一、什么是间接蒸发冷却技术？
数据中心对制冷系统的要求相对较为特殊，今天我们就来探讨一下，什么是间接蒸发冷却技术？
数据中心对环境的要求， 国标GB 50174—2017《数据中心设计规范》中对主机房的环境要求给出了允许值和推荐值。
表1 数据中心主机房环境的要求环境要求
ASHRAE TC 9.9 2008版中扩大了2004版中热环境参数推荐的包络区。如下表。
表2 ASHRAE TC 9.9 2004版与2008版热环境包络区推荐数据比较
蒸发冷却技术是一项利用水蒸发吸热制冷的绿色节能技术。
原理：
利用空气与水的直接接触，并利用水的蒸发潜热进行制冷。
间接蒸发冷却相对于直接蒸发冷却来讲的，它是工作空气与循环水在湿通道侧直接接触等焓降温后再间接的通过换热器带走使用空气中的热量，从而达到对使用空气进行等湿降温的效果。
工作空气多为室外新风，使用空气多为机房内的热回风，以两者的显热温差为驱动力，通过管壁的热传导将服务器的热量传递给室外侧空气，从而达到冷却数据中心回风的目的。
结构：
间接蒸发冷却技术的核心是间接蒸发冷却热交换芯体，按照热交换芯体内部空气走向不同以及流道分布结构形式不同， 芯体大致可分为：板翅式间接蒸发冷却芯体、管式间接蒸发冷却芯体、板管式间接蒸发冷却芯体。
3种换热器形式内都设置有两个互不连通的空气通道，两股空气通过换热器间壁间接接触进行换热。
板翅式间接蒸发冷却芯体工作原理，如图2（a）所示。
管式间接蒸发冷却，如图2（b）所示。
板管式间接蒸发冷却与管式间接蒸发冷却运行原理相同，不同的是相较于管式，板管式管内流道更大，且不易堵塞。
间接蒸发冷却技术应用于数据中心时常以机械制冷设备作为辅助。根据室外气象参数不同，机组对应3种运行模式： 干模式、湿模式、混合模式进行切换。
3.1 先来看3种模式判别依据
对于上述3种运行模式切换取决于室外空气的干球温度和湿球温度，而室外干湿球温度判定的界限又取决于数据中心机房送、回风温度与间接蒸发冷却换热芯体的换热效率。根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》，A级机房对送风参数要求如表3所示。
表3 数据中心送风参数的要求
设定室内送风温度选取24 ℃，目前国内大部分机房送回风温差选取12 ℃，故回风温度确定为36 ℃。对3种模式进行计算。
3.2 干模式
在冬季，当室外干球温度较低时，机组开启干模式。 此时喷淋蒸发系统和机械制冷系统都不运行，室外的低温空气从二次进风口进入，进入间接蒸发冷却换热芯体内进行换热，后经二次排风机排出；数据中心高温的回风通过一次进风口进入机组，流经间接蒸发冷却换热芯体被室外低温空气直接冷却后，由一次送风机送入数据机房。
干模式：干模式下间接蒸发冷却芯体换热效率一般可达到60%。
式（1）中： η 为间接蒸发冷却芯体的换热效率； t g1 为数据中心内热回风干球温度（℃）； t ′ g1 为室外空气干球温度（℃）； t g2 为数据中心送风干球温度（℃）。
将设定值 η ≤60%， t g1 =36 ℃， t g2 =24 ℃带入，求得 t ′ g1 ：
求得 t ′ g1 ≤16 ℃，即在室外干球温度≤16 ℃时，机组运行干模式。
3.3 湿模式
