分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建” [课程编码4022]

2020年第7期——分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”
一、引言

随着互联网、云计算、大数据、AI等新兴技术的快速发展，数据中心的规模和功率密度呈现出了快速上涨的趋势，对数据中心建设提出更高的要求，数据中心的能效水平将得到重视。如何能快速、高效、弹性地建设数据中心，以满足新兴业务对数据中心的多样化需求，显得尤为重要。

空调系统是数据中心的关键系统，能耗占比大。以一个PUE为1.5的数据中心为例，空调系统能耗占到数据中心总能耗的30%左右，在非IT设备能耗中占据绝大部分比例。因此，提高空调系统能效水平是降低数据中心能耗最直接有效的措施。

回顾数据中心的发展历程，在数据中心刚刚兴起时，几乎全部采用直膨式精密空调。而后随着数据中心规模越来越大，对能效要求也越来越高，高能效集中式冷冻水系统得到大规模应用。目前，国内大型数据中心90%以上均采用冷冻水系统，通过提高冷冻水温、采用新型空调末端及变频技术等手段，优秀的数据中心可以将PUE控制在1.3以内。冷冻水系统运行原理及现场布置图如图1、图2所示。

集中式冷冻水系统虽然得到了非常广泛的应用，但也存在一定的局限：

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

   

图1 冷冻水系统运行原理

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

   

图2 冷冻水系统现场布置图

（1）系统复杂：整个冷却系统由数十种主设备、数千米冷冻水管路、上千个阀门传感器组成，这将导致现场施工复杂，对实施能力、项目管理、招标采购、测试验收等均提出了很高的要求，现场施工质量难以保证。

（2）交付速度慢：由于系统复杂度高，上下游关联性强，依赖现场施工，建设周期长，无法满足新时代数据中心快速建设、灵活部署的需求。

（3）运营调优难：国内大型数据中心年均PUE值约为1.5-1.8，需要科学精细的运营调优才能将PUE控制在1.3以下，大部分用户难以实现，且系统难以实现自动化运行，对运维人员依赖强。

目前一种新型的间接蒸发冷却系统（英文简称IDEC，Indirect Evaporative Cooling）可能彻底颠覆集中式冷冻水空调系统。IDEC是一种简单、高效的数据中心冷却方案，其技术特点完美匹配当前数据中心的建设、运维需求，将越来越被数据中心行业认可。

二、技术分析2.1 系统构成

IDEC机组由箱体、室内风机、室外风机、空空换热器、喷淋水泵、DX（直膨式制冷）系统、电控系统组成。IDEC利用水蒸发冷却技术原理如图3所示，通过空空换热器实现室内空气与室外空气的不接触换热。机组一般有三种工作模式：①干模式：当室外环境温度较低时，仅仅依靠空空换热器即可完成冷却。②喷淋模式：当室外环境温度升高但湿球温度仍较低时，开启喷淋系统，利用水蒸发带走热量完成冷却。③混合模式：当室外环境湿球温度较高时，需要同时开启喷淋系统及DX制冷系统完成冷却。三种运行模式下，均可以实现全部或者部分的自然冷却，以达到降低能耗的效果。

2.2 系统对比

以一个中型数据中心为例，采用集中式冷冻水系统和采用间接蒸发冷却系统的数据中心系统配置如下表1和表2所示。

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

   

图3 间接蒸发冷却运行原理

表1 集中式冷冻水系统配置

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

      

表2 间接蒸发冷却系统配置

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

      

集中式冷冻水系统是一套非常复杂的系统，包含冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器、蓄冷罐、空调末端等主设备以及复杂的阀门管路系统、水处理设备、补水设备等配套设备。而间接蒸发冷却系统仅需要一种主设备和少量配套设备就可以完成冷却过程。间接蒸发冷却比冷冻水系统可减少80%主要设备、95%阀门管路及60%监控点位，系统复杂度得到极大简化。

集中式冷冻水系统需要经过三到四次换热如图4所示才能将数据中心的热量散发到大气中，自然冷却温差（环境湿球温度-机房送风温度）一般为9-14℃。而IDEC系统则是一种简单、高效的系统，仅需要通过一次换热如图5所示，就可以完成数据中心与室外大气的热交换，自然冷却温差一般可控制在7℃以下，温差更小将意味着IDEC可以更长时间地利用自然冷源。

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

   

图4 冷冻水系统换热示意

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

   

图5 IDEC系统换热示意

2.3 技术优势

通过以上对比，我们来深入分析一下IDEC方案的技术优势。

（1）快速部署：IDEC是一种高度预制化的产品，冷却系统设备数量及工程量大幅度减少，工厂内预制生产，现场仅需要简单的吊装、拼接、接电、接水、接风管即可完成交付，数据中心设计、招标采购、供货安装、综合测试各个环节大幅度效率提升，冷却系统建设效率提升80%以上。

（2）节能节水：在我国绝大部分地区，间接蒸发冷却与冷冻水系统相比，自然冷却时长可延长1000-2000小时，比冷冻水系统节能20%～50%（因气象参数及运行工况有所差异）。IDEC机组在环境温度较低时，采用干式冷却的运行模式，全年节水率达到50%-70%，非常适合应用在水资源紧张的地区。

（3）更低成本：因为IDEC的DX系统一般无需满配置，其全年峰值PUE比冷冻水系统更低，相同的市电引入容量下，分配给服务器的电量提升20%-40%，数据中心单位ITkW的建设成本将大幅度降低。

（4）运行安全：IDEC为分布式的系统，设备故障仅会影响对应区域，冷却系统无大面积集中故障的风险，可靠性极大提升。由于IDEC的换热原理是室内空气与室外空气不接触换热，室外空气不会进入到IT机房内，故室外空气质量不会对IT设备造成影响。IDEC为主动送风方案，与为了追求高能效的冷冻水近端空调末端相比，无水浸服务器的风险。

