蒸发冷却冷水系统经济性分析
蒸发冷却技术是一种利用水分蒸发制取冷量的高效冷却方式，减少了对电能的消耗。在数据中心空调系统中利用自然冷却方案时，同时采用蒸发冷却技术对室外冷源进行进一步的降温加湿处理（对冷风进行处理时，可能会具有加湿作用）的蒸发冷却冷水系统，将会显著提高空调设备和系统的能效比，同时延长自然冷源的利用时间。
蒸发冷却技术可延长全年自然冷却的时间，与一般常规机械制冷相比，在炎热干燥地区可节能70 ～ 80%，在炎热潮湿地区可节能10 ～ 20%，在中湿度地区可节能40% 左右，从而大大降低空调制冷能耗。当然，蒸发冷却冷水系统的节能性、经济性很大程度上取决于供回水温度的要求，若搭配高效空调末端的使用，大幅提高供水温度，那么即可大幅延长自然冷却的使用时长，以使空调系统更加节能。
根据我国在运行的蒸发冷却冷水系统的能耗统计，并结合相关理论计算，蒸发冷却冷水系统相对传统模式来说，PUE 大幅降低，同时，蒸发冷却冷水系统的耗水量只相当于常规水冷系统的30 ～ 50%。
初投资和运行费用分析
1）初投资分析
根据市场调查统计分析，根据项目规模等不同，考虑到市场价格波动，蒸发冷却空调系统初投资和传统压缩机空调系统投资差异不大（价格因素随市场变化），但蒸发冷却空调系统引发的电气投资一般很大程度低于传统压缩机空调系统引发的电气投资，同时蒸发冷却空调系统节能效果明显、运维便利且费用小。
根据数据中心规模大小及地区（主要是气象条件的差异）不同和选用的补充制冷方式不同，蒸发冷却冷水系统初投资也不同。
2）运行费用分析
以下就新疆某数据中心实际项目案例对数据中心蒸发冷却冷水系统与传统空调系统进行初投资及运行费用的比较分析。
该数据中心建筑总面积为10738 ㎡，地上5 层，建筑高度为23.3m，蒸发冷却冷水空调系统负担其中2 层的通信机房和传输机房、4 层的IDC 机房制冷，总需冷量为2767kW，制冷需求分析如表1 所示。
表1 本期工程制冷需求统计计算
该数据中心机房使用的蒸发冷却冷水系统是完全以“干空气能”为自然冷源，基于蒸发冷却技术实现干燥地区数据中心机房全年采用100% 自然冷却的集中式蒸发冷却冷水加高效空调末端系统。该系统共采用16 台蒸发冷却冷水机组（集成乙二醇自然冷）作为主用冷源，22 台机房专用高温冷冻水空调机组作为室内高效空调末端，44 台外冷式间接- 直接蒸发冷却新风机组为备份冷源，同时配置自动控制系统。
因数据中心项目不同，不同地区的气象条件不同，空调运行经济性分析和能效分析也会有不同，以下内容仅供参考，具体项目应详细分析。
依据2019 年市场价格，根据市场调研，对不同空调系统初投资进行估算，如表2。
表2 三种空调系统初投资费用表
根据不同空调系统能耗特点，可计算出各系统运行费用和能效情况，如表3。
表3 三种空调系统运行费用及能效情况
注：1）电费按0.512 元/（kW.h)，水费3.7 元/m；
2）估算PUE 时，电源及其他功耗占比估算10%，冷冻水末端空调功耗占比估算4%；
3 ）初投资包含空调设备，水泵、管路、水箱、末端、智能控制等设备采购、就位和安装；
4）本表格仅供参考。项目不同，地区气象情况不同，空调运行费用及能效情况也会有不同。
由表2 可知，蒸发冷却冷水系统与自然冷却风冷螺杆机制冷系统初投资相当，而水冷式离心机制冷系统比蒸发冷却冷水系统初投资高6% 左右。由表3 可知：自然冷却风冷螺杆机制冷系统全年耗电量659×104kW.h，全年运营费用为338 万元，蒸发冷却冷水系统全年比自然冷却风冷螺杆机制冷系统全年耗电量225×104kW.h，全年运营费用为115 万元，节省电费223 万元。如图1 所示为三种空调系统的初投资和总运行费用随年度的变化函数关系（初投资的IT 负荷按照100% 考虑）。
图1 三种空调系统的初投资和总运行费用随年度的变化函数关系