在春秋过渡季节，当外界环境温度较温和且相对湿度不高时，机组运行湿模式。此时喷淋蒸发系统运转，而机械制冷系统仍然不运行。 芯体上部的布水器向芯体的湿通道布水，室外新风进入芯体后在湿通道内表面进行直接蒸发冷却等焓降温后与机房回风间接接触带走其热量，最后从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口流经板翅式间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，被冷却后的数据中心回风由一次送风机送入数据机房。
湿模式：湿模式下间接蒸发冷却芯体换热效率一般可达到70%。
式（3）中： η 为间接蒸发冷却芯体的换热效率； t g1 为数据中心内热回风干球温度（℃）； t s1 为室外空气湿球温度（℃）； t g2 为数据中心送风干球温度（℃）。
将设定值 η ≤70%， t g1 =36 ℃， t g2 =24 ℃带入，求得 t s1 ：
求得 t s1 ≤19 ℃，即在室外干球温度＞16 ℃且湿球温度≤19 ℃时，机组运行湿模式。结合干模式与湿模式得出在室外干球温度≤16 ℃或湿球温度≤19 ℃时，仅利用间接蒸发冷却技术便可满足数据中心要求的送风条件。
3.4 混合模式
在炎热的夏季，当室外干温球温度较高，仅开启蒸发冷却段无法满足冷量要求时，机组运行混合模式。 此时，喷淋蒸发系统和机械制冷系统同时运行，共同来达到需要的制冷量。芯体上部的布水器向芯体的湿通道布水，室外新风进入芯体后在湿通道内表面进行直接蒸发冷却等焓降温后与机房回风间接接触带走其热量，最后从二次排风口排出。数据中心较高温度的回风先通过一次进风口流经板翅式间接蒸发冷却器与室外经过直接蒸发冷却处理后的新风进行换热，对数据中心回风进行预冷，再被蒸发器冷却，被冷却后的数据中心回风，由一次送风机送入数据机房，如此循环。
混合模式：在室外空气湿球温度大于19 ℃时，开启机械制冷进行辅助。
综上分析，室内送风温度选取24 ℃，室内回风温度选取36 ℃，间接蒸发冷却空调换热芯体在干工况下换热效率取60%，在湿工况下换热效率取70%，计算求得机组3种工况切换判定值如表4所示。
表4 机组3种工况切换判定值
相同的计算过程，当室内送风温度选取25 ℃，室内回风温度选取35 ℃，间接蒸发冷却空调空-空换热器在干工况下换热效率取58%，在湿工况下换热效率取68%，求得机组3种工况切换判定值如表5所示。
表5 机组3种工况切换判定值
综合以上分析，得出间接蒸发冷却空调不同模式的切换， 取决于室外二次空气的环境参数，而室外二次空气环境参数的设定又受间接蒸发冷却换热芯体的换热效率（影响因素：换热器材质、结构形式、风速、换热温差、换热面积等）、数据机房室内侧回风温度、室内侧送风温度的影响，在设计切换模式的条件时应当充分考虑上述因素。
二、 7大蒸发冷却冷凝技术
空气和水发生直接接触时，空气不断地将显热传递给水降低自身温度，同时水由于吸热释放出汽化潜热，这种利用空气的显热换得潜热的过程就是直接蒸发冷却过程。利用该原理的直接蒸发冷却空调按照降温形式可分为冷雾式直接蒸发冷却空调和冷风式直接蒸发冷却空调。
图1所示为高压微雾型冷雾式直接蒸发冷却空调器，其工作原理是利用高压柱塞泵将水压提高至7 MPa，然后将加压后的水经耐高压管线输送至专业喷嘴将其雾化，产生直径为3~15 μm的微雾颗粒，使其能够迅速从空气中吸收热量完成汽化并扩散，从而达到空气加湿、降温的目的。
