数据中心间接蒸发自然冷却分类及对比

作者:兰洋科技    浏览量:3510    时间:2023年04月13日    标签: 间接蒸发 自然冷却 蒸发冷却

间接蒸发冷却技术在数据中心领域的应用,近年来渐渐得到了国内互联网大厂的青睐,且在国内的很多地区都有了应用案例。

01四类气流组织形式产品

当前应用在数据中心领域的AHU产品形式各异,目前投入使用的AHU气流组织形式主要分为4类,分别是:外冷式、内冷式、两段内冷式和预冷式。

外冷式

首先我们先定义AHU内循环风称为一次侧风,外循环风作为二次侧风,方便后面的介绍。在外冷式中,二次风进入AHU后,先经过湿膜的降温,然后再进入换热芯体内与一次风发生间壁式换热。

这种组织形式的优点是,换热芯体内减少了发生结垢、脏堵、腐蚀的风险,同时二次侧喷淋水不易被裹挟出设备,因此WUE指标较好;缺点是相比于内冷式的换热效率低,且相同冷量机型尺寸更大。

内冷式

内冷式是把外冷式的湿膜喷淋与换热芯体换热两个环节合并为一个换热过程了,即二次风进入机组后经过防尘过滤后就直接进入换热芯体与一次风间壁式换热。如果需要蒸发冷却则在二次风进换热芯体前开启喷淋水,实现对二次风蒸发冷却,同时强化换热芯体换热效果。

这种组织形式的优点是,换热芯体的换热效率高,相同冷量下的整机尺寸紧凑;缺点是喷淋水直接与换热芯体接触,芯体发生结垢、脏堵风险性提高,且存在未被完全蒸发的水滴随二次风裹挟排到环境中去,WUE指标相对差一些。

两段内冷式

两段内冷式,顾名思义,它的换热过程分两个阶段,因此换热芯体分成连接在一起的两段。

第一段换热芯体内发生内冷换热,即二次风经防尘过滤,再经过喷淋蒸发降温后进入换热芯体与从第二段换热芯体换热降温后的一次风发生间壁式换热;

第二段内发生干冷换热,即从第一段换热芯体换热后的二次风进入第二段换热芯体与从机房回风口来的高温一次风间壁式换热,该段换热结束后二次风排到环境中去,一次风再进入第一段换热芯体进行二次降温换热。

这种组织形式的初衷是因为内冷式的二次风经换热芯体换热后排到环境的温度往往是低于环境温度的,因此还存在冷量利用的价值,因此在原有内冷的基础上增加了干冷换热环节,利用机房回风的高温与内冷换热后尚有冷量的二次风进一步换热,提高了利用效率,同时WUE指标也更优秀。这种组织的缺点是相同冷量的机型,机组尺寸较大,且一、二次侧的风阻较大。

预冷式

预冷式的换热过程也可以分两部分,分别发生在两个换热部件里面,先后是换热盘管与换热芯体。因为间接蒸发冷却系统是需要有循环喷淋水来蒸发冷却的,且喷淋水的温度一定是低于环境的最低湿球温度,为了进一步挖掘喷淋水的显热换热能力,预冷式架构中喷淋水先流经换热盘管与刚吸入设备的二次风换热,达到预冷二次风的效果,然后再到换热芯体喷淋蒸发,发生内冷换热过程。

此架构的优点是充分挖掘了喷淋水的显热潜力,提高了整机的换热效率;缺点是相比内冷式,增加了预冷换热器及控制装置,设备成本有所增加。

02换热芯体的不同

换热芯体是IEC内最核心的部件,因为它的换热效率、可靠性、气密性、耐压性、结构强度等直接影响到IEC整机使用时的性能。目前在用的IEC换热芯体主要分两种:金属芯体、非金属芯体。

其中非金属芯体的材质是一种高分子聚合物,特点是风道尺寸大,不容易发生脏堵,且喷淋布水均匀度好,缺点是单位体积换热效率低,整机尺寸较大,非金属换热芯体的代表厂家是蒙特,例如管板表面带突起的聚合物蒸发换热器-Oasis™ IEC 200。

