对于一个PUE=1.5的数据中心,基础设施的耗能主要来自电力设备自身的耗能和制冷系统的耗能,另外还有照明+其他辅助设施(加湿、新风、智能化等)的耗能,这三部分耗能的占比见图1。可见基础设施的耗能中,机械制冷系统的耗能占到总耗能的23%。近三年来数据中心制冷系统在蒸发冷却、热管和液冷技术以及产品上有了创新和突破,在进一步提高制冷系统的能效和节能上收到了较好的效果,在数据中心逐步被采用和推广。蒸发冷、热管和液冷在降低能耗上的优越性也将成为今后数年数据中心降低制冷系统能耗发展趋势。
　　
　　一、蒸发冷却节能技术在数据中心中应用与前景
　　
　　蒸发制冷主要利用水分子蒸发相态产生变化时吸热的特性达到制冷效果,在湿球温度较低、空气干燥工况下可达到较好的制冷效果,见示意图2。蒸发冷却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,并且水和空气融合,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。
　　
　　空气干燥、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。
　　
　　1.1 蒸发冷却技术的分类与原理
　　
　　蒸发冷却技术主要分为四种形式:
　　
　　1）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温度都降低,此过程中空气的含湿量有所增加,空气的显热转化为潜热,这是一个绝热降温加湿过程。被冷却空气与蒸发水分直接接触,可通过喷淋室、湿膜加湿、喷雾加湿等形式来降低环境的温度,直接蒸发冷却原理见图3。
　　
　　2）间接蒸发冷却:是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,可通过表冷器换热、间接蒸发盘管换热等形式来降低环境的温度,得到温度降低而含湿量不变的送风空气,此过程为等湿冷却过程。间接蒸发冷却装置原理图4。
　　
　　3）间接+直接蒸发冷却:根据送风含湿量的要求,在间接蒸发冷却模块后增加直接蒸发冷却模块,新风被降温、并被适当加湿,调节送风的湿度。间接+直接蒸发冷却原理见图5。
　　
　　4）蒸发冷却+机械制冷:虽然在自然蒸发冷却的过程中所消耗的能量较少,主要是风机和水泵耗能,与目前主流的机械制冷的空调相比在节能和经济性上更有优势。但是直接和间接蒸发冷却无法满足全年所有工况可以提供数据中心需要的制冷要求,因为在室外温度(夏季)上升时,换热器的换热效率下降,不能满足机房送风温度要求时,必须增加机械制冷系统的补充。间接蒸发冷却+机械制冷原理图见图6。
　　
　　1.2 间接蒸发冷却系统在数据中心的应用
　　
　　间接蒸发冷却设备按热交换器形式不同大致可分为板式、管式、板管式等形式。无论哪种换热器都具有两个互不联通的空气管道,借助两个通道的间壁,使空气得到冷却。
　　
　　1）管式换热器
　　
　　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。管式换热器换热过程见图7。
　　
　　2）板式换热器
　　
　　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。见图8。
　　
　　3）板管式间接蒸发冷却空调系统
　　
　　蒸发冷却式结构上将冷凝器和冷却塔合二为一,省略冷却水从冷凝器到冷却塔的传递阶段;充分利用水的蒸发潜热冷却工艺流体,用水量为水冷式冷凝器的45～50%。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,为了给人员提供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。
