什么是间接蒸发冷却技术？

数据中心对制冷系统的要求相对较为特殊，今天我们就来探讨一下，什么是间接蒸发冷却技术？

数据中心对环境要求

数据中心对环境的要求，国标GB 50174—2017《数据中心设计规范》中对主机房的环境要求给出了允许值和推荐值。

表1  数据中心主机房环境的要求环境要求

ASHRAE TC 9.9 2008版中扩大了2004版中热环境参数推荐的包络区。如下表。

表2  ASHRAE TC 9.9 2004版与2008版热环境包络区推荐数据比较

什么是间接蒸发冷却技术？

蒸发冷却技术是一项利用水蒸发吸热制冷的绿色节能技术。

原理：

• 利用空气与水的直接接触，并利用水的蒸发潜热进行制冷。

• 间接蒸发冷却相对于直接蒸发冷却来讲的，它是工作空气与循环水在湿通道侧直接接触等焓降温后再间接的通过换热器带走使用空气中的热量，从而达到对使用空气进行等湿降温的效果。

• 工作空气多为室外新风，使用空气多为机房内的热回风，以两者的显热温差为驱动力，通过管壁的热传导将服务器的热量传递给室外侧空气，从而达到冷却数据中心回风的目的。

结构：

间接蒸发冷却技术的核心是间接蒸发冷却热交换芯体，按照热交换芯体内部空气走向不同以及流道分布结构形式不同，芯体大致可分为：板翅式间接蒸发冷却芯体、管式间接蒸发冷却芯体、板管式间接蒸发冷却芯体。

3种换热器形式内都设置有两个互不连通的空气通道，两股空气通过换热器间壁间接接触进行换热。

板翅式间接蒸发冷却芯体工作原理，如图2（a）所示。

管式间接蒸发冷却，如图2（b）所示。

板管式间接蒸发冷却与管式间接蒸发冷却运行原理相同，不同的是相较于管式，板管式管内流道更大，且不易堵塞。

间接蒸发冷却技术应用于数据中心的模式

间接蒸发冷却技术应用于数据中心时常以机械制冷设备作为辅助。根据室外气象参数不同，机组对应3种运行模式：干模式、湿模式、混合模式进行切换。

3.1  先来看3种模式判别依据 

对于上述3种运行模式切换取决于室外空气的干球温度和湿球温度，而室外干湿球温度判定的界限又取决于数据中心机房送、回风温度与间接蒸发冷却换热芯体的换热效率。根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》，A级机房对送风参数要求如表3所示。

表3  数据中心送风参数的要求

设定室内送风温度选取24 ℃，目前国内大部分机房送回风温差选取12 ℃，故回风温度确定为36 ℃。对3种模式进行计算。

3.2  干模式 

在冬季，当室外干球温度较低时，机组开启干模式。此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统都不运行，室外的低温空气从二次进风口进入，进入间接蒸发冷却换热芯体内进行换热，后经二次排风机排出；数据中心高温的回风通过一次进风口进入机组，流经间接蒸发冷却换热芯体被室外低温空气直接冷却后，由一次送风机送入数据机房。

干模式：干模式下间接蒸发冷却芯体换热效率一般可达到60%。

式（1）中：η 为间接蒸发冷却芯体的换热效率；t_g1为数据中心内热回风干球温度（℃）；t ′_g1为室外空气干球温度（℃）；t_g2为数据中心送风干球温度（℃）。

将设定值η ≤60%，t_g1=36 ℃，t_g2=24 ℃带入，求得t ′_g1：

求得t ′_g1≤16 ℃，即在室外干球温度≤16 ℃时，机组运行干模式。

3.3 湿模式 

在春秋过渡季节，当外界环境温度较温和且相对湿度不高时，机组运行湿模式。此时喷淋蒸发系统运转，而机械制冷系统仍然不运行。芯体上部的布水器向芯体的湿通道布水，室外新风进入芯体后在湿通道内表面进行直接蒸发冷却等焓降温后与机房回风间接接触带走其热量，最后从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口流经板翅式间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，被冷却后的数据中心回风由一次送风机送入数据机房。

湿模式：湿模式下间接蒸发冷却芯体换热效率一般可达到70%。

式（3）中：η 为间接蒸发冷却芯体的换热效率；t_g1为数据中心内热回风干球温度（℃）；t_s1为室外空气湿球温度（℃）；t_g2为数据中心送风干球温度（℃）。

将设定值η≤70%，t_g1=36 ℃，t_g2=24 ℃带入，求得t_s1：

求得t_s1≤19 ℃，即在室外干球温度＞16 ℃且湿球温度≤19 ℃时，机组运行湿模式。结合干模式与湿模式得出在室外干球温度≤16 ℃或湿球温度≤19 ℃时，仅利用间接蒸发冷却技术便可满足数据中心要求的送风条件。

3.4  混合模式

在炎热的夏季，当室外干温球温度较高，仅开启蒸发冷却段无法满足冷量要求时，机组运行混合模式。此时，喷淋蒸发系统和机械制冷系统同时运行，共同来达到需要的制冷量。芯体上部的布水器向芯体的湿通道布水，室外新风进入芯体后在湿通道内表面进行直接蒸发冷却等焓降温后与机房回风间接接触带走其热量，最后从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口流经板翅式间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，对数据中心回风进行预冷，再被蒸发器冷却，被冷却后的数据中心回风，由一次送风机送入数据机房，如此循环。

混合模式：在室外空气湿球温度大于19 ℃时，开启机械制冷进行辅助。

综上分析，室内送风温度选取24 ℃，室内回风温度选取36 ℃，间接蒸发冷却空调换热芯体在干工况下换热效率取60%，在湿工况下换热效率取70%，计算求得机组3种工况切换判定值如表4所示。

表4  机组3种工况切换判定值

相同的计算过程，当室内送风温度选取25 ℃，室内回风温度选取35 ℃，间接蒸发冷却空调空-空换热器在干工况下换热效率取58%，在湿工况下换热效率取68%，求得机组3种工况切换判定值如表5所示。

表5  机组3种工况切换判定值

综合以上分析，得出间接蒸发冷却空调不同模式的切换，取决于室外二次空气的环境参数，而室外二次空气环境参数的设定又受间接蒸发冷却换热芯体的换热效率（影响因素：换热器材质、结构形式、风速、换热温差、换热面积等）、数据机房室内侧回风温度、室内侧送风温度的影响，在设计切换模式的条件时应当充分考虑上述因素。

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