１.１ 數(shù)據(jù)中心機房熱環(huán)境要求  

原國家標(biāo)準(zhǔn)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范：ＧＢ５０１７４—２００８》規(guī)定，Ａ、Ｂ級機房熱濕環(huán)境要求主機房溫度（２３±１）℃，相對濕度４０％～５５％，不得結(jié)露。新國家 標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范：ＧＢ５０１７４—２０１７》將機房熱濕環(huán)境要求改為：冷通 道或機柜進風(fēng)區(qū)域的溫度１８～２７℃，露點溫度５.５～１５℃，同時相對濕度≤６０％；當(dāng)ＩＴ設(shè)備對環(huán)境溫度和相對濕度要求放寬時，機房冷通道或進風(fēng)區(qū)域的溫度允許擴大到１５～３２℃。 

國家標(biāo)準(zhǔn) 《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范：ＧＢ５０１７４—９３》制定時，服務(wù)器還不能在較高的溫度下穩(wěn)定運行，經(jīng)過材料科學(xué)、制冷科學(xué)２０余年的發(fā)展，ＩＴ設(shè)備及機房空調(diào)系統(tǒng)性能有了很大的提升，實踐證明服務(wù)器可以在高達２７ ℃進風(fēng)條件下安全 穩(wěn)定運行。隨著新的國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī) 范：ＧＢ５０１７４—２０１７》中溫度上限的進一步提高，數(shù)據(jù)中心的供冷方案將進入高送風(fēng)溫度控制時代。水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以利用較小的輸入能耗產(chǎn)出合適的高溫冷水，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域可發(fā)揮更好的作用。

１.２ 供回水溫度   

在集中式空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中，供回水溫度是一個關(guān)鍵指標(biāo)。新國家標(biāo)準(zhǔn)出臺后，進風(fēng)區(qū)域溫度的提高意味著末端供回水溫度也可以適當(dāng)提高。一方面在傳統(tǒng)壓縮式制冷系統(tǒng)中，冷水機組制冷效率可顯著提高；另一方面，水側(cè)蒸發(fā)冷卻也增加了適用范圍，數(shù)據(jù)中心高運行能耗的問題得到了緩解。

近幾年來，新建數(shù)據(jù)中心的冷凍水供水溫度都有很 大的提高，傳統(tǒng)供回水溫度７℃／１２ ℃的數(shù)據(jù)中心 已經(jīng)退出歷史舞臺。ＧＢ５０１７４—２０１７規(guī)定機房冷 凍水供水溫度為７～２１℃，冷凍水回水溫度為１２～２７℃。很多互聯(lián)網(wǎng)云計算數(shù)據(jù)中心更側(cè)重高供水 溫度的設(shè)計，一些大型數(shù)據(jù)中心在定制耐高溫服務(wù)器的前提下，冷凍水溫度已提高至１５～１８ ℃。水側(cè)蒸發(fā)冷卻所產(chǎn)生的高溫冷水用于數(shù)據(jù)中心冷卻與相應(yīng)的空調(diào)末端形式匹配。根據(jù)布置位置的不同，機房空調(diào)末端形式可分為房間級、列間級和機架級。列間級或機架級的空調(diào)末端相對服務(wù)器距離較近，氣流輸送距離短、能耗低，且對冷凍 水與回風(fēng)之間的換熱溫差敏感性低。因此，機架級或列間級的空調(diào)末端形式更適合水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用。

１.３水側(cè)蒸發(fā)冷卻出水溫度   

水側(cè)蒸發(fā)冷卻出水溫度一方面以冷卻塔為主，其出水溫度高于環(huán)境濕球溫度，用逼近度表征冷卻塔出水溫度。當(dāng)室外濕球溫度降到低于系統(tǒng)要求的冷卻塔出口水溫５℃時，即可將空 調(diào)系統(tǒng)切換到直接自然供冷模式；另一方面以蒸發(fā)冷卻冷水機組為主，其出水溫度在環(huán)境濕球與露點溫度之間的情況用冷幅深表征蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度，即可用室外環(huán)境濕球溫度判斷蒸發(fā)冷卻冷水機組的適用性。

目前主流空調(diào)廠家空調(diào)末端的送風(fēng)溫度與冷凍水供水溫度的差值為６～８℃，冷凍水供回水溫差一般為５℃左右。根據(jù)新的國家標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心 冷通道進風(fēng)溫度設(shè)定為２６℃，可得水側(cè)蒸發(fā)冷卻需要達到的冷水溫度為１６～１９℃，圖１為系統(tǒng)換熱溫度間的關(guān)系。

國內(nèi)民用建筑中已有很多利用蒸發(fā)冷卻冷水 機組制取冷水的成功案例，而且多家企業(yè)正在對蒸發(fā)冷卻冷水機組的材料、結(jié)構(gòu)等方面進行改進，蒸發(fā)冷卻冷水機組的出水溫度還會向室外露點溫度逼近。

