從最初考慮送風(fēng)要高于機(jī)房環(huán)境的露點(diǎn)開始到現(xiàn)在為了充分利用冷機(jī)的特性，數(shù)據(jù)中心的冷凍水供、回水溫度逐步在提升，從最初與民用建筑用的供、回水7 / 12 oC，到10 / 15 oC，和12 / 18 oC、15 / 21 oC，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)17/ 23 oC的供回水溫度的數(shù)據(jù)中心了。供水水溫的提高，可以讓冷源系統(tǒng)中冷機(jī)的能效提升，設(shè)備供應(yīng)商給出的參數(shù)大約是，每提升1 oC，大約可以降低3%的能耗。
不同供、回水溫度下冷水機(jī)組COP值的變化趨勢(shì)
近年在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域又提出了大溫差、小流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將冷源系統(tǒng)的供、回水的溫差從原來的5～6oC提升到8～10oC，通過提高溫差，可以降低系統(tǒng)水流量的需求，可以降低系統(tǒng)管路的延程損失并且可以降低循環(huán)水泵的功率，從而進(jìn)一步提升了冷源系統(tǒng)的能效。
對(duì)于數(shù)據(jù)中心不間斷制冷，水蓄冷的應(yīng)用形式可以分為開式和閉式2種。開式蓄冷系統(tǒng)技術(shù)成熟、冷水的分層效果明顯、造價(jià)相對(duì)較低，因此數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多采用這種形式。另一方面，設(shè)計(jì)中常將開式蓄冷罐并聯(lián)至空調(diào)系統(tǒng)中，為水系統(tǒng)定壓，使其液位高度高于系統(tǒng)最高點(diǎn)（通常大于等于0.5 m），罐體直徑根據(jù)系統(tǒng)需要確定，這使得開式蓄冷罐的高徑比較大，蓄冷效率較高。巨型數(shù)據(jù)中心采用的開式蓄冷罐的蓄水容積通常大于300 立方米，其高徑比通常大于3，蓄冷效率一般在85％以上。
開式蓄冷罐應(yīng)用示意
閉式蓄冷罐單體容積一般較小，通常設(shè)置在建筑內(nèi)部，串聯(lián)接入空調(diào)系統(tǒng)中，蓄冷罐內(nèi)的冷水持續(xù)流動(dòng)以保證隨時(shí)保有備用蓄冷量。閉式蓄冷罐要求有承壓能力，對(duì)于材質(zhì)的要求較高，其施工難度與造價(jià)也相對(duì)較高。當(dāng)布水器配置不好時(shí)，罐內(nèi)的冷溫水混合現(xiàn)象非常嚴(yán)重，形不成穩(wěn)定的斜溫層，使得閉式蓄冷罐的蓄冷效率通常較開式蓄冷罐低。
由于大型數(shù)據(jù)中心普遍采用離心式冷水機(jī)組，當(dāng)制冷負(fù)荷減小到一定程度時(shí)，制冷機(jī)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p壞壓縮機(jī)的導(dǎo)葉。而數(shù)據(jù)中心在初始運(yùn)行時(shí)，制冷負(fù)荷有時(shí)可能只有額定負(fù)荷的15％～20％。這時(shí)可以停止冷水機(jī)組工作，利用蓄冷罐進(jìn)行供冷，從而保護(hù)冷水機(jī)組，并且提高其運(yùn)行效率。
由于水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有削峰填谷的功能，因此整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)可以考慮節(jié)能運(yùn)行模式設(shè)計(jì)，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置一用一備的蓄冷罐，在夜間利用備用制冷機(jī)制備冷水存儲(chǔ)在蓄冷罐內(nèi)，白天利用蓄冷罐存儲(chǔ)的冷量進(jìn)行放冷。對(duì)于前期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，蓄冷罐承擔(dān)末端的全部用冷需求；當(dāng)后期負(fù)荷加大時(shí)，蓄冷罐承擔(dān)末端部分時(shí)段的用冷需求。這樣一方面可以有效利用備用的冷水機(jī)組與應(yīng)急蓄冷系統(tǒng)，避免冷水機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行，提高其運(yùn)行效率；另一方面減少制冷機(jī)白天開機(jī)時(shí)間，對(duì)于有合理分時(shí)峰、谷電差價(jià)的地區(qū)，可降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。
開式蓄冷罐的節(jié)能應(yīng)用示意
某數(shù)據(jù)中心的冷源配置為三用一備，離心式冷水機(jī)組的容量為4550 kW，設(shè)計(jì)供回水溫度為10 ℃/16 ℃，夜間低谷電價(jià)時(shí)段開啟備用制冷機(jī)制備6 ℃冷水存儲(chǔ)在蓄冷罐內(nèi)，白天用電高峰時(shí)段，蓄冷水與冷水回水混合成為10 ℃供給末端空調(diào)設(shè)備。分析表明，采用蓄冷系統(tǒng)夜間蓄冷、白天放冷的節(jié)能運(yùn)行策略，可以降低制冷系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，每年運(yùn)行電費(fèi)節(jié)約9.03％。
