摘要

　　間接蒸發冷卻技術以支持快速交付、分期部署、高能效水平等優勢特點，廣泛應用于國內外數據中心項目。但應用過程中，仍需面對建筑外立面耦合、直膨式（DX）補冷比例高低與IT設備容量產出強相關、連續制冷實現、換熱芯體結垢和結露等設計、建造、運營維度的諸多問題與挑戰。

 

　　關鍵詞

　　數據中心；間接蒸發冷卻（IDEC）；電能利用效率（PUE）；主機托管服務（COLO）；制冷負載系數（CLF）

 

　　作者  

　　陳聰1  葛林2

　　（1.國網思極紫光（青島）云數科技有限公司；2.萬國數據服務有限公司）

 

　　隨著云計算、人工智能（AI）、大數據、無人駕駛與5G等數字經濟技術應用的快速迭代與繁榮發展，對數據中心（或邊緣數據中心）等新型基礎設施的需求愈發旺盛。但不可否認的是，數據中心的快速增長在碳中和、碳達峰背景下將面臨一系列挑戰，如何實現數據中心高能效水平的設計、運營，達到減排、減碳的目標，是行業面臨的難題。

 

　　電能利用效率（power usage effectiveness,PUE）是一種較為直接的用來客觀量化數據中心能效水平的評估指標，被行業機構、運營商、第三方中立數據中心等廣泛采納。PUE可簡單劃分為IT設備基準耗電比（其值為1）、制冷負載系數（cooling load factor,CLF）、供電負載系數（power load factor,PLF），而供電負載系數受制于供電系統架構固化、IT設備負載率水平等因素的影響，其能效治理的難度較大、空間相對有限。在IT負載率相對平穩的條件下（如超過40%水平），制冷負載系數與制冷系統型式、室外氣象條件、運營管理水平等因素強相關。

 

　　數據中心制冷系統比較典型的應用型式有冷水系統、風冷氟泵系統等，且近幾年來，伴隨預制化建造模式的逐步成熟與快速交付的迫切需求，間接蒸發冷卻（indirect evaporative cooling，IDEC）的制冷型式在行業互聯網客戶、第三方定制化數據中心項目中也得到了大量應用。間接蒸發冷卻技術作為一種迭代更新的新技術，在特定區域應用具有高能效、低耗水、低成本等諸多優勢，但在設計、建造、運營過程仍然會面對諸多問題與挑戰。

 

　　文獻已對間接蒸發冷卻系統的應用特點、節能性、經濟性等問題進行了深入研究。本文旨在通過對間接蒸發冷卻技術路徑與應用案例簡述，結合筆者設計與運營的項目經驗，多維度總結間接蒸發冷卻技術應用的優勢及應用中面臨的問題挑戰與思考等，以供參考。

 

　　02、間接蒸發冷卻技術原理與路徑

　　蒸發冷卻技術是基于空氣與水的直接接觸、以兩者間的水蒸氣分壓力差與溫差為驅動力、利用水蒸發吸熱進行制冷的綠色節能技術。按照被處理空氣與水的接觸方式的不同，蒸發冷卻一般可分為直接蒸發冷卻與間接蒸發冷卻。

 

　　間接蒸發冷卻是二次側工作空氣與循環水在換熱芯體的濕通道內直接接觸，等焓降溫后具備冷卻能力，一次側的使用空氣流經換熱芯體的干通道時僅被冷卻而不被加濕，2種工作介質通過換熱芯體進行換熱，從而達到對一次側使用空氣進行等濕降溫的效果。應用于數據中心場景時，間接蒸發冷卻設備的工作空氣多為室外新風，使用空氣多為數據機房內的熱回風，以兩者的溫差為驅動力，通過換熱芯體間壁的熱傳導將數據機房內IT設備的熱量傳遞給室外側空氣，不足部分通過設置輔助機械補冷滿足送風溫度要求，從而實現數據機房制冷的目的。

 

　　間接蒸發冷卻設備的核心部件為換熱芯體，按照換熱芯體內一次側空氣的流向與流道分布結構的不同，可分為板翅式、管式、板管式等型式。數據中心間接蒸發冷卻設備換熱芯體以板翅式、管式應用居多，而無論采用哪種型式，均有2個互不連通的空氣流道，借助通道的間壁冷卻數據機房回風。