根據(jù)文獻［黃翔，孫鐵柱，白 延 斌，等．間 接———直接蒸發(fā)冷卻復(fù) 合冷水機組出水溫度特性試驗研 究［Ｊ］．流 體 機 械， ２０１２，４０（７）：５２－５５．］關(guān)于蒸發(fā)冷卻冷水機組的測試結(jié)果，其冷幅深值較為穩(wěn)定，在２～３℃之間波動，即利用水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)制取低于環(huán)境濕球溫度２～３℃的冷水成為可能。根據(jù)室外空氣的濕球 溫度預(yù)測水側(cè)蒸發(fā)冷卻的出水溫度，室外濕球溫度２２℃，可完全用水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)為數(shù)據(jù)中心供冷水。

１．４ 水側(cè)蒸發(fā)冷卻適用范圍  

若按照舊標(biāo)準(zhǔn)中的溫度標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，則室外濕球溫度１９℃才可以完全用水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)來為數(shù)據(jù)中心供冷水。根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)程：ＧＢ５００１９—２０１５中室外氣象參數(shù)的統(tǒng)計，對全國濕球溫度在２２℃以下的部分地區(qū)的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度進行分析，探討水側(cè)蒸發(fā)冷卻的適用范圍。

夏季空氣調(diào)節(jié)室外計算濕球溫度１９℃以下的地區(qū)僅有西藏、新疆、內(nèi)蒙古、青海等地區(qū)。而將濕球溫度從１９℃提高至２２℃的地區(qū)包括西藏、新疆、青海、云南、貴州、四川、甘肅、寧夏、陜西、山西、內(nèi)蒙古、黑龍江。除此之外，在非干燥地區(qū)可以利用水側(cè)蒸發(fā)冷卻與機械制冷結(jié)合的方式，在全年大部分時間開啟蒸發(fā)冷卻模式以節(jié)約系統(tǒng)運行費用。水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)為數(shù)據(jù)中心供冷的模式可以在 數(shù)據(jù)中心得到很好的應(yīng)用。

２.１ 開式冷卻塔   

內(nèi)蒙古某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)使用開式冷卻塔作為自然冷卻方案，開式冷卻塔＋冷水機組＋板式 換熱器空調(diào)系統(tǒng)流程如圖２所示。

從圖２可以看出，水冷式冷水機組與板式換熱 器串聯(lián)接入機房空調(diào)末端，開式冷卻塔在另一側(cè)與板式換熱器、水冷冷水機組串聯(lián)。冷卻系統(tǒng)有３種運行模式：冬季開啟冷卻塔免費供冷模式，關(guān)閉制冷壓縮機，利用冷卻塔通過板式換熱器向空調(diào)末端提供冷量；過渡季節(jié)開啟冷卻塔預(yù)冷模式：利用冷卻塔冷卻水供水，并通過板式換熱器對空調(diào)系統(tǒng)回 水進行預(yù)冷處理，充分利用自然冷源，提高制冷主機的制冷效率；夏季常規(guī)制冷模式：利用冷水機組向空調(diào)末端提供冷量。 

這種形式在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用較普遍，全年有部 分時間處于冷卻塔免費供冷模式，而節(jié)能的多少取決于免費供冷模式在全年所占的時間比。假如供水溫度設(shè)計為１８℃，考慮板換和冷水輸送管路溫升，則環(huán)境濕球溫度在１１℃時，可完全使用冷卻塔免費供冷模式。以中國北方典型城市呼和浩特為例，全年濕球溫度小于１１℃的小時數(shù)為６２５４ｈ， 全年７１％的時間完全可以不開啟機械制冷模式， 此時系統(tǒng)以水側(cè)蒸發(fā)冷卻為主、機械制冷為輔。

２．２ 閉式冷卻塔   

江蘇某數(shù)據(jù)中心空調(diào)工程中采用閉式冷卻塔＋水冷冷水機組的設(shè)計方案如圖３所 示。從 圖３可以看出，系統(tǒng)由水冷冷水機組、閉式冷卻塔、水泵、閥門等設(shè)備組成，系統(tǒng)管道被各閥門控制，形成機械制冷模式、自然冷卻模式、混合預(yù)冷模式等３種不同的系統(tǒng)運行模式。

閉式冷卻塔與開式冷卻塔相比，省略板式換熱器且冷卻盤管置于塔內(nèi)，塔內(nèi)循環(huán)冷卻水直接噴淋至盤管表面，換熱效率較高。閉式冷卻塔冷卻介質(zhì)是蒸餾水，在使用過程中不會產(chǎn)生水垢，保證盤管內(nèi)部流體運行暢通。但是在我國北方閉式冷卻塔仍需考慮防凍問題。以南京為例，供水溫度設(shè)計為１８℃，考慮冷水輸送管路溫升，則環(huán)境濕球溫度低 于１２℃時，可完全使用自然冷卻模式，該模式運行時間占全年運行時間的４６．８％，系統(tǒng)在高濕度地 區(qū)有節(jié)能潛力。