高压微雾型冷雾式直接蒸发冷却空调器应用比较广泛，不仅可以用于室内，户外场所同样适用，1992年西班牙塞维利亚世界博览会欧洲大道上的喷雾塔内就设置了高压雾化喷嘴（图2）为游客进行降温，且设计简洁大方，与周围建筑相得益彰。
汽水混合型冷雾式直接蒸发冷却空调器的加湿过程可分为引射和雾化2个部分。具有一定压力（0.1~1.0 MPa）的压缩空气通过特制的喷嘴腔，进行合理的配置和导流，在喷嘴口形成负压区，由于负压作用，集水器中的水连续不断地被引射到喷嘴腔内。被引射的水通过自动控水装置集存于集水器内，为高压空气引射喷雾提供了无压水源。压缩空气与被引射水的流速不同，2股流体在喷嘴腔内以设定的流量和流向有序地流动。
雾化过程中较高压力的压缩空气能量传递给较低压力的水，使水的能量增高。2股流体在喷嘴出口处混合喷出，混合过程中高压空气与水流发生动量交换，与水进行剧烈摩擦与碰撞，利用空化效应将水充分雾化成细小的水珠。当汽水混合流体从喷嘴高速喷出时，又与外界大气中的空气进行摩擦接触，从而将水滴进一步撕碎，水滴的直径可达5~10 μm，从而达到良好的雾化效果。图3所示为汽水混合型冷雾式直接蒸发冷却空调器。
蒸发式冷气机是利用淋水填料层直接与待处理的室外空气接触，由于喷淋水的温度一般都低于待处理空气(即新风)的温度，空气不断将自身显热传递给水而得以降温；与此同时，部分喷淋水（循环水）会因不断吸收空气中的热量而蒸发，蒸发后的水蒸气被气流带入室内，于是，新风既得以降温，又实现了加湿。所以，这种利用空气的显热换得潜热的处理过程，既可称为空气的直接蒸发冷却，又可称为空气的绝热降温加湿。待处理空气通过直接蒸发冷却所实现的空气处理过程为等焓加湿降温过程，其极限温度为空气的湿球温度。图4和图5所示分别为蒸发式冷气机（冷风扇）的原理图和实物图。
1）在南方地区主要适用于纺织、服装、制革、化工、冶金、食品等工厂以及一些有高温热源的生产场所；
2）在北方地区适用于商场、餐馆、火锅店、医院门诊大厅、车站候车厅、机场、学校等人口密集需要通风降温的公共场所；
目前，单独采用直接蒸发冷却空调技术的蒸发式冷气机主要适用于允许室内温度偏高、空气流速大的场所。直接蒸发冷却还可与岗位送风相结合，将冷风直接送至人员的工作区域，有利于提高工作效率。
图6所示为窗式蒸发冷却空调器。随着不断地开发和完善，第二代窗式蒸发冷却空调器的外形和功能不断改进，较第一代更加美观，还可以从房间内部拆卸外壳，检修和更换填料，为安装和维护提供了方便。图7所示为第一代和第二代窗式蒸发冷却空调器的对比图。
窗式蒸发冷却空调器具有节能、环保、经济、低碳、舒适等优点，近年来已经在我国广大西北地区得到了推广和应用，尤其是在学生宿舍。学生宿舍多采用悬挂式电风扇进行降温，少数采用机械压缩式制冷空调进行降温。窗式蒸发冷却空调器降温效果虽不如机械压缩式制冷空调，但其具有送风量大、全新风运行的特点，可以满足宿舍空间的舒适性要求，且在过渡季节，窗式蒸发冷却空调器仅作为通风设备使用，可满足室内的舒适性要求。使用窗式蒸发冷却空调器能够有效降低房间温度，改善室内热环境，送入宿舍的全新风改善了室内空气品质，但同时要做好排风系统，以达到良好的通风降温目的，避免室内湿度过大。
