创新露点蒸发冷却系统作为实时边缘数据中心低能耗冷却解决方案的长期现场性能

《ENERGY AND BUILDINGS》：Long-term field performance of an innovative dew point evaporative cooling system as a low-energy cooling solution for a live edge data Centre

　　

首次在英国实时边缘数据中心进行露点冷却的全年现场研究。年均能效系数（COP）约为29.7，实现低电力冷却。夏季约束运行暴露了系统级集成挑战。微生物风险在定制管理协议下可控。为下一代建筑一体化露点冷却系统（DPC）制定了发展路径。

**论文解读：创新露点蒸发冷却系统在边缘数据中心的全年度现场性能评估**

**研究背景与问题**
随着云计算和分布式计算的快速发展，数据中心电力消耗持续增长，国际能源署（IEA）预测全球数据中心用电量将从2024年的约415 TWh增至2030年的约945 TWh。冷却与环境控制是数据中心总能耗的重要部分，高效超大规模数据中心中冷却系统约占7%，但低效企业数据中心中这一比例可超过30%。小型边缘数据中心（通常指IT装机容量低于500 kW的服务器机房、计算机房等）往往依赖建筑暖通空调、分体式空调或直接膨胀系统，其典型电能利用效率（PUE）可达1.4–2.5，远高于大型设施。然而，这些边缘设施在现有能效法规中通常不被强制报告，冷却效率提升空间巨大。露点蒸发冷却（DPC）作为间接蒸发冷却的先进形式，能将产品空气冷却至露点温度附近，且不增加湿度，理论上适合数据中心主导的显热负荷。但现有研究多集中于换热器组件级（如通道结构、工作空气比、润湿材料等），缺乏系统级长期现场证据，尤其是：① 现实气候条件下（如海洋性气候）的全年性能；② 系统安装集成带来的影响；③ 夏季高温高湿季节行为；④ 水侧微生物安全与维护问题。因此，本研究旨在填补这些空白，对创新DPC系统在真实边缘数据中心中进行首个全年度现场评估。

**研究内容与结论**
研究人员在英国赫尔的大学校园内一个实时边缘数据中心（包含两个服务器机柜，IT容量<500 kW）安装了基于专利换热器（EP3526537）的DPC系统，包含两台原型DPC单元。该系统采用混合平板-波纹换热结构、高芯吸湿通道材料及脉冲供水，以增强传热传质并降低气流阻力。通过为期一年的监测（2022年），测量了供回风温度、湿度、风速及电力消耗，计算了冷却能力与能效系数（COP）。同时，依据BS 8580-1、L8及HSG274标准制定了微生物风险管理方案，每周进行浸片测试评估需氧菌活性。

**结论**：该DPC系统在全年运行中月均电力消耗稳定在120–145 kWh，12个月平均COP约为29.7，秋季最高达36.7，7月最低为18.4。供风与室内空气含湿量平均差仅为0.35 g/kg，表明几乎无额外湿度进入IT空间。然而，夏季7月13–22日出现了约束运行期，供风温度高于回风温度，日平均温差（ΔT）最低达-4.4°C，原因为室外高温、太阳辐射加热设备外壳及与辅助分体式空调系统的相互作用，导致系统级冷却贡献暂时丧失。微生物监测显示，在定制管理协议下，两台DPC单元的浸片读数均未超过行动阈值（10⁵ CFU/mL），其中Unit 1持续处于控制带内，Unit 2因排风扇故障出现警告带读数，但通过清洗和换水后恢复。

**意义**：该研究首次提供了DPC系统在真实边缘数据中心中的全年度系统级证据，揭示了现场性能不仅取决于换热器特性，更受安装环境、辅助冷却系统交互及维护策略影响。论文发表在《ENERGY AND BUILDINGS》，为建筑一体化DPC的部署路径（模块化、短绝缘风道、自适应控制、与辅助冷却集成）提供了可转移的设计原则，并首次将微生物安全纳入性能评估维度。

**主要关键技术方法**
（1）**监测与数据处理**：在供回风管道安装温度、湿度、风速传感器，在DPC单元电力回路安装电流传感器，以5分钟间隔记录数据，处理为小时值和日平均值；冷却能力通过供回风温差与质量流量计算，COP为冷却能力与电力输入之比。
（2）**不确定性分析**：依据GUM指南，对传感器标称精度（温度±0.5°C、电流±0.07 A、风速±0.5 m/s）进行B类评定，传播合成标准不确定度，冷却能力约0.4–0.7 kW，COP约2.4–4.0。
（3）**微生物风险管理**：基于BS 8580-1、L8及HSG274 Part 1，制定预防性清洗、定期冲洗、排水/换水、干燥及消毒方案；每周从水箱出口取水样进行浸片（30°C，48 h），依据HSG274控制带（≤10? CFU/mL受控，>10?–10?警告，>10?行动）评估需氧菌活性。