（5）简化运维：在数据中心运行阶段，IDEC机组设定好相关参数后，可以根据室外环境的变化，自动调节运行模式，实现完全自动化运行，大幅度提高运维效率。日常运维仅需要对过滤网进行清洗，无复杂运维调优工作，对运维人员的专业素质要求也大大降低，有利于节省运维成本。

三、适用场景3.1 建筑适用性

IDEC设备体积庞大，因每台机组均需要向大气中散发热量，IDEC设备一般只能布置在数据中心建筑的外围地面或者屋面。当选择地面布置时，需考虑机组布置间距以满足合理的气流组织和足够的检修维护空间；当选择屋面布置时，建筑结构需要考虑抗震、防水等问题。对于新建数据中心，IDEC设备更加适用于不超过三层的数据中心，当数据中心因土地资源紧张需要建设三层以上的数据中心时，IDEC设备只能在建筑外围堆叠布置，需要特别考虑机组的进排风问题，以避免进排风短路影响运行效果。对于老旧建筑改造的数据中心，通过核算建筑外围及屋面的承重及空调条件，可以快速判断是否适合采用间接蒸发冷却技术。

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

   

图6 IDEC三层布置方案1

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

   

图7 IDEC三层布置方案2

3.2 地域适用性

间接蒸发冷却方案并没有明显的地域不适性，机组在干模式条件下，温度越低，节能效果越明显。喷淋模式下，气候越干燥，经过喷淋后，干湿球温差越大，节能效果越明显。IDEC机组较为依赖于使用环境的温湿度，在不同的地区，节能效果各有差异，但与传统的集中式冷冻水系统相比，几乎在我国任何气候条件下，均有比较显著的节能效果。

间接蒸发冷却系统有良好的节水性能，在水资源紧张的地区尤为适用。同时，间接蒸发冷却方案为不接触换热，无室外新风引入，对环境空气质量无特殊要求。

3.3 其他适用性

间接蒸发冷却属于风冷范畴，适合中低功率密度服务器机柜，但通过优化机柜布局，可以支持单机柜20kW以上的需求。

如前文所述，若将IDEC机组布置在数据中心建筑屋面，机组的送回风管需要贯穿屋面，若处理不好，会带来漏水风险。

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

  

四、系统及产品设计4.1 系统设计

在进行数据中心园区规划时，首先要考虑的是当地政府对容积率的要求，以此来判定需要建设的数据中心的楼层数量。三层及以下的数据中心采用间接蒸发冷却方案相对简单，如图6及图7所示，通过合理的功能区域布局，可为IDEC机组侧面安装或者屋面安装预留条件；若数据中心楼层数量超过三层，一般会出现IDEC机组堆叠侧面安装的情况，这时需要考虑机组进排风问题，应采用集中风井或其他措施避免机组冷热气流短路，影响机组运行效果。

间接蒸发冷却系统峰值PUE的计算与容量规划直接相关，在进行峰值PUE计算时需要结合当地极端气象参数、IDEC机组的负载率、配套及辅助系统的峰值功率等因素综合精确计算。在确定最大支持IT负载后，还应根据IT业务类型、历史功耗数据等因素综合考虑IT同时使用系数，确定合理的机架数量。如能在服务器上架及运行阶段对IT进行容量管理，效果更佳。

分布式间接蒸发冷却技术赋能IDC“新基建”

  

4.2 产品设计

间接蒸发冷却系统设计完成后，还需要对间接蒸发冷却产品进行明确的定义，才能发挥间接蒸发冷却技术的最大优势，以下内容列举了间接蒸发冷却产品的技术关键点。

（1）极端湿球温度及DX配比关系到机组是否能在当地任何气象条件下达到设计制冷能力。DX配置比例与极端湿球温度、送回风温度直接相关，差异大，在IDEC机组选型时，应明确定义设计极端湿球温度。

（2）换热温差是决定机组节能运行的关键参数，温差越小，利用自然冷却的时间则越长，机组将更加节能，需结合机组设计、经济性、空空换热器性能等综合考虑。

（3）机组供电：IDEC机组内的用电设备可分为两类：水泵、风机、控制器、阀门、传感器为Ⅰ类负荷，DX系统为Ⅱ类负荷。Ⅰ类负荷一般采用UPS供电，Ⅱ类负荷根据项目需要有所差异，夏季极端湿球温度下市电中断后，机房温升在允许范围内时，Ⅱ类负荷可采用市电供电，否则，也需配备UPS电源。

（4）控制系统：IDEC机组分布式安装，独立工作，无需复杂群控系统，可实现全年不间断自动运行。控制逻辑方面，应具备模式切换、运行参数控制、故障管理等模块，需重视控制逻辑及功能测试，保证现场运行安全。

五、应用展望

新时代已经来临，业务呈现多样性、爆发性增长，数据中心也将呈现规模变大、增长变快、硬件形态变多、功率密度提升的趋势。传统的数据中心技术方案及建设模式已经逐渐不能满足这种需求变化，虽然液体冷却的技术也在快速发展，但是未来相当长的一段时间，风冷技术还将会占据主场。简单、分布式、预制化的间接蒸发冷却方案能够满足数据中心快速、高效、弹性的建设需求，必将会加速IDC“新基建”的快速发展。■

参考文献：

[1] GB50174-2017《数据中心设计规范》

[2]《数据中心间接蒸发冷却技术白皮书》

原文刊载于《互联网天地》2020年7期，作者：李代程，单位：百度在线网络技术（北京）有限公司