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数据中心间接蒸发冷却技术白皮书（中数智慧信息技术研究院2019年5月）

2.23蒸发冷却Evaporative Cooli

23蒸发冷却EvaporativeCooling

空气经过直接蒸发冷却和间接蒸发冷却的复合过程而被冷却，

NY/T 2635-2014 苎麻纤维拉伸断裂强度试验方法3.1数据中心工艺特点

3.1.1可靠性要求高

3数据中心工艺和能耗特点

数据中心工艺和能耗特点

数据中心等级划分的原则

数据中心主机房环境的要求

3.1.2 功率密度高

（1）IT设备功能越来越强劲，虚拟化技术的应用，随之而来的是用电功率 密度越来越高。数据中心设备机柜平均功率密度由以前的2kW/机柜，提高到现 阶段的68kW/机柜，在某些特别的数据中心，如互联网行业的整机柜布署数据 中心和超算中心，平均功率密度高达20～50kW/机柜。 （2）数据中心的极高的功率密度是其区别于一般工业和民用建筑的一个显著 特点，也是衡量数据中心规模的重要指标，面积已不再做为主要指标，单位面积 的供电和制冷能力成为一个标尺。机柜数量*单机柜功率密度，才是衡量数据中 心规模的重要指标，

3.2数据中心能耗特点

3.3空调系统能耗特点

下图为一个典型的数据中心能耗的分布情况，PUE为1.92，IT设备占52%， 是最大的能耗设备；空调的能耗占38%，在非IT设备里占据绝大部分比例。数 据中心如果要降低能耗费用，减少碳排放，在无法升级IT设备时，空调系统是 首先需要考虑的。空调系统的节能是数据中心节能的核心，也是降低数据中心能 源消耗的重要途径，是数据中心节能潜力最大的环节。可以说，数据中心的PUE 是否能降低到合理水平，主要取决于空调系统的能耗

在1.3左右的数据中心能耗典型分布为下

数据中心能耗分布PUE=1. 3

提高空调系统的能效，降低能耗，不但可以降低能源费用，而且可以有更多 的电力来支持IT设备，可以在相同的电力供给情况下安装更多的IT设备

4数据中心空调技术发展趋势

进入21世纪，数据中心呈现出日新月异的高速发展态势，低碳化、虚拟化、 模块化成为数据中心发展的必然要求，伴随着数据中心的高速发展，在保障高可 用性的基础上，数据中心空调系统设计的可用性、绿色节能、动态冷却、高密度 制冷是未来的发展趋势

数据中心对可用性的要求远远高于普通的商业楼宇，空调系统同样如此。目 前对可用性的要求一般为A级或B级，需要空调系统有余设计，出现故障要有 应急方案。传统的分散式空调系统可用性比较高，设置穴余后，单台机组不会影 响数据中心的正常运行

在新型数据中心的建设中，“按需制冷”、“动态制冷”也成为数据中心冷 却方案中一项很重要的评价标准。所谓“按需制冷”指的是数据中心空调的冷量 输出是伴随着IT热负荷的变化而变化，是一个动态的、可调节的输出。 数据中心虚拟化的发展使得服务器等设备的发热量会有更大波动，包括不同 时间以及不同空间的变化。机房内不同的IT设备所需的冷却温度是不同的，甚 至不同年代的同类型设备所需的冷却温度也不同。这就相应地要求制冷系统适应 这种趋势，要能提供动态的制冷方案，满足不同时间和不同空间的需求。因此， 动态制冷更能适应虚拟化需求。 目前，动态制冷主要应用的技术有风量智能调节技术，变容量压缩机技术， 智能控制系统等。采用动态智能制冷技术就是为了区别对待数据中心机房中不同 设备的冷却需要。动态智能冷却技术通过建置多个传感器群组的感应器来监控温 度根据散热需求针对性地动态供应冷却气流，其风量大小可以根据需要随时调节 从而达到节能目的。 冷源的利用率的提升也是提高数据中心冷却效率的另外一个重要途径，并被 业界所重视。在气流组织优化方面，从地板送风、风道送风等有组织送风方式， 到当前的机柜送风、封闭通道方式的运行，甚至更前沿的针对机柜、芯片、散热 元件的定点冷却方式在逐步应用