**研究结果**

**3.1 供风与排风风机设置对DPC性能的影响**
通过改变供风（SA）和排风风机频率（EA），绘制了ΔT（回风-供风温差）与COP的性能图。在平均室外温度17°C、相对湿度60%条件下，ΔT范围为5.4–7.5°C，平均6.3°C；冷却能力在特定SA/EA组合出现峰值，COP在中等SA和低-中EA时最高达36。供风与室内空气含湿量差平均仅0.35 g/kg，最大1.03 g/kg，证实DPC完全以间接蒸发模式运行，几乎不向IT空间添加湿度。

**3.2 全年性能与季节性运行**
月度数据表明，DPC电力消耗全年稳定在120–145 kWh；冷却能力在1–6月为5.3–6.5 kW，7月降至最低3.3 kW，9–11月回升至6.6–7.1 kW。12个月平均COP为29.7，1–2月较高（33.4、32.6），3–6月降低（30.4），7月最低（18.4），8–11月回升（29.6–36.7）。典型日分析显示，冬季（1月15日）、春季（4月20日）、夏季（6月15日）和秋季（10月15日）均保持正ΔT，但夏季7月出现约束。

**3.3 夏季高温条件下的约束运行**
7月13–22日详细小时数据表明，室外气温多次超过30°C，供风温度频繁高于回风温度，ΔT变为负值。7月18–20日为最严重约束日，19日日平均ΔT达-4.4°C，20日全24小时供风温度高于回风温度。原因包括：太阳辐射加热设备外壳和管道，使供风在蒸发后被再热；同时，辅助分体式空调维持回风温度较低，抑制了冷却效果。7月22日室外温度降至15.9°C时，系统恢复，日平均ΔT回升至7.8°C，表明DPC自身冷却能力未丧失，约束是系统级安装集成问题。

**3.4 微生物安全与风险管理**
每周浸片测试显示，Unit 1所有样本均处于受控带（≤10? CFU/mL），仅一次进入警告带；Unit 2多次出现警告带读数（>10?–10? CFU/mL），对应排风扇故障期间，未达到行动阈值（>10? CFU/mL）。警告带触发审查、换水或清洗后，后续读数恢复至受控带。结果表明，在定制管理协议下，微生物风险可控，但需与机械运行状态关联。

**讨论与结论**
讨论部分指出，夏季约束运行是系统级效应，而非换热器性能退化，挑战了现有文献中仅关注组件COP的视角。DPC更适合作为低电力基础冷却层，为边缘数据中心提供连续显热冷却，辅助系统应对峰值或约束条件。微生物安全需与设备维护结合，自动换水、干燥及故障检测是未来发展方向。可转移发现包括：需根据气候进行小时级心理计算评估；DPC应针对年基础负荷而非峰值负荷设计；短绝缘风道、遮阳外壳及协调控制是维护现场性能的关键；模块化、低阻力换热器与自适应控制是下一代集成方向。

**结论部分翻译**：
本研究对安装在英国海洋性气候下实时小规模边缘数据中心中的露点冷却系统进行了全年度现场评估。结合性能映射、长期运行监测、季节性与小时级分析以及需氧菌浸片测试，考察了热性能、能源使用、安装影响及运行安全。在监测条件下，月均电力消耗稳定在120–145 kWh，12个月平均COP为29.7，月均COP在秋季接近37，7月降至18.4。供风与室内空气含湿量差平均约0.35 g/kg，表明向空间添加的湿度有限。结果表明，DPC可为小型边缘数据中心提供低电力显热冷却。更广泛的发现是，安装后的DPC性能不能仅根据换热器额定值或有利条件下的性能来评估。该系统在全年大部分时间保持有效冷却贡献，但7月进入约束期，这与蒸发冷却余量减小、设备外壳太阳辐射暴露及辅助冷却系统相互作用有关，无法在组件或短期测试中观察到，提供了有意义的可转移解释。对于系统设计者和运营商，DPC更适合作为显热基础冷却层，辅助系统覆盖峰值或约束条件。应按其承担的年度冷却负荷份额而非峰值负荷来设计。短绝缘风道、减少围护结构得热以及协调的风机和辅助系统控制对于维持现场性能至关重要。未来发展应优先考虑模块化配置、低阻力换热器、自适应控制及与现有冷却系统的集成，以支持更广泛部署。微生物学结果表明，所采用的监测与维护协议可行。没有需氧菌浸片样本超过行动阈值。然而，浸片测试需要人工干预，且不选择性地检测军团菌。未来发展应结合更选择性的微生物测试与自动水质监测、有目标的换水和干燥。这些方法应在降低用水和运行成本的同时维持微生物控制。总体而言，本研究的贡献在于所呈现的知识。DPC应用应首先使用小时级心理测量和现场运行条件进行评估，然后针对适当的显热基础负荷进行设计，通过短风道和协调的辅助控制集成，并在明确的水管理和设备监测协议下运行。