　　
　　4）其他相关技术研究
　　
　　上述间接蒸发冷却空调机组载冷介质皆为空气,目前大型数据中心普遍采用冷冻水系统,故将间接蒸发冷却技术融合进冷冻水系统成为研究方向。市面上可见的蒸发冷却冷水机组主要有两种:第一种将蒸发冷却技术应用于机械式冷水机组的冷凝器部分,严格来说只是蒸发式冷凝器的应用,通过高换热系数的蒸发式冷凝器获得较低的系统冷凝温度从而提高机组能效;第二种即利用蒸发冷却过程直接出冷水,是一种纯粹的蒸发冷却冷水机组,是完全的自然冷却。蒸发冷却冷水机组系统示意如图9所示。
　　
　　为获得在高温天气仍能直接使用的低温水,机组设置了预冷段、间接蒸发冷却段和直接蒸发冷却段。室外新风首先在预冷段由系统回水进行预冷,然后经间接蒸发冷却段等湿减焓降温,经过两次降温后的空气最终在直接蒸发段制取冷水。在干球温度33.5℃、湿球温度18.2℃的室外条件下,可获得16℃的出水温度。
　　
　　1.3 数据中心蒸发冷运行模式
　　
　　数据中心蒸发冷却系统主要是以自然冷却为主,机械制冷为辅,蒸发冷却系统主要运行的模式可分为干、湿和混合等三种模式。
　　
　　1）干模式:在室外干球温度低于16℃左右,依靠室内外空气在换热芯体换热就可以提供足够的冷量,此时运行在干工况。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统都不工作。室外新风与室内回风直接经换热器换热,数据中心较高的回风经由空气-空气换热器被室外的低温空气直接冷却。见图10。
　　
　　2）湿模式:当室外环境温度较温和时(湿球温度高于19℃左右),机组运行在湿模式。此时开启喷淋蒸发,而机械制冷系统仍然不工作。室外空气通过增发冷却系统进行预降温,然后再经由空气空气换热器冷却数据中心回风。见图11。
　　
　　3）混合模式:当室外湿球温度较高时(湿球温度高于19℃左右),特别是在炎热天气,自然冷却无法满足制冷需求,开启压缩制冷系统补充不足的部分。采用蒸发冷却+高效换热+压缩制冷的运行模式，称为混合工况。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统同时工作，共同达到所需要的制冷量。见图12。
　　
　　1.4 蒸发冷系统优势和关注问题
　　
　　近几年来,蒸发冷却(特别是间接蒸发冷却)空调机组成为行业节能应用热点,国内外许多的厂商都研制和推出了相关产品。蒸发冷却空调与传统的压缩机型空调相比,具有以下优点:
　　
　　1）耗能与传统空调系统相比能效有了明显的提升:蒸发冷却空调设备中所需的主要动力为风机和水泵动,无制冷压缩机,能效比COP值很高,通常机械制冷系统的耗电为50W/m2左右,而蒸发型空调系统为10W/m2左右,节电80%左右。
　　
　　2）蒸发冷却空调运行方式为全新风运行:且具有空气过滤和加湿功能,不断输入100%新鲜冷空气,有效的正压送风可使有害的空气排出室外,保持室内洁净;大大改善其室内空气品质。
　　
　　3）保护环境,零污染:由于蒸发冷空调设备主要是以水为制冷剂,对大气无污染。
　　
　　4）模块化、工厂预制:蒸发冷却改变了目前主流水冷机组的结构，可以实现模块化和在工厂的预制，现场安装，没有管道的连接和安装，减少工期。
　　
　　目前蒸发冷却技术的应用的主要形式为间接蒸发冷却空调机组、直接蒸发新风系统;虽然蒸发冷却技术有上述众多的优点和优势,但是还需要看到蒸发冷却空调系统在结构和环境上存在的问题,主要体现在以下几点:
　　
　　1）对建筑的要求
　　
　　蒸发冷却技术上采用水与空气换热交换,决定了在建筑上需要有特殊的空间(专用的水和空气蒸发交换空间、机房回风空间)，因此采用蒸发冷的系统改变了以往数据中心建筑的功能布局、层高、空气进出流动通道，见示意图13和实例案例图14。
　　