随着数据中心单位用电量不断增加，机房的发热量越来越高，而高功率密度 机架服务器、刀片服务器等高热密度设备的应用，造成机房的单个机柜功耗不断 提高，单位面积热量急剧上升，因此高热密度的机房一些问题逐渐涌现出来。 经过大量的实验验证发现，当单个机柜（服务器）的热负荷过高时，如果还 是采用传统方式的机房专用空调来解决，就会造成以下问题：1）机房环境温度 控制得不理想，会有局部“热点”存在；2）由于设备需要通过大量的循环风来 带走如此多的热量，采用传统的机房空调系统会占用大量的机房空间。上送风机

国各区域空气环境参数对比分析

5.1主要空气环境参数

干球温度是从暴露于空气中而文不受太阳直接照射的干球温度计上所读取 的数值。它是温度计在普通空气中所测出的温度，即我们一般天气预报里常说 的气温。不同于湿球温度计，干球温度计的温度在与当前空气中的湿度值无 关。

湿球温度是指同等焰值空气状态下，空气中水蒸汽达到饱和时的空气温 度，在空气焰湿图上是由空气状态点沿等恰线下降至100%相对湿度线上，对应 点的干球温度。通俗来讲，湿球温度就是当前环境仅通过蒸发水分所能达到的 最低温度。

5.1.3室外参数设计值

空气参数，ASHRAE所提供的空气参数极值一般大于GB50019和GB50736附录所 提供的空气参数极值，从而建议采用2017ASHRAEHandbookFundamental提供 的气象参数进行数据中心空调设计

5.2基于数据中心的气候分类

数据中心空调有多种不同的形式，每种形式有其适用的地理环境。基于数 据中心空调设计的需要，对全年各地气候进行分类。《民用建筑热工设计规范》 根据全国各地地区最冷月和最热月平均温度对全国气候进行了分类。数据中心 可根据各区全年逐时空气参数在焰湿图上的分布进行气候分类，可将全国各区 划分为高温高湿地区，中温中湿地区和低温低湿地区

5.2.1高温高湿地区

5.2.2中温中湿地区

5.2.3低温低湿地区

5.3空气环境参数对比分析

室外空气参数对数据中心能耗的影响主要体现在空调系统的自然冷却时 间，一般而言，同种带自然冷却的空调系统，自然冷却时间越长，空调系统越 节能。本小节将以间接蒸发冷却空调系统与数据中心传统空调系统的全年自然 冷却时间为线索，进行全国各地区空气环境参数分析

5.3.1基于间接蒸发冷却技术空气环境参数对比分析

2）中国间接蒸发冷却自然冷却地图

在中国东南部地区采用间接蒸发冷却空调，自然冷却时间一般小于6000小 时，而在中国西北地区自然冷却时间能达到8000小时以上，在部分地区甚至全 年都处于自然冷却状态。

2基于传统空调技术空气环境参数对比分机

数据中心传统空调技术采用水侧自然冷却，自然冷却时冷冻水通过板式换 热器与冷却水换热，从而使冷冻水到达供水温度要求

中国水侧自然冷却地图

在中国东南部地区采用传统空调方案，自然冷却时间一般小于4000小时， 王西北地区自然冷却时间能达到6000小时以上。

中国东南部地区，间接蒸发冷却空调的自然冷却时间比传统空调水侧自然 冷却的自然冷却时间全年大约多出2000小时左右。北京、天津、河北和山东等 地区，间接蒸发冷却空调的自然冷却时间比传统空调的自然冷却时间大约多出