 

　　圖1為一種典型的基于板翅式換熱芯體的間接蒸發冷卻設備原理圖，室外新風流過經水噴淋（或高壓微霧）浸潤的濕通道，與其內附著的水膜進行熱濕交換等焓降溫后，再通過換熱芯體間壁吸收數據機房回風的熱量，最后排至室外環境。數據機房回風流過換熱芯體的干通道，進行等濕冷卻后重新送入數據機房。

　　雖然數據中心項目采用間接蒸發冷卻技術是出于節能等因素考慮，但數據中心業務的可靠性、可用性要求高，僅采用空氣-空氣換熱很難在全壽命周期內所有工況下提供足夠的冷卻能力。因此，基于數據中心所在地室外氣象參數、機房送回風溫度等參數，間接蒸發冷卻設備通常會設置一定比例的補冷措施。補冷措施有風冷直膨式（direct expansion，DX）、水冷盤管式（chilled water，CW）等，但水冷盤管通常需額外配置冷源，不僅占地面積大、增大投資，還會面臨表冷器盤管冬季防凍等難題，而風冷直膨式具有配置靈活方便、安全可靠、成本低等優勢，因此大量應用于間接蒸發冷卻設備的機械補冷系統，如圖1所示。

 

　　1.2、間接蒸發冷卻設備運行模式

　　間接蒸發冷卻設備以自然冷卻為主，機械補冷系統為補充，其主要運行模式可分為干模式、濕模式和混合模式3種。以北京為例，結合數據機房服務等級協議（service level agreement，SLA）送/回風溫度（25 ℃/38 ℃）、IDEC設備效率（干模式60%，濕模式70%）、極端濕球溫度（ASHRAE極端濕球溫度20年重現期值30.9 ℃）、典型氣象年室外逐時參數等，進行3種模式的切換溫度推演，進而測算間接蒸發冷卻系統全年平均PUE值。

 

　　忽略一次、二次空氣風量差異，由顯熱交換效率公式進行計算：

　　式中 ηIDEC為芯體的換熱效率；tra為一次側回風溫度，℃；tsa為一次側送風溫度，℃；tb為二次側空氣溫度，干模式為干球溫度tdb，濕模式為濕球溫度twb，℃。

 

　　干模式：將送/回風溫度、干模式效率代入式（1），計算得出tdb=16.3 ℃。即室外干球溫度低于16.3 ℃時，間接蒸發冷卻設備可干模式運行。

 

　　濕模式：將送/回風溫度、濕模式效率代入式（1），計算得出twb=19.4 ℃。即室外干球溫度高于16.3 ℃且濕球溫度低于19.4 ℃時（非極端濕球溫度場景，逼近度按0 ℃考慮），間接蒸發冷卻設備可濕模式運行。

 

　　機械補冷：將回風溫度、極端濕球溫度、濕模式效率代入式（1），計算得出tsa=33 ℃。要求送風溫度達到25 ℃，送風由33 ℃降溫至25 ℃需由機械制冷處理，機械補冷比例χDX=（33.0 ℃-25 ℃）/（38 ℃-25 ℃）×100%=61.5%。

 

　　較高的DX補冷比例會影響IT設備容量產出（詳見后續章節分析）。通過以上分析計算可知，該假定條件下，數據中心間接蒸發冷卻設備的運行模式切換溫度如表1所示。

　　查閱《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中北京典型氣象年室外逐時干濕球溫度，可知干球溫度低于16.3 ℃運行干模式的時長為5 052 h，干球溫度高于16.3 ℃且濕球溫度低于19.4 ℃運行濕模式的時長為1 989 h，濕球溫度高于19.4 ℃運行混合模式的時長為1 719 h。結合各模式運行時長與耗電功率，可推算出間接蒸發冷卻系統年均CLF值在0.095～0.110之間。與典型冷水系統實際運營年均CLF值0.168（SLA冷通道溫度25 ℃）相比，僅從能耗角度考量，間接蒸發冷卻技術具備較高能效水平，可有效降低數據中心年均PUE值。

 

