第一作者单位：山东建筑大学热能工程学院
摘自《天然气与热力》2023年6月号
参考示例
张秀成，刘俊宏。 数据中心空调系统冷源及冷凝水的回收利用[J]. 气体与热力，2023 年，43(6)：A19-A21。
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1 概述
随着大数据和云计算的兴起，中国建设了许多数据中心。 数据中心能耗主要分为三部分[1]：互联网数据中心（IDC）设备、供配电系统、空调系统。 IDC设备和空调系统能耗均大于40%。 现阶段数据中心节能降耗主要集中在空调系统的优化上。
空调系统的优化主要是利用自然冷源，尽可能缩短机械制冷时间。 位于中国郴州的东江湖数据中心99%的时间使用天然湖水进行冷却[2]。 位于美国俄勒冈州的Facebook数据中心采用自然风直冷技术，将电力使用效率（PUE）降低至1.09[3]。 此外，业内一些学者和企业正在开发应用间接蒸发技术[4]、液冷技术[5]等，进一步辅助数据中心空调系统的优化。
水的消耗也引起了人们的关注。 尽管水资源利用效率 (WUE) 于 2010 年定义，但该指标并未像 PUE 那样广泛使用。 本文介绍了采用自然冷源的数据中心空调系统的工艺流程。 以济南地区某数据中心项目为例，计算了数据中心一次回风空调系统产生的冷凝水量，并提出了冷凝水的利用建议。
2 使用自然冷源的空调系统
新建数据中心多建在中西部地区，远离一线城市，形成数据中心集群。 在这样的发展趋势下，越来越多依靠自然冷源的数据中心应运而生。 采用自然冷源的数据中心空调系统工艺流程如图1所示，通过动力环境监控系统可以监测冷却水出水温度和室外湿球温度，自动调节空调的运行工况系统。
图1 采用自然冷源的数据中心空调系统工艺流程
①冷却期
当冷却塔出口冷却水温度大于13℃且室外湿球温度大于10℃时，空调系统处于冷水机组全制冷工况。 三通阀1~3的BC打开，二通阀1、2关闭。 从冷却塔出口出来的冷却水进入冷水机组的冷凝器，对制冷剂进行冷却，然后返回冷却塔进行冷却。 冷却后的制冷剂通过节流阀进入蒸发器，与机房空调冷回水进行热交换。 冷却后的冷水进入机房空调对空气进行冷却。
②过渡期
当冷却塔出口冷却水温度大于8℃且小于等于13℃，且室外湿球温度大于6℃且小于等于10℃时，空气空调系统处于冷水机组部分制冷状态。 三通阀1、2的AB、BC均导通，三通阀3的AC导通，二通阀1导通，二通阀2关闭。 冷却塔出口的冷却水一部分进入板式换热器与冷水回水进行热交换实现预冷，另一部分进入冷水机组对制冷剂进行冷却。 两部分冷却水合并返回冷却塔冷却。 经过板式换热器部分预冷的冷回水进入冷水机组的蒸发器与制冷剂进行热交换。 冷却后的冷水进入机房空调对空气进行冷却。
③供暖期
当冷却塔出口冷却水温度≤8℃，室外湿球温度≤6℃时，空调系统处于全自然冷却制冷工况。 三通阀1、2的AB接通，三通阀3的AC接通，二通阀2接通，二通阀1关闭，冷水机关闭。 冷却水与机房空调的冷水进行热交换后，返回冷却塔继续冷却。 机房空调冷水回水均为板冷。
3 冷凝水产生量
3.1 项目概况
计算济南某数据中心空调系统产生的冷凝水量。 数据中心按照A级机房标准建设。 数据中心为三层结构，单层建筑面积4000m2，层高5m，共有机柜3800个。 该数据中心全年运营。
高架地板下送风送风温差4℃，机房室内设计温度23℃，机房室内设计相对湿度50%，机柜设计温度进风口面积为19°C。
数据中心采用一次回风空调系统。 室外新风经新风单元过滤器过滤后与室内回风混合。 经机房空调冷却至机器露点后，再电加热至送风状态。 最后通过地板下送风向冷通道供风，对机柜进行冷却。
3.2 凝结水产量计算
