数据中心间接蒸发自然冷却技术原理、结构、分类和应用

数据中心制冷技术历经风冷直膨式系统、水冷系统、水侧自然冷却系统及风侧自然冷却系统等时期，节能技术逐步发展。目前大型数据中心应用的间接蒸发自然冷却方式，与传统新风自然冷却及冷冻水冷却系统相比， 具有室内空气不受室外环境空气质量的影响、喷淋加湿空气不会影响室内湿度、过滤器维护成本低、耗水量少、节能水平高等特点和优势。

  （仅为示意图，不对应文中任何产品）

一：蒸发冷却技术分类  

 

数据中心常用节能方式：

 蒸发冷却技术分类：

二：间接蒸发自然冷却技术原理和结构  

 

1、间接蒸发冷却技术原理

间接蒸发冷却作为蒸发冷却的一种独特等湿降温方式，其基本原理是：利用直接蒸发冷却后的空气(称为二次空气)和水，通过换热器与室外空气进行热交换，实现新风(称为一次空气)冷却。由于空气不与水直接接触，其含湿量保持不变，一次空气变化过程是一个等湿降温过程。

  间接蒸发冷却原理示意图

2、间接蒸发冷却机组结构

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。

三：间接蒸发自然冷却系统运行模式  

 

蒸发冷却基于干湿球温差制冷，注重环境干球温度和湿球温度，主要存在三种工作模式：

1. 间接风风换热自然冷却模式（室外＜18℃）

在冬季室外温度低的情况下，上部室外侧气流进入机组。首先进行空气过滤。因为室外空气温度低，无需绝热蒸发所产生的制冷量足够在换热器内冷却服务器机房回风。经过换热器后，吸收热量的室外空气回到上部，由室外侧EC 风机墙排放到室外。在机组下部分，机房内部的热回风首先经过过滤，在热交换器中和室外空气进行热交换。冷却后的机房回风，经过室内侧EC 风机墙被送入服务器机房。

   干模式运行示意图

2. 间接蒸发自然冷却模式（干球温度＞18℃，湿球温度＜18℃）

在春秋季室外温度较低的情况下，上部室外侧气流进入机组。首先进行空气过滤。因为室外空气温度不够低，需要通过高压微雾喷淋进行绝热蒸发制冷的来补充制冷量。室外空气在换热器内冷却服务器机房回风，吸收热量的室外空气回到上部，由室外侧EC 风机墙排放到室外。在机组下部分，机房内部的热回风首先经过过滤，在热交换器中和室外空气进行热交换。冷却后的室内空气，经过室内侧EC 风机墙被送入服务器机房。

    湿模式运行示意图

3. 间接蒸发自然冷却+机械冷却的混合模式（湿球温度＞18℃）

在夏季室外温度高的情况下，上部室外侧气流进入机组。首先进行空气过滤。通过高压微雾喷淋进行绝热蒸发制冷来补充制冷量。室外空气在换热器内冷却服务器机房回风，吸收热量的室外空气回到上部，由室外侧EC 风机墙排放到室外。在机组下部分，机房内部的热回风首先经过过滤，在热交换器中和室外空气进行热交换。因为室外空气温度高，经过换热器冷却后的室内空气温度仍然未到达送风温度要求，还需要补充机械制冷。经过室内侧EC 风机墙后，因为机械制冷风阀关闭，机房回风只能再经过机械制冷盘管，经过制冷后机房回风达到设定送风温度后被送入服务器机房。

    混合模式运行示意图

四：应用优势和局限  

 

1、造价方面  

业界有人认为间接蒸发冷却的整体投资成本高于传统冷冻水系统。  

但值得一说的是：经过几年的快速发展和大量落地应用，间接蒸发冷却出现了成本的快速大幅下降,传统冷冻水系统的造价成本则一直保持相对稳定或微调。  

 

2、系统可靠性  

行业内大型数据中心往往倾向于采用传统集中冷冻水系统，认为是技术路线成熟，多年广泛应用，稳定可靠。所以强调高可靠性的数据中心，比如大型金融数据中心，基本会选择传统集中冷冻水系统，而小型金融数据中心会选择风冷直膨系统。不过，经过几年的成熟应用，间接蒸发冷却因其产品化模块化的部署方式，通常不必担心有系统性的重大故障，故障则体现在产品的层面，选择间接蒸发冷却技术的业主单位表达出对可靠性的不同理解。  

 