间接蒸发冷却空调技术，产出介质（空气或水）与工作介质（空气和水）间接接触进行热湿交换，产出介质与工作介质之间不存在质的交换，仅是显热的交换。作为间接蒸发冷却空调技术的特殊形式，露点式间接蒸发冷却空调技术是利用空气的干球温度与不断降低的湿球温度之差完成换热，这不同于一般间接蒸发冷却空调技术（利用空气的干球温度和固定的湿球温度之差换热）。
露点式间接蒸发冷却器干湿通道之间被打上小孔，进入干通道的一次空气被预冷后，流经小孔时一部分进入湿通道，作为二次空气与湿通道的水膜发生热湿交换，降低湿通道的温度，拉大了干湿通道的换热温差，使得干通道内的一次空气降温幅度增大。露点式间接蒸发冷却技术的驱动势是一次空气的干球温度与二次空气的露点之差，送风温度的极限是一次空气的露点，因此，可以提供送风干球温度比室外湿球温度低且接近露点的空气，温降较大。
2.1 露点式间接蒸发冷却空调机组
露点式间接蒸发冷却空调技术突破了直接蒸发冷却空调技术受湿球温度的限制，在干燥地区，露点式间接蒸发冷却空调很接近传统机械压缩式制冷空调的送风温度，相较于直接蒸发冷却空调，舒适性得到提高。高温冷水+盘管（AWA）的降温模式是以冷风先制取冷水，再用冷水制取冷风，而露点式间接蒸发冷却空调机组（AA）是用冷风直接制取冷风，如图8所示，省却了能量转换带来的无谓损耗，工程造价大幅降低，无表冷器，因此冬季无须考虑防冻问题。机组利用露点与干球温度之间存在的温差不断对空气进行冷却，使送风逼近露点。
图8 露点式间接蒸发冷却空调机组与高温冷水机组＋盘管送新风对比
如图10所示，工作气流通过芯体下部的干通道，被前一级湿侧蒸发冷却带走显热，焓值降低，实现预冷后，经过节流孔进入另一侧的湿通道进行等焓加湿。产出气流通过芯体上部的干通道，绝对含湿量不变，干球温度被另一侧交叉布置的多级湿通道依次降低，然后送入室内。
蒸发冷却冷水机组与常规的蒸发冷却空调技术制取冷风所获得冷量形式不同，是采用水侧蒸发冷却技术获得冷水。机组由间接蒸发冷却段、喷淋装置、风机等组成。室外新风先经过间接蒸发冷却过程预冷，预冷后的空气进入填料塔与填料表面的水膜进行充分的热湿交换制备冷水，然后空气在排风机的作用下被排出冷水机组。间接蒸发冷却段可以有多种形式，例如表冷式间接段、板翅式间接段、管式间接段、露点式间接段等。
图11所示为露点式间接蒸发冷却冷水机组的实物图和原理图，图12所示为表冷式间接蒸发冷却冷水机组的实物图与原理图。蒸发冷却冷水机组的出水温度低于常规冷却塔的出水温度，而又高于常规冷水机组的出水温度，因此，蒸发冷却冷水机组的应用方式由其自身的性能特点及建筑使用功能要求和空调对象的热、湿负荷特点决定。
图11 露点式间接蒸发冷却冷水机组实物图和工作原理图
图12 表冷式间接蒸发冷却冷水机组实物图和工作原理图
蒸发冷却空调技术具有节能、低碳、经济、健康的独特优势，但单独依靠该技术制取的冷风或冷水参数与室外空气状态紧密相关，不易控制且具有不稳定性，自身性能有待提高。而机械制冷技术可以制取温度较稳定的冷风或冷水，但相比而言耗能较大。
将蒸发冷却与机械制冷有机结合，可实现2种技术的协同运行与相互耦合，弥补单纯采用其中一方法所存在的不足，有利于优化蒸发冷却设备，拓宽其使用范围，同时提高机械制冷性能，促进节能减排，实现两者优势互补。图13所示为蒸发冷却＋机械制冷（直膨式）组合式空调机组实物图和工作原理图。
