數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻技術(shù)

間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應(yīng)用，近年來漸漸得到了國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)大廠的青睞，且在國內(nèi)的很多地區(qū)都有了應(yīng)用案例。

本期，我們繼續(xù)來探討數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)自然冷卻技術(shù)的相關(guān)知識。

一、4類氣流組織形式產(chǎn)品

當(dāng)前應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的AHU產(chǎn)品形式各異，目前投入使用的AHU氣流組織形式主要分為4類，分別是：外冷式、內(nèi)冷式、兩段內(nèi)冷式和預(yù)冷式。

1、外冷式。

首先我們先定義AHU內(nèi)循環(huán)風(fēng)稱為一次側(cè)風(fēng)，外循環(huán)風(fēng)作為二次側(cè)風(fēng)，方便后面的介紹。在外冷式中，二次風(fēng)進入AHU后，先經(jīng)過濕膜的降溫，然后再進入換熱芯體內(nèi)與一次風(fēng)發(fā)生間壁式換熱。

這種組織形式的優(yōu)點是，換熱芯體內(nèi)減少了發(fā)生結(jié)垢、臟堵、腐蝕的風(fēng)險，同時二次側(cè)噴淋水不易被裹挾出設(shè)備，因此WUE指標(biāo)較好；缺點是相比于內(nèi)冷式的換熱效率低，且相同冷量機型尺寸更大。

2、內(nèi)冷式。

內(nèi)冷式是把外冷式的濕膜噴淋與換熱芯體換熱兩個環(huán)節(jié)合并為一個換熱過程了，即二次風(fēng)進入機組后經(jīng)過防塵過濾后就直接進入換熱芯體與一次風(fēng)間壁式換熱。如果需要蒸發(fā)冷卻則在二次風(fēng)進換熱芯體前開啟噴淋水，實現(xiàn)對二次風(fēng)蒸發(fā)冷卻，同時強化換熱芯體換熱效果。

這種組織形式的優(yōu)點是，換熱芯體的換熱效率高，相同冷量下的整機尺寸緊湊；缺點是噴淋水直接與換熱芯體接觸，芯體發(fā)生結(jié)垢、臟堵風(fēng)險性提高，且存在未被完全蒸發(fā)的水滴隨二次風(fēng)裹挾排到環(huán)境中去，WUE指標(biāo)相對差一些。

3、兩段內(nèi)冷式。

兩段內(nèi)冷式，顧名思義，它的換熱過程分兩個階段，因此換熱芯體分成連接在一起的兩段。

第一段換熱芯體內(nèi)發(fā)生內(nèi)冷換熱，即二次風(fēng)經(jīng)防塵過濾，再經(jīng)過噴淋蒸發(fā)降溫后進入換熱芯體與從第二段換熱芯體換熱降溫后的一次風(fēng)發(fā)生間壁式換熱；

第二段內(nèi)發(fā)生干冷換熱，即從第一段換熱芯體換熱后的二次風(fēng)進入第二段換熱芯體與從機房回風(fēng)口來的高溫一次風(fēng)間壁式換熱，該段換熱結(jié)束后二次風(fēng)排到環(huán)境中去，一次風(fēng)再進入第一段換熱芯體進行二次降溫?fù)Q熱。

這種組織形式的初衷是因為內(nèi)冷式的二次風(fēng)經(jīng)換熱芯體換熱后排到環(huán)境的溫度往往是低于環(huán)境溫度的，因此還存在冷量利用的價值，因此在原有內(nèi)冷的基礎(chǔ)上增加了干冷換熱環(huán)節(jié)，利用機房回風(fēng)的高溫與內(nèi)冷換熱后尚有冷量的二次風(fēng)進一步換熱，提高了利用效率，同時WUE指標(biāo)也更優(yōu)秀。這種組織的缺點是相同冷量的機型，機組尺寸較大，且一、二次側(cè)的風(fēng)阻較大。

4、預(yù)冷式。

預(yù)冷式的換熱過程也可以分兩部分，分別發(fā)生在兩個換熱部件里面，先后是換熱盤管與換熱芯體。因為間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是需要有循環(huán)噴淋水來蒸發(fā)冷卻的，且噴淋水的溫度一定是低于環(huán)境的最低濕球溫度，為了進一步挖掘噴淋水的顯熱換熱能力，預(yù)冷式架構(gòu)中噴淋水先流經(jīng)換熱盤管與剛吸入設(shè)備的二次風(fēng)換熱，達到預(yù)冷二次風(fēng)的效果，然后再到換熱芯體噴淋蒸發(fā)，發(fā)生內(nèi)冷換熱過程。

此架構(gòu)的優(yōu)點是充分挖掘了噴淋水的顯熱潛力，提高了整機的換熱效率；缺點是相比內(nèi)冷式，增加了預(yù)冷換熱器及控制裝置，設(shè)備成本有所增加。

二、換熱芯體的不同

換熱芯體是IEC內(nèi)最核心的部件，因為它的換熱效率、可靠性、氣密性、耐壓性、結(jié)構(gòu)強度等直接影響到IEC整機使用時的性能。目前在用的IEC換熱芯體主要分兩種：金屬芯體、非金屬芯體。