相对于自然冷却风冷螺杆机制冷系统来说，水冷式离心机制冷系统初投资高出10% 左右，其全年运营费低了10% 左右，水冷式离心机制冷系统相对于自然冷却风冷螺杆机制冷系统需要3 年左右总投资能与之相同。而蒸发冷却冷水系统初投资与自然冷却风冷螺杆机制冷系统相当，但运行费用却低64% 左右。
表3 可知：蒸发冷却冷水系统相比自然冷却风冷螺杆机制冷系统节省输入功率691kW，这部分可用于数据中心再配置172 台IT 机柜（按照单机柜4 kW考虑）；相比水冷式离心机制冷系统节省输入功率337kW，这部分可用于数据中心再配置84 台IT 机柜（按照单机柜4kW 考虑），根据各地不同机柜出租年收入不同，会增加不同收益，如表4 所示。
表4 蒸发冷却冷水系统相比其他空调系统每年可增加收入
本项目中蒸发冷却冷水系统每年比使用自然冷却风冷螺杆机制冷系统节电量可达434×104 kWh，约合人民币223万元，约节省标准煤可达900吨/年，减少二氧化碳排放量可达 3300吨/年。系统充分发挥蒸发冷却技术的优势，利用可再生能源“干空气能”进行“免费”供冷，节能、低碳、绿色、环保，符合我国可持续发展战略，对我国经济转型升级有一定的现实意义。
间接蒸发冷却技术节能分析
在集中式空调冷冻水系统中，供回水温度是一个关键指标，不同的供回水温度即对应不同的节能性，进风温度的提高意味着末端供回水温度也可以适当提高。一方面在传统压缩式制冷系统中，冷水机组制冷效率会显著提高；另一方面蒸发冷却冷水系统的适用范围及使用时长增加，数据中心高能耗的问题得到了缓解。
近几年来，新建数据中心的冷冻水供水温度都有很大的提高，《数据中心设计规范》GB50174-2017规定，机房冷冻水供水温度为7～21℃，冷冻水回水温度为12～27℃。目前很多数据中心项目更侧重高供水温度，一些大型数据中心冷冻水温度已提高至 15～18℃，甚至更高。
蒸发冷却冷水系统所产生的高温冷水用于数据中心冷却，还要与相应的空调高效末端形式匹配。根据布置位置的不同，机房空调末端形式可分为房间级、列间级和机架级。列间级或机架级的空调末端相对服务器距离较近，气流输送距离短、能耗低，且对冷冻水温与回风温度之间的换热温差敏感性低，因此，机架级或列间级的空调高效末端形式更适合蒸发冷却冷水系统的应用。
间接蒸发冷却技术不同地点的耗能分析
通过蒸发冷却冷水系统与水冷式离心机制冷系统节能数据对比，数据中心应用蒸发冷却冷水系统可以实现大幅节能，同时蒸发冷却冷水系统用水量只相当于水冷式离心机制冷系统的 30%～50%，因此蒸发冷却冷水系统在节水、节电、环保性等方面有着巨大的潜力。但蒸发冷却技术的效果常受到室外气象条件的影响，在不同地区，由于蒸发冷却技术的效率、稳定性不同，因此具有不同的节能性、经济性，因此应针对不同地区，进行差异化分析。
以下述某数据中心为模型，对蒸发冷却冷水系统进行不同地区的综合计算和分析：
IT 总负载3000kW，N+1 冗余，送/ 回风设计温度为25/38℃，供回水设计温度为17/23℃，蒸发冷却冷水系统以蒸发冷却冷水机组全年主用，蒸发冷却新风机组备份，间接蒸发冷却湿工况换热效率为80%（南方地区间接蒸发湿工况换热效率按照60% 计算），室外湿球温度＞ 19℃时，开启新风备份或者机械制冷备份，其他时间开启蒸发冷却冷水机组实现供冷。在寒冷、严寒地区蒸发冷却冷水机组需要复合乙二醇干冷器，以实现冬季乙二醇自由冷却且防止冷水系统结冰，复合乙二醇干冷器后的蒸发冷却冷水机组在干球温度＜ 8℃时排空循环水并停止喷淋。
项目地点选取以下几个5 个典型城市为例进行对比分析，气象参数参考年数据进行计算分析。
1、深圳（汕尾）：中国南部的热带地区，低纬度，沿海一年四季温湿度较高；
2、上海：中国东部的沿海城市，中纬度，一年四季温度在冰点之上，沿海湿度较高；
