随着存储和传输的数字信息量不断增加，美国的数据中心数量也在不断增加。这些数据中心内巨大的计算机功率会产生热量，因此高效冷却是建筑系统的关键要求。蒸发冷却塔是许多数据中心冷却系统不可或缺的一部分。
最近，一些人质疑冷却塔的使用，并以缺水为由为其论据提供依据。但对当地现场冷却塔的用水量与区域化石燃料发电厂的用水量进行彻底检查后，结果令人惊讶。
数据中心冷却选项
冷却数据中心的方法有多种，具体取决于数据中心的大小、需要冷却的计算机容量、区域能源成本以及数据负载和密度。常用的选项包括：
• 水冷式冷水机组——包括冷水机组系统、泵、冷却塔和与冷水机组串联的板式/框架式热交换器
• 风冷式制冷机组 – 包括制冷机系统和泵
• 直接蒸发冷却——无需机械制冷，也称为“沼泽冷却”
• 绝热冷却——在高峰条件下，空气冷却系统由水冷系统辅助
为了吸引客户，数据中心运营商权衡各种选择，寻找能够降低运营成本和环境影响的系统。他们密切关注电源使用效率 (PUE)，其定义为数据中心使用的总能量与传输到计算设备的能量之比。PUE 为 1 表示散热功率等于计算设备使用的功率。
数据中心运营商还关心水利用效率 (WUE)。冷却塔会蒸发水，但影响取决于位置。据数据中心设施基础设施设计领导者 Swanson Rink 机械工程副总裁 Tim Chiddix 称，数据中心的面积从几百平方英尺到几十万平方英尺不等，没有一种冷却技术适合所有地区、客户标准和应用。“必须分析每个设施，以确定最能满足客户需求的方法，并利用特定地区的节能节水机会。”
Swanson Rink 将设备指定为其数据中心实践的一部分，并经常将冷却塔与机械冷却器结合使用，以实现高效冷却。
必须全面评估用水问题
西部各州的长期干旱导致许多公司重新审视数据中心冷却用水的影响。一些人质疑，鉴于这些短缺，现场冷却塔是否耗水过多。在评估数据中心的最佳冷却策略时，必须全面考虑用水情况，包括发电场所的用水情况。从这个角度来看，机械蒸发冷却系统通常比其他干式系统效率高得多。
化石燃料发电厂蒸汽循环发电所用的水量可能大于数据中心冷却塔所用的水量。例如，空气冷却系统每年使用 1 兆瓦 (MW) 的电力，而水冷系统每年使用 0.5 MW 电力，每分钟使用 3,000 加仑水。发电厂为空气冷却系统提供额外的 0.5 MW 电力所消耗的水量实际上大于水冷系统冷却塔本地使用的水量。减少发电厂的能源消耗实际上可以节约用水。
Swanson Rink 的 Tim Chiddix 和 Brook Zion 在白皮书《丹佛、菲尼克斯和洛杉矶数据中心用水情况：纵观全局》中评估了用水问题。Chiddix 和 Zion 研究了单个数据中心设施的用水量减少是否会导致区域供水系统用水总量减少。
作者指出，水是一种比空气更有效的散热介质，因为蒸发可以增强冷却过程。“使用水冷冷凝系统而不是风冷冷凝系统可以显著降低冷却能源成本；然而，蒸发冷却的有效性与地点密切相关，因为气候越干燥，效率越高。”
他们研究了这种能源减少是否会因蒸发而导致现场用水量增加。他们还考虑了这种蒸发是否会浪费水，以及数据中心所有者是否应该考虑使用风冷设备。该评估比较了位于丹佛、菲尼克斯和洛杉矶的样本数据中心。它检查了区域电网，以确定电力公司生产一千瓦时 (kWh) 电力需要消耗多少水。
表1显示了美国国家可再生能源实验室（NREL）技术报告TP-550-33906中的耗水率数据。
| 状态 | 加仑/千瓦时 |
| 科罗拉多州 | 1.20 |
| 亚利桑那 | 7.88 |
| 加利福尼亚州 | 4.64 |
这项研究考察了一个具有稳定 1,500 kW 冷却负荷的样本数据中心的冷却情况。作者比较了标准效率水冷式冷却器系统和标准效率风冷式冷却器系统，以及没有机械冷却的蒸发系统。水冷式装置包括冷却器系统、泵、冷却塔和与冷却器串联的板式/框架式热交换器。风冷式冷却器包括冷却器系统和泵。表 2 显示，风冷式冷却器的满负荷功耗明显高于水冷式冷却器。