由于数据中心设备散发的湿气量很小，因此湿负荷视为0，因此室内热湿比无穷大。 空气处理热函-湿度图如图2所示。图2中W点为室外空气状态点。 C点为室内回风与室外新风的混合状态点。 N点为机房室内空气状态点，干球温度为23℃，理论相对湿度φ为51.35%。 O点为室内设计送风状态点，干球温度为19℃，含水率为8.986g/kg。 L点为机器的露点，相对湿度φ为95%，含水量为8.986 g/kg。
图2 空气处理焓-湿度图
GB 50174-2017《数据中心设计规范》第7.4.5条规定，空调系统新风量应取下列两项中较大者： 第一项，按人员计算，为40 m3/h每人。 第 2 项是维持室内正压所需的风量。 由于数据中心机房内有偶尔的维护人员，且没有固定的日常办公人员，因此根据人员数量来计算新风量并不合适。 因此，新风量是根据维持室内正压所需的风量来计算的。 虽然GB 50073-2013《洁净厂房设计规范》提供了根据维持室内正压所需风量计算新风量的计算方法，但计算过程相对繁琐。 因此，笔者参考洁净室的设计经验，对数据中心机房进行通风。 次数为1h-1。
3.3 凝结水产生量
数据中心空调系统每年产生的冷凝水量按式（1）计算。 室外空气参数来源于Dest软件提供的济南市常年典型室外空气参数。 典型年份数据中心日凝结水产生量如图3所示。日凝结水产生量为当天每小时凝结水产生量相加。 图3仅显示了冷凝水产生的时间。 从图3可以看出，全年有128天产生凝结水，主要集中在7月至9月。 全年总发电量1 281.88 t，日均凝结水产生量10.01 t/d。 由此可见，冷凝水产生量大，利用空间高。
图3 数据中心每年典型的凝结水日产生量
冷凝水利用的4种方法
①公园绿化喷灌
数据中心园区占地面积较大，根据相关规定，大型产业园区绿化覆盖率不得低于20%。 大面积绿化和喷灌会消耗大量水资源。 城市绿化喷灌水量一般为2L/(m2·d)。 该数据中心平均日产生冷凝水10 t/d，可满足5 000 m2绿化喷灌需求。 而且空调系统的冷凝水完全满足绿化水的水质要求，不需要处理。 因此，利用数据中心空调系统产生的冷凝水进行绿化喷灌可以节省大量水资源。
②冷却塔补水
开放式冷却塔的水蒸发和耗散在数据中心耗水量中所占比例很高，尤其是在炎热的天气里。 空调系统的冷凝水是冷却塔补水的首选[7]。 首先，凝结水能够满足冷却塔的供水水质要求，无需处理即可直接使用。 只需要增加水箱、水泵等设备即可。 其次，冷凝水的温度一般较低，可以降低冷却塔内冷却水的温度。
5 结论
① 全年凝结水产生天数128天，主要集中在7～9月，全年总产生量1 281.88 t。 冷凝水产生量大，利用率空间高。
②凝结水利用包括公园绿化喷灌、冷却塔补水等。
参考：
[1] 周海珠，卢天文，张惠新。 数据中心节能技术及发展方向分析[J]. 建筑科学技术，2020（14）：27-30。
[2]中国制冷学会数据中心制冷工作组。 2019中国数据中心冷却技术年度发展研究报告[M]． 北京：中国建筑工业出版社，2019：149-152。
[3]陈光创，张军.数据中心自然冷却技术研究综述[J]. 建筑热能通风空调，2020（7）：46-51。
[4]刘海潮，邵双全，张海南，等。 间接蒸发冷却技术的研究现状[J]． 制冷空调，2019（8）：14-22。
[5]肖新文. 液冷技术在数据中心应用的研究进展[J]. 暖通空调，2022（1）：52-65。
[6] 刘俊红，田玉良，张文科，等。 基于焓湿图的空调冷凝水生成量计算与分析[J]. 山东建筑大学学报，2020（4）：18-24。
[7]蒋军.水冷空调机组补水节水探讨[J]. 通信电源技术，2019（S1）：162-163。