上述案例中的蓄冷溫差為10 ℃，取得了良好的節(jié)能效果，而對(duì)于采用中、高溫冷水（供水溫度高于12 ℃）設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，如果降低蓄冷水溫，采用大溫差蓄冷（7 ℃/18℃），節(jié)能效果會(huì)更加顯著。
數(shù)據(jù)中心蓄冷量的設(shè)計(jì)值一般是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行15分鐘的冷量，假設(shè)系統(tǒng)前期運(yùn)行時(shí)的設(shè)備負(fù)載只有設(shè)計(jì)負(fù)荷的10％～20％，那么單個(gè)蓄冷罐可以保證系統(tǒng)75~150分鐘的運(yùn)行供冷。而對(duì)于雙路供水設(shè)計(jì)或者備份蓄冷罐設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)，蓄冷系統(tǒng)則可以保證數(shù)據(jù)中心約2.5~5小時(shí)的運(yùn)行供冷，減少白天制冷機(jī)在部分負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間，保證冷水機(jī)組始終運(yùn)行在高效制冷區(qū)間。
水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行模式設(shè)計(jì)，可以有效地利用備用的冷水機(jī)組與應(yīng)急蓄冷系統(tǒng)，減少白天制冷機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，保證冷水機(jī)組運(yùn)行在高效區(qū)間。而對(duì)于分時(shí)峰、谷電差價(jià)的地區(qū)，可以顯著降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，提高電能利用效率。
在數(shù)據(jù)中心蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以通過采用低溫水蓄冷，增大蓄冷溫差，系統(tǒng)的節(jié)能效果會(huì)更加顯著。
隨著數(shù)據(jù)中心對(duì)環(huán)境溫、濕度限制的降低以及對(duì)能耗降低的追求，讓越來越多的數(shù)據(jù)中心會(huì)以自然冷源為主 部分機(jī)械制冷的方式，下面介紹幾種已經(jīng)采用的方案。
1、新風(fēng)自然冷源系統(tǒng)
室外新風(fēng)自然冷卻是直接用室外的低溫空氣冷卻室內(nèi)設(shè)備，通過調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)的比例，經(jīng)過過濾系統(tǒng)處理后直接引入室內(nèi)機(jī)房，使室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的范圍內(nèi)，這種方式直接利用了室外冷空氣。直接新風(fēng)自然冷卻精密空調(diào)系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)模塊、節(jié)能混風(fēng)箱模塊（含新風(fēng)閥、回風(fēng)閥及防霜風(fēng)閥）、排風(fēng)閥等組成。
新風(fēng)直接自然冷卻方案示意圖
2、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)
蒸發(fā)冷卻主要分為直接蒸發(fā)冷卻（DEC：DirectEvaporative Cooling）和間接蒸發(fā)冷卻（IEC：Indirect Evaporative Cooling）。
直接蒸發(fā)冷卻（DEC）是指空氣與水大面積的直接接觸，由于水的蒸發(fā)使空氣和水的溫度都降低，此過程中空氣的含濕量有所增加，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，這是一個(gè)絕熱降溫加濕過程。整個(gè)蒸發(fā)冷卻過程通常在冷卻塔、噴水室或其他絕熱加濕設(shè)備內(nèi)實(shí)現(xiàn)。直接蒸發(fā)冷卻可以和直接自然冷方案結(jié)合使用，進(jìn)一步提高自然冷應(yīng)用時(shí)間，降低能耗。
直接蒸發(fā)冷卻
間接蒸發(fā)冷卻（IEC）是指把直接蒸發(fā)冷卻過程中降溫后的空氣和水通過非接觸式換熱器冷卻待處理的空氣，那么就可以得到溫度降低而含濕量不變的送風(fēng)空氣，此過程為等濕冷卻過程。若把直接蒸發(fā)冷卻中用的空氣稱二級(jí)空氣，待處理的空氣稱一級(jí)空氣，則可得到用間接蒸發(fā)冷卻裝置原理圖：
間接蒸發(fā)冷卻原理圖
間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備的核心部件是空氣-空氣熱交換器，按熱交換器形式不同大致可分為以下三種：板式，管式和熱管式。無論哪種換熱器都具有兩個(gè)互不聯(lián)通的空氣管道，借助兩個(gè)通c道的間壁，使一級(jí)空氣得到冷卻。
目前在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多的是板式和管式間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備。
