数据中心间接蒸发制冷技术应用探讨

韩晓雷，孙 杨，潘洪涛

（1.中国移动通信集团 河北有限公司，河北 石家庄 050000；2.中国移动通信集团设计院有限公司 河北分公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

2021年3月15日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议时强调要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。因此，本论文重点研究数据中心新型制冷技术，充分结合气候环境、机房环境、负载等因素，因地制宜打造节能的绿色数据中心，实现数据中心低碳建网、低碳运行、低碳运维。

1 数据中心PUE构成

电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值。PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗，PUE值越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越高[1]。

数据中心PUE值主要由空调冷源PUE因子、空调末端PUE因子、电源PUE因子以及其他PUE因子构成，各PUE影响因素如表1所示。

表1 PUE因子关键因素统计表

不同地区数据中心PUE指标调研详见表2。

表2 各地数据中心PUE调研表

通过计算各个因素对数据中心PUE影响占比，得出PUE因子影响比例图及排列图，详见图1。

图1 数据中心PUE因子占比

其中空调冷源PUE因子在数据中心PUE（不含通信设备）的总占比为51%，是影响数据中心能耗的主要因素。因此，降低空调冷源的PUE因子可以有效降低数据中心能耗，打造节能的绿色数据中心，实现数据中心 “低碳”运行。

2 间接蒸发冷却技术介绍

间接蒸发冷却技术是指通过非直接接触式换热器将直接蒸发冷却得到的湿空气（二次空气）的冷量传递给待处理空气（一次空气）实现空气等湿降温的过程。间接蒸发冷却技术能从自然环境中获取冷量，与一般常规机械制冷相比，在炎热干燥地区可节能80%～90%，在炎热潮湿地区可节能20%～25%，在中等湿度地区可节能40%，从而大大降低空调制冷能耗[2]。间接蒸发冷却空调（Air Handle Unit，AHU）是利用间接蒸发冷却器，使二次空气与水直接接触，通过热湿交换降低二次空气干球温度，一次空气通过间接蒸发冷却器被二次空气冷却的设备。

3 空调冷源节能分析

节能演进路径主要从减少冷量输送设备开启时间、提高冷量输送设备自身能效两个方面进行不断优化，从而使得热量从数据中心内转移至室外大气环境过程中降低空调整体冷量输送能耗，实现空调系统节能。

影响空调冷源的两大方面主要为制冷设备和自然环境，具体分析如下。

3.1 简化设备及能量转换，提高制冷效率

制冷效率主要由制冷系统的核心部件及热量转换方式决定。为计算出不同制冷设备的制冷效率，选取各个制冷系统核心部件及热量转换过程及次数进行统计对比。

集中冷冻水空调主要核心部件包括：冷水机组、板式换热器、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、蓄冷罐以及冷冻水末端空调7个主要部件。热量转换过程包括：室外空气与冷却水、冷却水与冷媒、冷媒与冻水、冷冻水与室内空气4次转换过程[3]。

间接蒸发冷空调主要核心部件包括：蒸发式冷凝器机组、风管两个主要部件。热量转换过程包括：室内空气与室外空气一次转换过程。间接蒸发冷制冷方案与冷冻水方案对比如图2所示。

图2 间接蒸发冷制冷方案与冷冻水方案对比

间接蒸发冷空调比集中冷冻水空调减少了5个核心部件，热量转换环节由4次减少至1次，降低75%。通过简化制冷设备，减少换热交换次数，可以有效提高制冷效率，降低机房制冷PUE因子。

3.2 选取寒冷地或严寒地区充分利用自然冷源

自然冷源技术是当室外温度低于室内温度且温差超过设定上限时，通过技术手段将室外自然冷源引入机房，从而实现机房降温。数据中心通过充分利用自然冷源制冷，可以有效减低空调压缩机运行时间，减少空调能耗。

不同地区自然冷源利用时长统计详见表3。

表3 不同城市自然冷源利用时长统计表

根据统计分析可以看出，严寒地区自然冷源自然利用时长高达80%左右，寒冷地区自然冷源利用时长约65%。因此，选取寒冷地区或严寒地区建设数据中心，延长自然冷源使用时间，可以有效提高制冷效率，降低机房制冷PUE因子。

4 实施策略分析

4.1 确定设备选型提高空调能效

间接蒸发冷却空调机组与传统冷冻水制冷系统相比，可以将核心部件减少71%，热量转换降低75%。因此，间接蒸发冷空调可以有效降低传热损耗，增加自然冷却时长。设备简化后有效减少了系统复杂度，大大降低了运维风险及成本。同时，具有分期便捷部署的优点，建设周期缩短，利于业务快速实施。因此采用间接蒸发冷技术设备提高空调能效，降低机房PUE。

4.2 充分利用自然冷源确定数据中心选址

严寒地区温度指标可很大程度上减少电制冷工况的运行时间，根据历史气象数据计算，AHU空调设备需要启动压缩机制冷的时间全年不到800 h，从而极大地降低了空调系统运行的耗电量。

通过以上实施策略，测算机房空调冷源PUE因子下降约0.06，PUE节能效果明显，实现数据中心低碳运行。

5 效益分析

以某数据中心为例，机房安装8000个机架，单机架功耗7 kW。结合数据中心选址要求并应用间接蒸发冷却技术后，每年节约电费约2943万kW·h，按电价为0.6元/（kW·h）计算，可节约电费成本1766万元。

6 结 论

通过应用间接蒸发冷却技术及充分利用自然冷源确定数据中心选址，可有效降低机房PUE，提高制冷效率，对支撑数据中心新型制冷技术建设，打造节能的绿色数据中心，实现低碳建网、低碳运行、低碳运维具有重要意义。