另一大类-金属芯体的材质通常采用铝或者不锈钢,并在表面做了环氧涂层的工艺处理,因此芯体表面呈现金黄色。其中针对其特性而定制化的水性环氧涂层一方面增强了表面的亲水特性,另一方面增强了芯体的耐腐蚀能力,但是需要注意的是环氧涂层怕紫外线,因此使用中要注意遮阳防晒。金属换热芯体供应代表厂家有Heatex AB、Excool等。

目前国内IEC设备厂家主流采用金属芯体,代表有华为,阿尔西,英维克等。

03风机布局不同

目前主流IEC厂家风机布局分两种:

A:一次侧抽风、二次侧抽风;

B:一次侧鼓风、二次侧抽风。

在A方案中:

由于一二次侧都是抽风,换热芯体内存在一次风侧静压小于二次风侧的可能,此外换热芯体不可能做到完全的密封,经统计,主流的金属换热芯体在400Pa压差下密封泄漏量是0.1%,因此存在二次风泄漏进入一次侧造成污染的风险。另一方面,这种布局的好处是换热芯体的两侧压差较小,因此对换热芯体的结构强度要求小。

在B方案中:

由于一次侧风采用的是鼓风方式,换热芯体的一次侧气压高于二次侧,杜绝了二次风泄漏进一次造成污染的可能性,缺点是换热芯体一二次侧的压差增大很多,对换热芯体的结构强度要求高(目前仅有特殊设计的具有高耐压性能的换热芯体可以满足4000Pa压差的强度要求)。此外两种风机布局形式对换热芯体内的气流均匀度及换热强度也有不同程度的影响。

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04喷淋技术的不同

不同设备厂家选择的喷淋方案也有所区别,主要影响的是喷淋的均匀度与雾化颗粒度。喷嘴的形式众多,例如实心锥、空心锥、扇形、靶式撞击锥等,形式决定了喷淋布水的均匀度,覆盖面积、雾化颗粒度等参数。

此外,循环喷淋水的管路压力也会影响喷淋效果,这取决于设备厂家的设计方案。其中,高压喷淋的喷淋雾化颗粒度小,提高了水滴与空气的换热效率,缺点是没有完全蒸发的雾化水滴颗粒小,很容易被二次风裹挟带到环境中去,增大了喷淋水的损耗;中压喷淋的雾化颗粒度大,水滴与空气的换热效率相对较差,但由于颗粒度大,所以减少了被二次风裹挟带走的概率,相对更节水。因此雾化喷淋方案需要结合蒸发换热芯体、气流组织设计等方面整体做选择。

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不同喷嘴的喷淋雾化效果

05不同模式切换

目前主流IEC设备厂商提供的设备都支持三种模式切换:干模式(室外干球温度<16℃)、湿模式(室外干球温度>16℃且湿球温度<19℃)、混合模式(室外湿球温度>19℃)。

当然,用户可以根据项目所在地的30年极端气候参数做功能模式的取舍,例如地处高纬度地区的常年最高湿球温度不超过19℃,则客户需求的IEC设备就不需配置DX补冷设备,进而节省了设备初投资。虽然主流的IEC厂家都支持三种模式的运行,但是不同厂商的产品整机控制水平相差甚远,设备运行的可靠性、节能、节水效果则均受控制水平的影响。

另外,将产品拆解成部件来看,IEC内的耗能部件主要有一、二次侧的循环风机、喷淋水系统、软水处理系统、DX补冷系统。在同一种热负荷及室外环境温度下,IEC可以有很多种的不同状态组合以满足IT设备的散热要求,例如喷淋多一些,则循环风机转速可以低一点;DX补冷比例高一些则喷淋可以少一点等。

因此在不同工况下,必然存在系统运行的动态平衡和最优参数设置,同时节电优先还是节水优先的效能最大化目标还需要根据具体客户的需求来调整。

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