1000一2000小时左右。中国西北部地区，间接蒸发冷却空调的自然冷却时间比 传统空调的自然冷却时间大约多出1000小时左右。当送风温度降低，或送风温 差减小，各自然冷却方式的自然冷却的全年冷却时间将减少

在常温下，空气的显热为1.02kJ/kg·℃，水的显热为4.2kJ/kg°℃，水的潜热 为2500kJ/kg。所以只要有少量水蒸发，就可以大大降低水和空气的温度。蒸发 冷却技术就是利用水的蒸发潜热进行制冷。传统的冷冻水系统中，温差5℃，每 Kg的水能提供21kJ的冷量，而在蒸发冷却过程中，每kg的水完全蒸发后可以 提供2500kJ的冷量，潜热能提供的换热量是显热的120倍。 蒸发冷却依据的原理就是将潜热转变为显热。将未饱和空气暴露在自由的 温度较低的水表面中，并且水和空气都影响，可以冷却未饱和空气。一部分空气 显热转移到水中，并通过一部分的水的蒸发变为潜热。潜热随水蒸气扩散到空气 中，如果该过程是绝热的，则没有的热交换，使空气由于其显热转变为潜热而温 度降低，增加的水蒸气和潜热提高了空气的湿度和烩值。显热和潜热的转换会 直持续进行下去直到空气饱和，因为没有涉及外部热量，而是纯通过空气中显热 的转变达到饱和，这被称为“绝热饱和”。绝热饱和获得的冷却是有限的。除去 的显热不能超过用水蒸气使空气饱和所需的潜热。例如：相对湿度50%的湿空气 所能吸收的蒸气和潜热比干空气少，因此能转变为潜热的显热也就少，绝热饱和 的制冷潜力与将要被冷却的空气湿度成反比。所以蒸发冷却更适用于空气干燥的 地区。该过程越接近饱和，其冷却空气的能力就越强，最终蒸发冷却的平衡温度 的极限就是空气的湿球温度。 空气干、湿球温差称为湿球温降，空气越干，这个温差越大，利用这个蒸发 冷却后的温降，可以充分降低室外空气的温度，然后利用其冷却数据中心内部的 热空气，实现对数据中心的制冷

6.1蒸发冷却技术的分类

蒸发冷却技术主要分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却，以及两者结合方式及 其与机械制冷的结合方式，参见下表

直接蒸发冷却是指空气与水大面积的直接接触，由于水的蒸发使空气和水的

个绝热降温加湿过程。整个蒸发冷却过程通常在冷却塔、喷水室或其他绝热加湿 设备内实现。直接蒸发冷却可以和直接自然冷方案结合使用，进一步提高自然冷 应用时间，降低能耗。本白皮书对直接蒸发冷却不做详细讨论

间接蒸发冷却是指把直接蒸发冷却过程中降温后的空气和水通过非接触式 换热器冷却待处理的空气，那么就可以得到温度降低而含湿量不变的送风空气， 比过程为等湿冷却过程。若把直接蒸发冷却中用的空气称二次空气，待处理的空 气称一次空气，则可得到用间接蒸发冷却装置原理图

6.2间接蒸发冷却用于数据中心的冷却原理

6.2间接蒸发冷却用于数据中心的冷却原理

间接蒸发冷却是指数据中心机房室内送风与室外新风间接接触进行显热量 的交换，而在室外新风侧，其需要与直接蒸发冷却填料或者换热器壁面的水膜以 及由高压喷头将水流雾化形成的小水滴直接接触，进行充分的热湿交换。利用通 过蒸发加湿得到的室外侧空气湿球温度和数据中心内部的回风温度的温差，通过

管壁的热传导将服务器的热量传递给室外侧空气的过程，从而达到冷却数据中心 的目的。

6.3间接蒸发冷却设备分类

数据中心内热空气从侧面进入换热器，延管道被冷却后再次送入数据中心。 室外侧干冷空气从底部进入换热器，在管道外侧蒸发冷却降温后再冷却管内的热 空气，然后从上部排出。