　　1.3、國內外數據中心間接蒸發冷卻應用案例

　　歐洲、美國等國外地區的數據中心項目應用了較多的間接蒸發冷卻技術，尤其是北歐地區，呈溫帶海洋性氣候，全年最高干球溫度僅26 ℃左右，較為激進的項目甚至取消機械補冷等措施。國內近年來采用間接蒸發冷卻技術的項目以互聯網或云計算公司自建項目居多。國內外數據中心間接蒸發冷卻應用案例、設備廠商，以及換熱芯體型式、材質、噴淋方式等匯總見表2。

　　02、數據中心間接蒸發冷卻技術應用的優勢

　　2.1、支持快速交付、分期部署

　　數據中心服務于上層業務應用，當某項應用存在爆發性增長時，用戶側的訴求即為數據中心基礎設施快速建設與交付，滿足業務快速部署和上線需求。間接蒸發冷卻設備作為一種融合自然冷卻、機械補冷，高度集成控制模式的預制化產品，可按需設置、分期部署。既能滿足快速交付需求，也能很好地規避常規冷水系統較強的工程屬性，實現縮短建造、安裝周期等目的。

 

　　2.2、高能效水平

　　前已述及，PUE可作為一種較為直接的評估指標來客觀量化數據中心能效水平。此外，水利用效率（water usage effectiveness，WUE）可表征為數據中心水利用效率的指標，其值為數據中心內所有用水設備消耗的總水量與所有電子信息設備消耗的總電能之比。

 

　　間接蒸發冷卻技術的應用區域已逐步從西北、東北等區域逐步向東南區域擴展，在數據機房送風溫度貼近A1級推薦值（classes A1 recommended）上限時，可充分利用自然冷源，相比于傳統水冷系統有明顯的節電、節水優勢。以北京、上海和深圳某數據中心模型為例，間接蒸發冷卻與傳統水冷方案的PUE與WUE對比數據如表3所示。從對比結果來看，間接蒸發冷卻方案的CLF值和WUE值均大幅低于傳統水冷系統方案。

　　2.3、經濟優勢

　　從全壽命周期考量，經過近幾年的快速發展和行業項目應用落地，國內間接蒸發冷卻設備的造價大幅下降，其投資相較于同等配置、冗余條件的傳統水冷系統低20%左右，10年總擁有成本（total cost of ownership，TCO）則低27%左右。

 

　　2.4、降低運維難度

　　間接蒸發冷卻設備是高度集成的盒化產品，通過預置控制邏輯、傳感器等實現設備狀態監測、自動模式切換、機房級設備群控等，降低對運維人員的技術要求。與傳統水冷系統相比，設備維護種類與工時可大幅削減，整體來看對運維環節是比較有利的。

 

　　03、數據中心間接蒸發冷卻應用中

　　面臨的問題與思考

 

　　3.1、設計維度

　　3.1.1 間接蒸發冷卻設備與外立面耦合問題

　　間接蒸發冷卻設備與數據機房外立面強耦合，對既有建筑適配性難度較大，適合于大平層新建項目，且應用于新建多層項目時，設備二次側進出風氣流組織、維護通道、排風管道等需結合間接蒸發冷卻設備特征進行重點考慮，否則極易出現氣流組織短路、產生熱島效應等問題。

 

　　此外，因行業廠商的設備特征參數如進出風口位置與尺寸、設備質量與尺寸差異性極大，在項目規劃設計階段，需梳理所有候選設備廠商的關鍵性參數，但很難形成一致性條件使大部分設備入圍以滿足公開招標要求。故設計方案需綜合考慮不同廠家的設備參數，配置合理的混風箱或按特定技術要求進行設計，待中標廠商確定后，以固化的設備參數、基礎等提資條件深化圖紙滿足施工要求。

 

　　3.1.2 DX比例高低與IT設備容量產出關聯問題

　　數據中心項目市電容量相對固化，主機托管（COLO）型數據中心項目IT設備容量產出的高低直接影響項目收益率，也即低于IT設備容量產出限制值時經濟性惡化。

 

　　以20 000 kV·A市電容量2N架構為例，設計PUE值為1.395，功率因數為0.9，IT設備容量產出為6 450 kW。常規水冷系統冷源部分性能系數按5.0、末端水冷精密空調性能系數按16.0考慮，則設計CLF值約為0.34。同等冗余條件下，間接蒸發冷卻設備按單臺制冷量250 kW、EC風機與噴淋泵等功率按42 kW、壓縮機性能系數按3.5、輔助用房氟泵空調性能系數按4.0考慮，則可推導出間接蒸發冷卻設備DX補冷比例平衡值約為40%。即在市電容量固化的條件下，DX比例高于40%時，則會劣化IT設備容量產出。