3、运维方面  

间接蒸发冷却和传统空调水系统相比，夏季维护量基本相当，而从全年看间接蒸发冷却肯定有优势，尤其是冬季基本不需要维护，对运维的挑战相对较低，有业主认为采用间接蒸发冷却可以不必像传统冷冻水空调系统那样“操心”，体现出其运维的优势。  

 

4、市场认可度  

传统冷冻水系统多年居于大型数据中心的最大份额，成熟应用是其最大的因素，尤其是安全要求高的数据中心，源于各种规范均有关于传统冷冻水系统的技术要求，建设中从设计到投产的各个环节均有相关标准可循，可操作性强，所以获得长期认可。  

间接蒸发冷却在数据中心领域相对年轻，大型项目的成熟案例较少。但传统冷冻水空调系统的工程化属性与数据中心分步建设和弹性灵活部署是较难调和的矛盾，运维难度较大。随着间接蒸发冷却技术和自然冷却风冷直膨系统的不断创新进步，这两项技术也出现了较高运行效率和低PUE的案例，在产品化、模块化、弹性灵活、少运维工作量等方面优于传统冷冻水系统。  

 

5、方案设计  

间接蒸发冷却技术和传统冷冻水系统这两种方案中，间接蒸发冷却设备厂商和设计单位的配合关系相对前置化，也就是在设计方案前期就需要按照间接蒸发冷却特有的技术要求进行，甚至不同的厂商提出的土建配合要求也不尽相同，甚至存在较大差异，这就为项目的实施带来较大的困惑。  

 

按照传统冷冻水系统进行设计的项目，或者建筑形式已经确定的项目，或者设计方案已经报批完成的项目，如果想要改为间接蒸发冷却技术，将会比较困难，尤其是在一线城市。毕竟是属于空气冷却方式，空间和占地问题是间接蒸发冷却不可回避的一个弊端，这也是目前业内公认的。在一线城市土地资源紧张的情况下，间接蒸发冷却未来发展的空间受限，二三线城市由于土地资源相对宽松，可能会是未来间接蒸发冷却转移战场的重点发展区域。  

 

 

典型的间接蒸发冷却平面布置图  

 

间接蒸发冷却侧墙安装方式  

 

 

间接蒸发冷却屋面安装方式  

6、地域限制

间接蒸发冷却的另外一个短板是受气候条件的严重限制，不同气象参数带来不同的风机的参数以及DX或CW的配比。另外，气流组织、芯体材质和片距，对于换热量和风机耗电量的最佳匹配有着至关重要的影响，当然进而影响PUE。随着机房室内温湿度范围要求的宽泛趋势和升温趋势，间接蒸发冷却也逐步在发生改变，其应用的区域场景已从西北逐步往东南方向挺进，即使在深圳也有应用案例，只是相对北方案例的效率有所降低。

 

五：案例应用  

 

 

美国Sabey 昆西数据中心  

 

Sabey Quincy（昆西）数据中心采用单平层结构，建筑层高7.2米，空调系统采用间接蒸发冷却，直接膨胀式（DX）制冷系统作为冷量补充。空调系统为模块化结构，安装在建筑楼顶，鉴于Sabey的经营模式，完全可适应模块化建设的节奏和要求。  

 

在长达6年的运行中，该项目的间接蒸发冷却机组承受了诸如森林火灾，沙漠的高硬度地下水等恶劣环境的考验，独特的聚合物间接蒸发换热器无需任何软化水处理，同时可以通过特殊的自清洁功能，始终保持高效率运行，在满负载整体系统测试中，记录下的顶峰PUE为1.25，年均PUE为1.16。连续三年被美国能源部评选为能源之星。  

 

资料摘自CDCC《数据中心间接蒸发冷却技术白皮书》  

 

 

美国Supernap数据中心  

间接蒸发冷却在美国案例众多。但在欧洲却并未成为主流，虽然也有部分项目实际应用，但近几年来主流方式返回到风冷式冷冻水方案，而非水冷。这种现象背后的原因复杂，据行业人士分析，除了业务模式以外，和欧洲对于水源和水质的管理、用水成本、人工成本、维护成本、设备可靠性以及环境保护等众多因素相关。  

 

 

法国巴黎   COLT数据中心  

巴黎Colt数据中心位于法国巴黎市，建筑整体分为2层，每层层高约7m，建筑整体高度14m。每层部署一个数据中心，每层机房面积约5000平方米，形成了上下2层共2个模块机房。采用间接蒸发自然冷却机组，每台设备显冷量为320kW，每层机房模块配置6台机组，采用5+1冗余配置。每台设备均配置部分制冷量的DX辅助制冷单元。  

来源：制冷空调换热器
 

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