　　对于采用蒸发冷却空调系统的数据中心,规模(机柜数、单机柜容量)差异化,需要定制化的设计,没办法简单化的复制,因为进排口的设置需求,在高层建筑数据中心中应用较为困难。另外由于间接蒸发冷却空调机组产品还未形成统一的标准化,不同的厂家尺寸差异较大,导致建筑的设计的通用性较差。目前在大型数据中心建设中,采用间接换热空调机组
　　
　　大部分都是采用外置的方式,在建筑结构上采用工业厂房的模式,见图15。
　　
　　2）地域条件的要求
　　
　　蒸发冷却更适用于空气干燥的地区,蒸发冷却过程中空气越干燥,干湿球温差越大,“干空气能”的利用率越强,能获得的温度就越低。
　　
　　根据中国的气候特点和干湿地区分布,蒸发冷却技术建议在“胡焕庸线”的左边气候比较干燥的区域使用,可以达到更好的节能和节水效果。见图16。
　　
　　不是说在我国中东部(红线右边)的区域就不能采用蒸发冷,而是需要考虑在这些地区高湿不仅降低了换热的效率,还需要考虑增加除湿所需要的耗能,最终影响节能的实际效果。
　　
　　3）对空气质量的要求
　　
　　间接蒸发冷却空调机组工作原理为外部空气与水的换热,然后再通过空空换热器来冷却室内空气。目前间接换热空调机组基本都采用板式换热器,室外空气中的灰尘、颗粒物等,通过加湿后,会附着在换热器表面,时间长了会大大影响换热器的效果。现在国外也在积极研究采用高分子材料替代传统的金属换热器,来降低空气质量对换热器效率的影响。
　　
　　直接蒸发冷却新风系统,室外空气经过过滤和加湿降温后直接送到数据中心机房内,空调的品质直接关系IT的运营稳定。
　　
　　因此需要关注空气的质量对持续制冷和对IT设备的影响,差的空气质量将降低换热的效果和维护难度以及维护的成本,当遇到沙尘暴时还将引发蒸发冷却系统无法正常运行。另一方面空气中有害的气体(如硫化物等)也会导致IT设备电路腐蚀,导致短路或短路而不能正常运行。因而目前采用蒸发冷的数据中心大多会设计两种制冷系统的并存,有些还增加有害气体的检测和过滤装置,不仅增加投资还增加后期的运维成本。
　　
　　4）运维中的问题
　　
　　目前蒸发冷的水质问题是影响蒸发冷却空调技术推广使用的主要限制因素之一,结垢、污泥、菌澡滋生、腐蚀穿孔,不仅降低了系统的冷却效率、设备的使用寿命,同时也影响到正常的运行。另外在北方冬季的结冰现象什分严重,影响到冷却塔的散热效果、加大冷却塔的承重、损害填料和管道,同样影响冷却塔的使用寿命。见图17。
　　
　　5）蒸发冷却还不能完全取代机械制冷系统
　　
　　与机械制冷相比,蒸发冷却还存在着很多不足之处。如体积大、缺乏除湿功能,冷却空气的能力受外界气候环境(雨雪、风沙等恶劣天气)的影响严重,多级蒸发冷却系统控制较复杂等。当仅靠蒸发冷却不能达到制冷要求时,还需要机械制冷进行补偿,因此,将机械制冷与蒸发冷却相结合,取长补短。
　　
　　总之,数据中心需要全年制冷,而直接和间接蒸发冷却技术具有明显的“靠天吃饭”属性。国内除了西北某些地区气候能够使用该技术实现全年制冷,绝大多数地区需要配置机械制冷机组补充冷量,在极端高温天气负担蒸发冷却系统欠缺的制冷量,但这又引起人们对于安全方面的担忧。一方面,蒸发冷却空调机组体积较大,需要与机柜通道通常一一对应,与传统数据中心的备份理念存在一定偏差;另一方面,若按极端工况下间接蒸发冷却系统制冷能力的最大欠缺量配置机械组件且考虑不间断供冷需求,则极大增加了对于机械组件的相应UPS及电池配置。故蒸发冷却空调机组更适宜应用于非夏热冬暖地区。
　　
　　二、热管技术在数据中心制冷系统节能中的应用与前景
　　
　　近几年来制冷技术的研究和制造商将热管技术应用到数据中心的制冷系统中,热管具有独特的技术优势,在数据中心的制冷系统节能和节水方面收到良好的效果。
　　
　　2.1 热管技术原理
　　