 

　　3.1.3 連續制冷實現問題

　　GB 50174—2017附錄A明確A級數據中心對連續制冷時間要求不應小于不間斷電源設備的供電時間，通常柴油發電機組作為后備電源時，不間斷電源系統電池供電時間不短于15 min。前已述及，機械補冷的型式有風冷直膨式和水冷盤管式，水冷盤管式需要適配一套冷源系統，通常不予考慮。目前，間接蒸發冷卻設備通常會對室內外EC風機、噴淋泵及控制器等分別提供市電和不間斷電源，確保其對應部件連續運行。對壓縮機一般提供兩路電源，而為滿足連續制冷，是否按壓縮機容量100%或50%（亦或者不考慮連續制冷）配置不間斷電源，通常需結合業務需求、SLA溫度條件、DX配電增加成本等因素綜合確定。

 

　　3.1.4 實現高能效潛在制約因素

　　間接蒸發冷卻技術比較適用于干濕球溫差大、干燥的地區，且需配合數據機房較高的送/回風溫度。當送/回風溫度趨近于A1級推薦值上限區或A1級允許值（classes A1 allowable）中下區時，設備綜合能效比較高，否則能效數據與常規水冷方案相比優勢較難體現。

 

　　3.1.5 換熱芯體材質與處理水質要求標準差異化問題

　　行業各廠商設備采用的芯體材質型式存在差異，金屬芯體與高分子芯體對水質的要求不同，如表4所示。根據芯體材質，結合項目所在地原水水質選擇合適的水處理方式。通常，金屬芯體對水的硬度和氯化物含量要求較高，需要采用反滲透水；高分子芯體防腐性能好，只對水的硬度有明確要求，需要采用軟化水。因此，在規劃設計階段，設備難以固化，對水質的處理工藝流程較難歸一化處理。

　　3.1.6 應用于COLO型數據中心難度極大

　　規劃設計階段建筑布局明確時，每個數據機房的間接蒸發冷卻設備數量與尺寸也相對固化。此時，數據機房總制冷量與所在地室外氣象參數和冷熱通道溫度有關，而關鍵的影響參數為一次側送回風溫度。若后續進駐客戶要求SLA溫度明顯低于規劃設計工況，容易造成數據機房電力、制冷容量規劃與實際使用需求錯位，變相影響商務成本。

 

　　以1.2節計算模型為例，以單臺間接蒸發冷卻設備制冷量為基準，設備尺寸、壓縮機配置相對固化時，若送風溫度調低至22 ℃，機械補冷比例由61.5%提升至77.9%，間接蒸發冷卻設備的制冷能力則減少16%左右。

 

　　因而，以客戶需求為導向的COLO型數據中心項目，在客戶需求未明確時，兼顧數據機房的靈活性、可擴展性、彈性等因素，很難主動應用間接蒸發冷卻技術方案，故往往以客戶高度定制化項目應用居多，這與國內間接蒸發冷卻應用案例匯總結果一致。

 

　　3.2、建造維度

　　在建造環節，應重點關注間接蒸發冷卻設備配套風管與外立面墻體銜接處的密閉性。該處密閉性的優劣，不僅影響機房氣體滅火防護區密閉的有效性（數據機房采用預作用滅火系統時則不受影響），還直接影響機房的氣密性。若處理不佳，將增加機房溫濕度、潔凈度控制難度，還存在雨水從外立面進入機房環境的風險。故需在土建建設時預留好穿墻風管的預埋件，便于設備與外墻銜接處密封處理。

 

　　3.3、運營維度

　　3.3.1 數據機房氣流組織問題

　　間接蒸發冷卻設備單體制冷量通常在200 kW以上，與水冷型或風冷型精密空調末端相比較大，因而其循環風量也較大，對應單體設備的循環次數變大，導致其故障時影響的范圍同步擴大，同時機房溫度場與速度場的變化也更劇烈。

 