板式间接蒸发冷却设备由一组金属板或复合材料组成。板式间接蒸发冷却其 中的二次空气来自于室外新风，一二次空气的比例对板式间接蒸发冷却效率影响 较大，两侧空气在热交换器表面上进行热交换

板式换热器换热过程图

板管式间接蒸发冷却空调系统如图所示，该系统运行和冷却完全使用数据 中心室内回风，省去了间接蒸发冷却器的空气过滤器，而是额外设置旁通过滤 机组，这与所有的机组都装过滤器相比，减少了过滤器的投入、维护费用及风 机功率，也减少了室外空气污染物影响IT设备的风险。同时，为了给人员提 共新风或维持室内正压，根据当地气候条件，装配设有加湿和除湿功能的新风 机组，以此来提供通风和湿度控制

6.4间接蒸发冷却系统组成

间接蒸发系统由喷淋装置、换热芯体、室内风机、室外风机、机械制冷补充 装置、控制系统等组成

7、电子膨胀阀8、室内循环风机9、蒸发器10、换热芯

喷淋装置由接水盘、循环水泵、喷洒系统、水位控制系统等要素组成 循环系统由循环水泵、喷头等器件组成；运行时循环水泵从下部接水盘泵水 至喷淋装置顶部，并由节流装置打散向下喷淋，实现高效蒸发冷却。 喷淋装置下部设置有接水盘，与循环系统配合使用实现供水的循环利用，接 水盘内设置的水位控制系统由水位开关、浮球阀和进、排水电磁阀等器件组成。 通过水位开关、进、排水电磁阀、浮球阀共同控制接水盘内的水位。 ? 换热芯体换热芯体采用高分子或金属芯体 换热芯体做为系统重要装置，要求材质换热芯体具有强耐腐蚀性，能够适应 长期恶劣工况运行。换热片形状及表面通过优化设计，具有最佳换热性能。 室内循环风机 间接蒸发冷却制冷系统与变频DX制冷系统共用室内风机，室内风机为高效 EC离心风机，可根据负载变化实现风机变风量调节。

间接蒸发冷却制冷系统与变频DX制冷系统共用室外风机，室外风机为高效 EC离心风机，可根据环境温度变化实现变风量调节。 直流变频压缩机 直流变频压缩机按照最恶劣运行工况选型，可根据不同制冷需求实现变冷量 输出QDCXA 0004S-2015 济南大城小爱食品有限公司 水果干制品（分装），保证制冷系统总冷量满足负载需求。当室外温度较高及相对湿度较高时， 间接蒸发冷却系统满载运行已不能满足机房负载需求，需要变频DX系统开启补 充制冷量。变频DX系统由直流变频压缩机、电子膨胀阀、室内风机、室外风机、 G4滤网及其他温度、压力、压差传感器等部件组成。

间接蒸发冷却制冷系统与变频DX制冷系统共用室外风机，室外风机为高效 EC离心风机，可根据环境温度变化实现变风量调节

电子膨胀阀与直流变频压缩机配合使用，能快速响应工况变化，保证系统稳 定可靠运行。

低温的冷凝液体通过蒸发器，与通过换热芯体的室内循环风进行热交换，气 化吸热，达到制冷的效果，保证送风降低至设定温度

制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被 玉缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质（水 或空气）放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入 蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。

随着间接蒸发冷却空调技术的发展，空调样式原来越丰富。空调可根据建 筑条件确定不同的安装方式GB/T 15144-2020 管形荧光灯用交流和或直流电子控制装置 性能要求，主要的安装方式有侧面安装和屋面安装，侧面安 装和屋面安装都能够根据机房气流组织需要设置成冷通道封闭或热通道封闭。

7.1. 1 侧面安装

第二种侧面安装方式如图7一2所示， 周来用神压至则送风， 吊顶回风，热 通道封闭的气流组织模式。这种气流组织模式可根据机房区域IT负载的不平衡 调节风量调节阀，从而保证负载大的区域获得较大风量。