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间接蒸发冷却:向全新阶段迈进

发表日期:2019/9/10 16:02:44 来源:卡乐电子 评论 总点击量:

据统计,全球数据中心的耗电量约占地球总用电量的2-3%。正是由于这种巨大的能耗,高效的解决方案应用迫在眉睫。而自然冷却(Free Cooling)和蒸发冷却(Evaporative cooling)技术就是最具潜力的冷却解决方案之一(特别是在近期项目中);根据ASHRAE TC 9.1数据处理环境热指南中相关内容,采用冷热通道隔离技术,可以允许更高的送风温度。

近年来,针对直接蒸发冷却(DEC)和间接蒸发冷却(IEC)的各类解决方案已经被开发;最佳选择方案需要取决于气象条件和安装限制,同时也要始终考虑到节能和业务持续性之间的平衡,这在关键应用中至关重要。

根据室外空气温度和湿度条件,ASHRAE建议采用不同的方法对数据中心进行冷却

近年来,在这些方案中,间接蒸发冷却(IEC)由于其不同配置的发展和主要技术的改进,受到了特别关注。随着应用项目的增多,整个行业都在致力于改进这些技术,并大步迈入下一个全新阶段。

该系统包含一个组合式空调机组(AHU),该机组可循环数据中心内部的待处理空气(一次空气),并通过空气热交换器利用室外空气(二次空气)对其进行冷却。二次空气流过热交换器装置,并不进入数据中心内部,从而避免引入室外空气中的污染物:在冬季,仅利用外部冷空气就可以提供足够冷却能力;而在夏季,蒸发冷却器在增加外部空气湿度直至饱和的同时,降低二次空气温度,使其最大程度地冷却机房内部循环空气,同时不影响内部一次空气的水分含量。如果需要,冷却盘管(直接膨胀或冷冻水方式)可以提供补充的冷却能力,也可作为冗余。处理后的空气被送到冷通道,并通过格栅或扩散器进行分配后送入数据中心,然后由回风机将热通道的空气抽出。

间接蒸发冷却安装示例

效率提升

这种装置的整体效率取决于各个部件的性能:系统的核心是热交换器和绝热加湿器。

1.  热交换器:热交换器有各种类型,但最合适的是铝涂层叉流式热交换器,它具有以下几大优点:

1)最佳干运行效率,即蒸发冷却仅在必要时使用,优化其水利用效率(WUE);

2)保证最佳的气密性和水密性:尤其是水密性,这对于防止水进入服务器机房非常重要。而转轮式热交换器则不能避免交叉污染(并且几乎不可能使用蒸发冷却)。与转轮式热交换器相比,该特征使得叉流式热交换器成为最合适的技术;

3)可以承受两路气流之间的高压差,使得两种气流在各自的风速和压力下,布局更加灵活;

4)由于其良好的弹性模量,它可以承受结冰的影响,冷却装置通常为全年运行,必须确保可靠性;

5)可在高水压下进行清洗而不出现损坏,随着运行时间的增加具有较高的可靠性;

6)特殊的涂层表面,可以使用各种类型的水。

2. 绝热加湿器:如今有不同的蒸发冷却方式来冷却二次空气。其中,一种方法则是使用所谓的“湿膜”,即空气流过被水浸湿的纤维或塑料介质,从而吸收水分并被冷却。另一种方法则是将水喷入气流,产生小液滴,从而促进蒸发;更有一些系统则是使用水泵将水加压至15Bar,并通过喷嘴将其雾化来提升吸收效率,从而获得最佳的冷却效果。

间接蒸发冷却左侧为加压水,右侧为湿膜

加压系统的优点是:

1)液滴更小,因此吸收效率更高;

2)更好的温度控制,因为水泵由变频器控制,因此可以调节喷水量;而且,系统惯性的降低可以获得更快的响应速度,这对于控制供应温度是至关重要的;

3)与湿膜系统相比,加压喷淋系统中压降更小,风扇功耗更低,系统TCO(整体拥有成本)更低;

4)更低的维护成本,湿膜技术则需要定期进行更换;

5)双喷淋系统可以作为冗余设立,而双湿膜系统需要两组风道或双倍压降;

6)在换热器类型允许的条件下,可以润湿换热器表面,通过蒸发来提供潜在冷量。

下图显示了仅蒸发冷却(即湿膜)和使用喷淋并润湿表面两种方式之间的比较:性能至少提升了25%。

使用湿膜和中压绝热加湿器(MP HUMIDIFIER)配置的数据中心空气温差的比较

米兰理工大学开展了一项研究项目,旨在研究中压绝热加湿器和热交换器的最佳布置,以便在一定耗水量的热交换器板上实现最佳的水量分配。中压绝热加湿器可采用不同的布局方式,从而实现最佳配置。通过不同配置的实验研究,可以测量出在不同运行工况下的性能结果:包括顶部、侧面、底部、45°顶部和45°底部。

研究结果表明,当水/二次空气从顶部进入而且与板片垂直布置的时候,能够获得最大冷却能力:在这种情况下,热交换器的入口处有预加湿过程,且水分在板片上均匀蒸发。空气逆流喷嘴则进一步增加了整个系统的冷却能力。

图片中没有具体显示,但可以推测出:45°顶部的性能位于顶部和底部性能之间。

中压绝热加湿器和热交换器布置

中压绝热加湿器+热交换器的不同配置的比较

同时,关于铝涂层在间接蒸发冷却(IEC)系统下对热交换器的影响也有一定研究。在相同的条件下比较两种不同的材料:一种是疏水性材料(EPOXY环氧树脂),另一种是亲水性吸附材料(称为BLUE材料,因其颜色而得名)。结果表明,使用BLUE材料可将间接蒸发冷却(IEC)系统的冷却能力增加10%。这种增加是由于BLUE材料拥有一种特殊的涂层表面,这种涂层由两部分组成:亲水表面和吸附基质。亲水表面可以增加水滴接触角,而吸附基质能够保留表面上水份。这两种特征的结合增强了板的润湿性,从而在绝热过程中在板上形成更均匀的水膜,并且使整个表面更容易接近湿球温度。与具有环氧树脂保护的标准方案相比,在相同条件下,带有亲水性吸附涂层的热交换器降低了水利用效率(WUE),使其成为满足最具挑战性性市场需求的解决方案。

亲水性吸附涂层热交换器(左)及板片细节(右)

间接蒸发冷却系统中换热器使用环氧树脂和亲水性吸附涂层(BLUE材料)之间冷却能力的比较

不同类型水的比较

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