3、北京：中国北部的季风气候，中高纬度地区，一年四季温差变化大，受季风影响，冬季干燥寒冷，夏季炎热潮湿；
4、乌鲁木齐：中国西部的大陆干旱地区，中高纬度地区，远离海洋，气候干燥；
5、张家口（怀来）：中国北部的严寒区域，高纬地区，冬季寒冷。
该5 个城市气象参数如表5 所示。
表5 不同城市气象参数
图2 不同地区数据中心蒸发冷却冷水系统制冷因子
图3 不同地区数据中心蒸发冷却冷水系统年耗水量
图4 不同地区数据中心蒸发冷却冷水系统年耗电量
在相同条件下，3000kW 的IT 负载，蒸发冷却冷水系统（以蒸发冷却冷水机组为主用冷源，蒸发冷却新风机组为备份冷源或配合高效末端的蒸发冷却冷水系统为例）制冷总输入功率是传统冷水系统设备输入功率的一半左右（具体以项目实际情况为准），可大幅降低空调系统引发的电气投资，同时耗电量、耗水量相较于传统水冷式机械制冷系统有较明显的减少。
从上面的数据可以看出，蒸发冷却冷水系统更适用于高纬度寒冷干燥地区，随着维度的升高，空气的干燥度越大，蒸发冷却设备的节能效果越显著；但在南方高温高湿地区应，仍具有很大的节能、环保优势，特别是和高效空调末端技术结合应用，效果更加明显。
综合而言，对蒸发冷却冷水系统的节能分析得出以下结论：
1、较低的制冷因子：充分利用室外自然冷源，在全年大部分时间实现“自然冷却”或“低成本冷却”，实现整个数据中心大幅度节能。
2、降低配电要求：由于蒸发冷却冷水系统主要冷却能力是通过蒸发冷却方式获得的，所以相对的补充机械冷却（压缩机）并不需要配置满足100% 数据中心散热量需求，相对于传统的机械冷却方式为主的冷却系统，蒸发冷却冷水系统可适当降低制冷系统的配电需求，从而可实现降低配电成本或增大IT 设备容量。
3、蒸发冷却冷水系统由于要消耗水源，需要注意所处地区水资源和水处理问题。
各主要城市间接蒸发冷却技术节能效果
根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规程》GB50019—2015 中室外气象参数的统计，对全国湿球温度在 22℃以下的部分地区的夏季空气调节室外计算湿球温度进行分析，来探讨蒸发冷却冷水系统的适用范围。夏季空气调节室外计算湿球温度 19℃以下的地区仅有西藏、新疆、内蒙古、青海部分地区。而将湿球温度从 19℃提高至 22℃，这就包括西藏、新疆、青海、云南、贵州、四川、甘肃、宁夏、陕西、山西、内蒙古、黑龙江等许多区域。除此之外，蒸发冷却冷水系统可以采用蒸发冷却新风备份、高效空调末端或与机械制冷结合等多种方式方式，在全年大部分时间开启蒸发冷却模式以节约系统运行费用。蒸发冷却冷水系统及高效空调末端集成技术可以在数据中心得到很好的应用。
蒸发冷却冷水系统以自然冷却为主，必要时会以机械制冷作为补充，蒸发冷却冷水系统主要运行模式可分为乙二醇自由冷却（非寒冷地区不需要）、直接蒸发冷却模式、间接- 直接蒸发冷却模式、蒸发冷却冷水复合蒸发冷却冷风模式（采用新风备份时极端高温高湿时运行）、蒸发冷却冷水复合机械制冷模式（采用机械制冷补冷时极端高温高湿时运行）。当外界环境温度较低时，系统运行在乙二醇自由冷却模式，当室外温度较高且湿球温度也较高时，系统运行在蒸发冷却冷水复合蒸发冷却冷风模式或蒸发冷却冷水复合机械制冷模式。
蒸发冷却冷水系统依赖于使用环境温湿度，在不同的地区，节能效果各有差异，经分析可得出，幅员辽阔的严寒地区、寒冷地区以及夏热冬冷地区等中高纬度地区全年大部分时间都是乙二醇自由冷却模式、直接蒸发冷却模式、间接- 直接蒸发冷却模式运行，蒸发冷却冷水系统在我国绝大部分地区都有着较大的市场潜力和节能潜力。
蒸发冷却冷水系统中靠蒸发冷却或乙二醇自由冷却为数据中心制冷的时常是数据中心全年运行节能的关键，对空调系统的设计重点应是全年有更多的时间允许自然冷却模式运行，而极端天气时用机械制冷辅助（条件允许可采用蒸发冷却新风补冷，系统更加节能）。