　　此外，過渡季室外氣象參數變化較快，間接蒸發冷卻設備濕模式與混合模式切換時，因壓縮機的啟停受控制時間、冷量加載速度、油壓等因素影響，再疊加較高換氣次數，間接蒸發冷卻設備送風溫度波動明顯。機柜服務器端進風溫度同步變化，進風溫度高低影響服務器風扇轉速，進而機房速度場也產生波動。

 

　　3.3.2 芯體維護與結垢等問題

　　間接蒸發冷卻設備換熱芯體結垢主要歸因于水質、芯體材料和運行環境等方面。

 

　　水盤內循環水在噴淋過程中不斷蒸發濃縮，濃縮倍數的增大使得換熱芯體濕通道側壁上微溶性碳酸鹽類水垢附著概率增大，因而補充水質處理工藝及循環水電導率、pH值等指標的控制至關重要，勿壓減成本多機共用傳感器，應一機專用。

 

　　換熱芯體材料的表面能、粗糙度、親水性等方面對結垢有著重要影響。表面能越大，濕通道側壁面與水垢親和力越大，水垢穩定性越強；粗糙度越大，越容易結垢；濕通道側壁換熱材料親水性越差，越容易結垢。

 

　　間接蒸發冷卻設備二次側循環水與大氣直接接觸，而室外新風中的粉塵、灰塵等固體顆粒物易導致水盤產生黏泥或微生物聚集，高濃縮倍數循環水進而導致芯體結垢，影響換熱效率。芯體的清洗維護操作難度極大。

 

　　3.3.3 室外極寒條件下芯體結露問題

　　數據機房低負荷疊加極寒室外氣象條件時，冷備間接蒸發冷卻設備換熱芯體一次側內部通道容易結露/冰，劣化數據機房內濕度條件。換熱芯體二次側的通道側壁與一次側較高溫度空氣接觸，存在結露/冰的可能，進而間接蒸發冷卻設備冷凝排水路徑存在結冰的可能。間接蒸發冷卻設備一次側回風路徑上存在內壁結冰的可能，設備殼體鈑金拼接處存在冷橋，保溫性能差時同樣會結冰。間接蒸發冷卻設備芯體存在質量問題時，不僅影響氣密性，導致漏風，更易導致一次側回風的冷凝水在低處聚集，進而通過漏點流至室外二次側的設備水盤而結冰。

 

　　3.3.4 間接蒸發冷卻設備二次側進風路徑清理問題

　　春季時楊柳絮等頻發，間接蒸發冷卻設備二次側進風路徑粗效過濾網極易被堵塞，維護工作量大且易導致設備噴淋側頻繁故障報警。需考慮設置降低維護難度的電動清掃措施。

 

　　3.3.5 間接蒸發冷卻設備邏輯優化問題

　　間接蒸發冷卻設備的模式切換與節能控制邏輯通常由廠家預置，但運營應用階段，需結合數據機房負載、環境條件等因素調節比例、積分、微分的預設參數，以匹配調優送風溫度與室外環境擾動的調整響應速度、震蕩等問題。但隨著間接蒸發冷卻設備硬件的差距越來越小，硬件節能空間有限，因此借助AI智能算法，實現間接蒸發冷卻設備與上層服務器進風溫度聯動按需制冷，結合配置、環境擾動等關聯因子實時動態調節間接蒸發冷卻設備間協同、模式尋優等智能控制策略是未來發展趨勢。

 

　　3.3.6 設備供應商平均修復時間管理問題

　　間接蒸發冷卻設備對運維人員技術能力要求降低，但反而增強了對設備供應商的依賴，平均修復時間（mean time to repair，MTTR）等管理難度加大，且項目通常選址于二、三線城市，往往需要設備供應商派維護人員駐場解決設備突發故障問題。

 

　　05、結語

　　間接蒸發冷卻技術以支持快速交付、分期部署、高能效水平、TCO低等優勢特點，在國內外數據中心項目中得到較多地應用。但應用過程中，仍需面對間接蒸發冷卻設備與建筑外立面適配耦合、DX補冷比例高低與IT設備容量產出強相關、連續制冷實現、換熱芯體結垢和結露、水質處理、間接蒸發冷卻設備邏輯優化等設計、建造、運營維度的諸多問題與挑戰。技術本身存在多面性，從不同角度考量，結合多方需求進行評估，在合適的環境條件下選擇適合的技術路線才是最佳的。