图13 蒸发冷却＋机械制冷（直膨式）组合式空调机组实物图和工作原理图
该组合式空调机组有2种运行模式：①针对干燥工况，充分发挥蒸发冷却空调技术的优势进行自然冷却，只开启直接蒸发冷却段即可满足设计要求，待处理空气经由过滤段进入直接蒸发冷却段被等焓加湿降温后由风机送入室内；②针对高温高湿工况，直接蒸发冷却段关闭，开启机械制冷段，室外空气与室内回风进行混合，之后由机械制冷循环蒸发器进行减湿冷却后由风机送入室内。
出于对高能效的追求，人们对蒸发冷却这一节能环保技术的接受度不断增加，蒸发冷却空调技术广泛地应用到数据中心领域，图14所示为数据中心用双冷源蒸发式冷气机实物。
和工作原理图图和工作原理图，既可以采用自身的循环水对填料进行喷淋冷却待处理空气，还可以采用深井水将自然环境中蕴含的丰富的冷源进行有效利用，从而有效降低运行功耗和费用。
5.1 多工况复合闭式冷却塔
图15所示为多工况复合闭式冷却塔，该冷却塔是在传统闭式塔的基础上增加一套开式冷却系统的冷却设备，盘管和填料采用不同的回路，兼具填料水冷的高效性及空冷的大风量特性，在深秋之时停止为填料供水，有效避免填料被冰冻，并针对我国华北及东北地区夏季极热、冬季极冷的气候特性设计了4段式运行策略。
1）夏季：同时开启闭式和开式循环，开式循环制取的冷水供给闭式循环使用，以满足极高热负荷的需求，如图16（a）所示；
2）初秋：闭式塔不开机，开式塔全开，较夏季模式省电；
3）深秋：闭式塔全开，开式塔全关，可在低温时防止填料冰封以及管排冻结；
4）冬季：闭式塔喷淋水关闭，只开风机，开式塔全关，有利于节能节水，如图16（b）所示。
图16 复合闭式冷却塔运行模式
图17所示为闭式混合型冷却塔。该冷却塔增加了与冷凝盘管串联的翅片管，具有3种运行模式，分别是干/湿式联合模式、绝热模式以及干式模式（见图18），通过不同运行模式的选择，可适用于要求连续可靠运行、水价高的区域，以及供水受限或需要消除白雾的场合。
流体首先进入翅片管进行冷却，然后进入冷凝盘管被进一步冷却。喷淋水从集水盘由循环水泵送至冷凝盘管上方的喷淋装置。喷淋水润湿冷凝盘管表面，带走管内流体热量后下落至填料表面，在填料内被进一步冷却后落入集水盘循环使用。空气分别流过填料和冷凝盘管，吸收热量达到饱和状态后由轴流式风机排出。此时排风温度比较低，安装在轴流式风机上方的翅片管管内的流体能够被排风显著冷却。
干/湿联合运行模式利用了显热及蒸发潜热。相比于传统的冷却塔，在极端天气下，白雾趋势极大降低，还可以节省大量的水。
在绝热运行模式下，经翅片管冷却的流体被全部旁通排出，冷凝盘管内无热量交换，喷淋水仅用来预冷从外部进入的空气。在大多数气候条件下，周围的空气仍然具有相当大的潜力吸收水分，被绝热冷却的空气温度显著降低，由轴流式风机排出时对翅片管管内的流体进行预冷，保证设计流体所需的温度，使系统效率最大化。
在干式运行模式下，喷淋水系统关闭，节约水泵能耗。待冷却的流体流经翅片管进入冷凝盘管，流量控制阀保持全开，以确保流体串联流过2个盘管，最大限度地利用换热面积。在这种模式下，没有水的蒸发消耗，并且完全没有白雾产生。在干式运行模式持续工作时间较长时，将集水盘内的水排空，这样不需要考虑防冻及水处理问题。
6.1 填料型蒸发式冷凝器