２．３ 蒸發(fā)冷卻冷水機組   

新疆某數(shù)據(jù)中心以蒸發(fā)冷卻冷水機組作為全 年主導(dǎo)冷源，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件以及數(shù)據(jù)中心設(shè)計要求，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流程如圖４所示。從圖４可以看出，蒸發(fā)冷卻冷水機組與機房末端通過板式換熱器間接連接，系統(tǒng)有３種運行模式。

模式Ⅰ：極端天氣開啟風(fēng)側(cè)、水側(cè)復(fù)合蒸發(fā)冷卻模式，蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機房末端回水，此時機房為全新風(fēng)模式；

模式Ⅱ：夏季或過渡季節(jié)開啟水側(cè)蒸發(fā)冷卻模式， 蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器冷卻機房末端回水，此時機房內(nèi)部為全回風(fēng)模式；

模式Ⅲ：冬季開啟乙二醇自然冷卻模式，乙二醇自然冷卻段與機房末端通過乙二醇水溶液管道連接，機房內(nèi)部發(fā)熱量通過乙二醇溶液傳遞。

利用蒸發(fā)冷卻冷水機組為數(shù)據(jù)中心供冷是一種新型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)。與冷卻塔相比，蒸發(fā)冷卻冷水機組增加進風(fēng)預(yù)冷段，讓蒸發(fā)冷卻冷水機組出水溫度達到亞濕球溫度，使水側(cè)蒸發(fā)冷卻在更廣泛區(qū)域的數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用。新疆某數(shù)據(jù)中心冷源設(shè)計出水溫度為１６℃，用水側(cè)蒸發(fā)冷卻滿足夏季數(shù)據(jù) 中心供冷需求，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心全年自然冷卻。

３．１ 技術(shù)經(jīng)濟分析  

數(shù)據(jù)中心自然冷卻方式由于其多樣性，需要技術(shù)經(jīng)濟對比得出水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的節(jié)能性。數(shù)據(jù)中心全年運行能耗是節(jié)能的關(guān)鍵，水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在不同地區(qū)、不同氣候條件的應(yīng)用時間不一樣，因此需要可變工況的水側(cè)蒸發(fā)冷卻試驗臺，并通過模擬計算與實際能耗測試綜合分析水側(cè)蒸發(fā)冷卻的經(jīng)濟性。

３．２ 控制系統(tǒng)  

蒸發(fā)冷卻空調(diào)是氣象空調(diào)，在全年運行過程中環(huán)境參數(shù)的變化對其制冷效果影響較大。在季節(jié)變化時，重點關(guān)注水側(cè)蒸發(fā)冷卻和機械制冷模式之間的切換；在全天運行過程中，重點 關(guān)注蒸發(fā)冷卻設(shè)備開啟數(shù)量以及對單臺機組制冷量的控制。

３．３ 液冷技術(shù)發(fā)展   

數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)被譽為數(shù)據(jù)中心行業(yè)的革命性技術(shù)。在自然環(huán)境下水側(cè)蒸發(fā)冷卻完全可以滿足液冷的溫度要求，因此液冷的發(fā)展是水側(cè)蒸發(fā)冷卻的機遇。水側(cè)蒸發(fā)冷卻冷源設(shè)備如何與液冷末端配合，液冷技術(shù)的溫度上限值得討論。

３．４ 耗水量  

水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)以水為載冷劑，并且以水蒸發(fā)原理制冷，系統(tǒng)全年運行均離不開水的消耗，因此耗水量尤為重要。系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)針對不同地區(qū)的電力資源和水資源進行綜合分析，并將水側(cè)蒸發(fā)冷卻設(shè)備與傳統(tǒng)的水冷式設(shè)備作對比，選出合理的冷卻方式。

３．５ 水質(zhì)處理  

水側(cè)蒸發(fā)冷卻中的填料塔、高溫表冷器、顯熱末端、供回水管路等設(shè)備中都充滿水，水質(zhì)問 題影響每個換熱環(huán)節(jié)的傳熱傳質(zhì)及能量輸送過程，同時也是影響換熱設(shè)備使用壽命及換熱效果的關(guān)鍵因素。目前，對于不同地區(qū)水質(zhì)調(diào)查、水質(zhì)處理方法 等問題仍需研究。

耐高溫服務(wù)器材料以及新型空調(diào)末端方式的進步，促使數(shù)據(jù)中心機房進風(fēng)溫度上限提高，使 冷凍水供水溫度提高至１８～２０℃，水側(cè)蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的適用性因此擴大，環(huán)境濕球溫度低于２２℃即可完全使用水側(cè)蒸發(fā)冷卻為數(shù)據(jù)中心供冷。

水側(cè)蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用時間是數(shù)據(jù)中心全年運行節(jié)能的關(guān)鍵，對空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計重點 應(yīng)是全年有更多的時間允許自然冷卻模式運行，而極端天氣時用機械制冷輔助。水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)中，蒸發(fā)冷卻冷水機組制取冷水是全年利用自然冷卻時間最多的方式。