2020年12月中央经济工作会议中将碳达峰、碳中和工作位列其中,重申我国二氧化碳的排放力争2030年前达到峰值,力争2060年前实现碳中和。数据中心的高耗能越来越受到社会的关注,国家相继出台了数据中心能耗的指导意见和限令,因此绿色和碳中和是数据中心建设和运维必然趋势。本文重点介绍数据中心行业近些年在蒸发冷、热管、液冷制冷系统的技术突破、性能、需要关注的问题和发展。

　　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。