图19所示为填料型蒸发式冷凝器实物图和工作原理图，气态制冷剂进入盘管将热量通过盘管表面传递给翅片。室外空气被位于顶部的风机吸入机组，经过位于盘管一侧的湿填料时被等焓冷却。之后，被预冷的空气流过盘管和翅片表面时带走管内制冷剂的热量，使其冷凝为液态制冷剂。
淋水型蒸发式冷凝器主要是依靠水在空气中蒸发吸热带走管内气态制冷剂的热量，使其冷凝为液态制冷剂。根据空气流与喷淋水的方向，分为顺流式蒸发式冷凝器和逆流式蒸发式冷凝器。
顺流式蒸发式冷凝器(由于部分空气是由盘管上方进入，与喷淋水的方向一致，所以称为顺流式)内设有喷淋装置、冷凝盘管、填料、集水盘等。箱体外部设循环水泵、冷凝盘管侧面顶部装有轴流式风机。运行时，冷却水由循环水泵送至冷凝盘管上面的喷淋装置，均匀地喷淋在冷凝盘管的外表面，形成很薄的一层水膜。
经过轴流式风机的引风，空气由盘管的上方和填料的侧面进入设备，强化了空气流动，形成箱内负压，促使水的蒸发温度降低，促进水膜蒸发，强化冷凝盘管的放热。高温气态制冷剂从冷凝盘管的上部进入，被管外水膜冷凝后成为液态制冷剂，从冷凝盘管下部集管流出。水膜吸收制冷剂的热量后，一部分蒸发变成水蒸气被轴流式风机吸走排入大气，其他经过填料时与空气进行热湿交换，随后落入集水盘内循环使用。图20所示为顺流式蒸发式冷凝器实物图和工作原理图。
逆流式蒸发式冷凝器（空气与喷淋水的方向相反，称为逆流式）运行时，冷却水由循环水泵送至喷淋装置，在换热盘管表面形成均匀的水膜。室外空气由下部进入设备，与水膜发生热湿交换，促进水膜蒸发速率，带走换热盘管内制冷剂的热量，使气态制冷剂冷凝为液态流出。图21所示为逆流式蒸发式冷凝器实物图和工作原理图。
7.1 蒸发冷磁悬浮机组
图22所示为蒸发冷磁悬浮机组，该机组采用降膜式蒸发器、淋水型蒸发式冷凝器和创新控制逻辑，实现机组一体化设计。
图22 蒸发冷磁悬浮机组实物图7蒸发冷凝冷水机组/空调机组
制冷剂进入降膜式蒸发器后，经过布液器中的喷嘴均匀地滴落到蒸发换热管的外侧，制冷剂在换热管的外表面呈膜状流下，在换热管的外侧吸热汽化，沿换热管的周围与换热管内的流体进行热交换，所形成的气态制冷剂从换热管的间隙由下向上运动，从蒸发器的蒸气出口离开蒸发器。
淋水型蒸发式冷凝器将冷凝器与冷却塔两者高度集成，以空气和水作为冷却介质，利用水的汽化潜热带走制冷剂的凝结热，实现制冷剂蒸气的冷凝，因此对水的需求量大大减少，能够节水55%。
7.2 蒸发冷凝式冷水机组
图23所示为蒸发冷凝式冷水机组。蒸发冷凝式冷水机组是一种高能效的空调设备，目前已经在地铁空调系统中得到应用，因其避免了冷却塔设置问题，布置较为灵活，在满足温湿度要求的同时降低了系统能耗，对地铁通风空调系统节能具有现实意义。
图24所示为板管式蒸发冷凝式冷水机组实物图。板管式蒸发冷凝式冷水机组采用平面液膜换热技术，布水均匀，换热效率高。工作时，压缩机吸入从蒸发器出来的高温低压的制冷剂蒸气，使之压力升高后送入蒸发式冷凝器，在管外循环水及室外空气共同作用下被冷却变为低温高压的制冷剂液体，再进入节流装置变为低温低压的制冷剂液体后送入蒸发器蒸发吸热，冷却高温冷冻水，变为高温低压的制冷剂蒸气，再进入压缩机，完成一个循环。
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