其中非金屬芯體的材質(zhì)是一種高分子聚合物，特點是風(fēng)道尺寸大，不容易發(fā)生臟堵，且噴淋布水均勻度好，缺點是單位體積換熱效率低，整機尺寸較大，非金屬換熱芯體的代表廠家是蒙特，例如管板表面帶突起的聚合物蒸發(fā)換熱器-Oasis IEC 200。

另一大類-金屬芯體的材質(zhì)通常采用鋁或者不銹鋼，并在表面做了環(huán)氧涂層的工藝處理，因此芯體表面呈現(xiàn)金黃色。其中針對其特性而定制化的水性環(huán)氧涂層一方面增強了表面的親水特性，另一方面增強了芯體的耐腐蝕能力，但是需要注意的是環(huán)氧涂層怕紫外線，因此使用中要注意遮陽防曬。金屬換熱芯體供應(yīng)代表廠家有Heatex AB、Excool等。

目前國內(nèi)IEC設(shè)備廠家主流采用金屬芯體，代表有華為，阿爾西，英維克等。

三、風(fēng)機布局不同

目前主流IEC廠家風(fēng)機布局分兩種：

A：一次側(cè)抽風(fēng)、二次側(cè)抽風(fēng)；

B：一次側(cè)鼓風(fēng)、二次側(cè)抽風(fēng)。

在A方案中：

由于一二次側(cè)都是抽風(fēng)，換熱芯體內(nèi)存在一次風(fēng)側(cè)靜壓小于二次風(fēng)側(cè)的可能，此外換熱芯體不可能做到完全的密封，經(jīng)統(tǒng)計，主流的金屬換熱芯體在400Pa壓差下密封泄漏量是0.1%，因此存在二次風(fēng)泄漏進入一次側(cè)造成污染的風(fēng)險。另一方面，這種布局的好處是換熱芯體的兩側(cè)壓差較小，因此對換熱芯體的結(jié)構(gòu)強度要求小。

在B方案中：

由于一次側(cè)風(fēng)采用的是鼓風(fēng)方式，換熱芯體的一次側(cè)氣壓高于二次側(cè)，杜絕了二次風(fēng)泄漏進一次造成污染的可能性，缺點是換熱芯體一二次側(cè)的壓差增大很多，對換熱芯體的結(jié)構(gòu)強度要求高（目前僅有特殊設(shè)計的具有高耐壓性能的換熱芯體可以滿足4000Pa壓差的強度要求）。此外兩種風(fēng)機布局形式對換熱芯體內(nèi)的氣流均勻度及換熱強度也有不同程度的影響。

四、噴淋技術(shù)的不同

不同設(shè)備廠家選擇的噴淋方案也有所區(qū)別，主要影響的是噴淋的均勻度與霧化顆粒度。噴嘴的形式眾多，例如實心錐、空心錐、扇形、靶式撞擊錐等，形式?jīng)Q定了噴淋布水的均勻度，覆蓋面積、霧化顆粒度等參數(shù)。

此外，循環(huán)噴淋水的管路壓力也會影響噴淋效果，這取決于設(shè)備廠家的設(shè)計方案。其中，高壓噴淋的噴淋霧化顆粒度小，提高了水滴與空氣的換熱效率，缺點是沒有完全蒸發(fā)的霧化水滴顆粒小，很容易被二次風(fēng)裹挾帶到環(huán)境中去，增大了噴淋水的損耗；中壓噴淋的霧化顆粒度大，水滴與空氣的換熱效率相對較差，但由于顆粒度大，所以減少了被二次風(fēng)裹挾帶走的概率，相對更節(jié)水。因此霧化噴淋方案需要結(jié)合蒸發(fā)換熱芯體、氣流組織設(shè)計等方面整體做選擇。

不同噴嘴的噴淋霧化效果

五、不同模式切換

目前主流IEC設(shè)備廠商提供的設(shè)備都支持三種模式切換：干模式（室外干球溫度《16℃）、濕模式（室外干球溫度》16℃且濕球溫度《19℃）、混合模式（室外濕球溫度》19℃）。

當(dāng)然，用戶可以根據(jù)項目所在地的30年極端氣候參數(shù)做功能模式的取舍，例如地處高緯度地區(qū)的常年最高濕球溫度不超過19℃，則客戶需求的IEC設(shè)備就不需配置DX補冷設(shè)備，進而節(jié)省了設(shè)備初投資。雖然主流的IEC廠家都支持三種模式的運行，但是不同廠商的產(chǎn)品整機控制水平相差甚遠，設(shè)備運行的可靠性、節(jié)能、節(jié)水效果則均受控制水平的影響。

另外，將產(chǎn)品拆解成部件來看，IEC內(nèi)的耗能部件主要有一、二次側(cè)的循環(huán)風(fēng)機、噴淋水系統(tǒng)、軟水處理系統(tǒng)、DX補冷系統(tǒng)。在同一種熱負(fù)荷及室外環(huán)境溫度下，IEC可以有很多種的不同狀態(tài)組合以滿足IT設(shè)備的散熱要求，例如噴淋多一些，則循環(huán)風(fēng)機轉(zhuǎn)速可以低一點；DX補冷比例高一些則噴淋可以少一點等。

因此在不同工況下，必然存在系統(tǒng)運行的動態(tài)平衡和最優(yōu)參數(shù)設(shè)置，同時節(jié)電優(yōu)先還是節(jié)水優(yōu)先的效能最大化目標(biāo)還需要根據(jù)具體客戶的需求來調(diào)整。

審核編輯 ：李倩