判该模型的节能潜力。

本模型选择的间接蒸发冷却冷水系统的冷水供水温度自10℃起每提高1℃，系统年耗电量可平均节约3.21%。通过对比不同地区冷水供水温度对系统能耗的影响，发现间接蒸发冷却冷水系统在西北干旱地区应用具有更大的节能潜力。

从综合节能和经济效益的角度，我们可以认为在云贵地区和西北地区较为适合应用间接蒸发冷却冷水系统。

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