　　典型的热管由管壳、吸液芯和工作介质组成。管壳为两端密封的圆柱管,管的内壁贴附同心圆筒式的金属丝网或其它多孔介质,即吸液芯。对热管的一端加热后,由于管内压力很低,工质吸收热量变为蒸汽,然后在压差作用下流向另一端,向外界释放热量后再凝结成液体,依靠吸液芯的毛细抽吸力流回加热段,再次受热气化,如此往复循环,就可以连续不断地将热量从一端传递到另一端。见图18。
　　
　　将热管技术应用到数据中心的制冷系统,是利用室内、外温差通过热管将室内热量交换到室外,从而降低室内温度的系统设备。热管换热系统利用循环工质的气液相变来传递热量,通过特殊的管路联接,将蒸发段和冷凝段分离开来,室内机为该系统的吸热端,冷凝器为其放热端,室内机中的工质在机房内吸热蒸发变为气态,经过气管流入冷凝器,并在冷凝器内放热冷凝为液态,然后通过液管回到室内机继续吸热蒸发。热量传输是无源运行,无运动部件,零能耗且故障率极低。热管技术工作原理见图19。
　　
　　热管在实现这一热量转移过程中,包含了以下六个相互关联的主要过程:
　　
　　(1) 热量从热源通过管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液-汽分界面;
　　
　　(2) 液体在蒸发段内的液-汽分界面上蒸发;
　　
　　(3) 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;
　　
　　(4) 蒸汽在冷凝段内的汽-液分界面上凝结;
　　
　　(5) 热量从汽-液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源;
　　
　　(6) 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回到蒸发段。
　　
　　由于热管是依靠自身内部工作液体的相变来实现传热的传热元件,所以其具有以下优点:
　　
　　(1) 超强的导热性能:热管依靠工作介质的汽、液相变传热,换热系数高,传热热阻很小,可传递热流密度较大。其导热系数比金、银、铜、铝等优良导热体高出了几个数量级。
　　
　　(2) 优良的等温性:由于热管内腔的蒸汽处于饱和状态,其粘度较低,在流动中产生的压降很小,所以热管的蒸发段与冷凝段之间的温差很小,近似等温。
　　
　　(3) 可变热流密度:可以通过独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积的方法调节蒸发段和冷凝段的热流密度，以解决其他传热方式难以解决的问题。
　　
　　(4) 热流传递方向可控:通过改变内部循环力的方式,可以实现热流单向传递、双向传递、抗重力传递等。
　　
　　(5) 环境适应性强:热管的形状可根据热源和冷源的条件灵活变化,其形状可制成电机的转轴、燃气轮机叶片、钻头、手术刀等;可应用于地面(重力场),也可以应用于空间(无重力场)。
　　
　　(6) 热管属于被动传热:工质在热管内的流动循环完全依靠管内结构及工质自身的热力平衡实现,没有任何动力部件,属于无耗能传热,工作性能稳定,可靠性高。
　　
　　从热管的工作原理可以看出,热管是基本无耗能的原件,通过实现热量的转移从而进行制冷。
　　
　　2.2 热管技术在数据中心中的应用
　　
　　目前热管技术在数据中心的产品主要有以下三个系统:
　　
　　1）单热管式制冷系统
　　
　　单热管精密空调由热管、蒸发器、EC风机和室外机组成,在结构与水冷末端精密空调相似,但采用氟的冷媒,无制冷压缩机,室外机采用风冷或蒸发冷却。有效的提高制冷的能效。见图20。
　　
　　热管式机房精密空调适用于常年可以使用低温自然冷源的地区,不需要机械制冷,只有室内和室外风机的耗能,有效降低空调的耗能,提升制冷系统的节能效果。(未完待续)
　　
　　编辑：Harris