管式換熱器，數(shù)據(jù)中心內(nèi)熱空氣從側(cè)面進(jìn)入換熱器管內(nèi)，沿管道被冷卻后再次送入數(shù)據(jù)中心。室外側(cè)干冷空氣從底部進(jìn)入換熱器，在管道外側(cè)蒸發(fā)冷卻降溫后再冷卻管內(nèi)的熱空氣，然后從上部排出。
管式換熱器換熱過程圖
板式間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備由一組金屬板或復(fù)合材料組成。板式間接蒸發(fā)冷卻其中的二級(jí)空氣來自于室外新風(fēng)，一二級(jí)空氣的比例對(duì)板式間接蒸發(fā)冷卻其的冷卻效率影響較大，兩側(cè)空氣在金屬板面上進(jìn)行熱交換。
板式換熱器換熱過程圖
國內(nèi)已經(jīng)有采用直接新風(fēng)系統(tǒng)、直接蒸發(fā)冷卻（DEC）和間接蒸發(fā)冷卻（IEC）的大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的案例，應(yīng)用前景非常良好。
3、地表水
利用地表水作為冷源，是非常高效的一種冷卻方式。地球表面淺層水源（一般在1000 米以內(nèi)），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，水源的溫度一般都十分穩(wěn)定。由于水源溫度低，所以可以高效地帶走熱量，以達(dá)到夏季給建筑物室內(nèi)制冷的目的。此類方案應(yīng)用現(xiàn)在還比較少，需要因地制宜。一般采用閉式系統(tǒng)，即僅僅利用自然水源的冷量，但不消耗水源的水。2000年美國康奈爾大學(xué)（Cornell University）抽取大學(xué)附近的深層湖水為近40萬平方米的校區(qū)供冷，2010年Goolge在芬蘭灣建立了一座大型利用海水冷卻的數(shù)據(jù)中心，還有日內(nèi)瓦某數(shù)據(jù)中心采用的是湖水散熱, 2015年在千島湖的阿里巴巴數(shù)據(jù)中心采用了深湖水自然冷，水溫常年恒定，可以全年采用自然冷。
地表水自然冷卻方案需要注意：
（1）利用江河湖水作為冷源
利用江河湖水作為冷源，需要對(duì)地表水水體資源和環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，不能影響生態(tài)環(huán)境（湖水溫是分層的，對(duì)應(yīng)的生物群也是分層的），取得相關(guān)部門的批準(zhǔn)。當(dāng)江河湖作為航運(yùn)通道時(shí)，取水口和排水口的設(shè)置位置，還應(yīng)該取得航運(yùn)主管部門的同意。取水口應(yīng)設(shè)在水位較深、水質(zhì)較好的位置，并在排水口的上游，遠(yuǎn)離排水口。應(yīng)考慮豐水、枯水季節(jié)的水位差，并應(yīng)有措施防止洪水對(duì)數(shù)據(jù)中心造成影響。寒冷地區(qū)使用，系統(tǒng)要有防凍設(shè)計(jì)。
采用江河湖水作為冷源的系統(tǒng)，中間應(yīng)設(shè)計(jì)有換熱器，將外界水源與空調(diào)循環(huán)水進(jìn)行隔離，換熱器應(yīng)可以現(xiàn)場(chǎng)拆卸和清洗。還應(yīng)該設(shè)計(jì)有過濾、清洗和滅藻等水處理措施。
（2）利用海水作為冷源
應(yīng)收集海水的水文狀況，溫度變化規(guī)律（30年取水點(diǎn)區(qū)域的變化）等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)有措施避免漲潮、海嘯等事件對(duì)數(shù)據(jù)中心造成危害。
開式系統(tǒng)的取水口深度應(yīng)距離海底高度宜大于2.5米，取水口應(yīng)能抵抗大風(fēng)和海水的潮汐引起的水流應(yīng)力。取水口應(yīng)設(shè)置過濾器、殺菌除藻和防微生物附著的裝置，排水口與取水口應(yīng)保持一定距離，與海水接觸的設(shè)備及管道，應(yīng)具有耐海水腐蝕特性，和采用防微生物附著的措施，在結(jié)凍區(qū)需要注意防凍。海水冷卻系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置中間換熱器，海水不能進(jìn)入室內(nèi)側(cè)空調(diào)系統(tǒng)，將外界水源與空調(diào)循環(huán)水進(jìn)行隔離，換熱器應(yīng)可以現(xiàn)場(chǎng)拆卸和清洗。
（3）采用污水作為冷源
應(yīng)考慮污水水溫、水質(zhì)及流量的變化規(guī)律和對(duì)后續(xù)污水處理工藝的影響，采用開式原生污水源系統(tǒng)時(shí)，取水口應(yīng)設(shè)置過濾裝置和連續(xù)反沖洗功能，取水口處的污水量應(yīng)穩(wěn)定，排水口與取水口應(yīng)保持一定距離，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置中間換熱器，污水不應(yīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心, 換熱器應(yīng)具備拆卸、清洗的條件。
(本文節(jié)選自《數(shù)據(jù)中心冷源技術(shù)白皮書》)
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