| 冷水机类型 | 丹佛 (千瓦/吨) | 菲尼克斯（千瓦/吨） | LA（千瓦/吨） |
| 空气冷却 | 1.250 | 1.340 | 1.250 |
| 水冷 | 0.431 | 0.462 | 0.426 |
通过蒸发计算水的使用量是基于从国家太阳辐射数据库 (NSRDB) 获得的典型气象年 (TMY3) 的干球和湿球温度数据。作者发现，丹佛的水冷式冷水机组系统每年消耗 1,610,748 千瓦时的能源，而风冷式冷水机组系统每年消耗 4,663,740 千瓦时的能源。
图 1 显示了每个城市所分析的机械冷却器系统的能源和水资源使用情况。水资源使用情况显示出显著差异，因为发电设施的耗水量远远大于现场耗水量。
风冷式冷水机组系统耗电量较大，且不蒸发现场水，其用水量全部与发电厂用水量相同，而水冷式冷水机组耗电量较低，且为现场用水量和发电厂用水量的综合。
Chiddix 表示，要求数据中心减少现场能源和水资源消耗的市政当局可能并未充分考虑这些要求的全部影响。他认为，如果将发电厂纳入考量，那么为数据中心选择的冷却技术实际上可能会导致更多的整体能源和水资源消耗。
需要考虑的其他节能因素
水冷技术效率更高，尤其是在较冷的天气期间采用“自由冷却”时。自由冷却，也称为“水侧省油器”冷却，是一种利用较低的外部空气温度来辅助冷却水的经济方法。在自由冷却模式下运行时，冷却塔中的水足够冷，因此不需要冷却器进行机械制冷。这大大降低了能源需求，通常可降低 75% 或更多。要利用自由冷却可能带来的节能效果，必须有足够的寒冷天气时间来证明为板/框式热交换器和其他组件进行额外设备投资是合理的。
在评估冷却塔在数据中心冷却方面的优势时，还必须考虑“可变流量”，这是另一种降低能耗的方法。冷却塔的尺寸是根据夏季设计条件确定的；可变流量使用户能够在较冷的季节减少从冷却塔到冷却器的水流量。风扇以较低的速度运行，从而减少能源使用。利用自由冷却和可变流量模式可以大大减少冷却塔的能源使用。
冷却塔模块化提供了另一个优势。随着服务器需求的增长，数据中心所有者可能更愿意随着时间的推移扩建其设施。为了控制初始资本支出和运营成本，数据中心运营商可能会在设施增长时利用包含工厂组装的模块化冷却塔的系统，根据需要增加冷却能力。数据中心建设按时完成很重要，这样服务器才能快速投入运行以产生收入。模块化预组装和现场安装的冷却塔可以满足时间敏感的交付要求和施工进度。
权衡水的选择
蒸发冷却和机械冷却解决方案有多种组合可供评估，以满足数据中心的冷却要求。随着水的讨论被添加到设计考虑因素列表中，了解和评估公用电力和当地用水量之间的关系非常重要，这样才能做出合理的决策，实现节能节水。
| 丹佛 | 凤凰 | 洛杉矶 | |
| 年能耗（千瓦） | 年能耗（千瓦） | 年能耗（千瓦） | |
| 水冷式冷水机组 | 1,610,748 | 1,726,603 | 1,592,062 |
| 风冷式冷水机组 | 4,663,470 | 4,999,089 | 4,663,470 |
| 系统 | 年用水量 （加仑/年） | 年用水量 （加仑/年） | 年用水量 （加仑/年） |
| 水冷式冷水机组 | 3,593,000 | 14,844,000 | 7,732,000 |
| 风冷式冷水机组 | 4,645,000 | 36,182,000 | 16,640,000 |
| 不同之处 | 1,052,000 | 21,338,000 | 8,908,000 |
| 减少用水的% | 22.60% | 59.00% | 53.50% |
关于作者：Paul Erlinger 是数据中心和技术全球业务发展经理，Kent Martens 是 SPX Cooling Technologies, Inc. 的区域销售经理。
