為了應對儲存和串流的大量數位訊息，美國的資料中心數量持續增長。這些資料中心內的大量電腦功率會產生熱量，因此高效冷卻成為建築系統的關鍵要求。蒸發冷卻水塔是許多資料中心冷卻系統的組成部分。
最近，有些人質疑冷卻水塔的使用，並以缺水為由支持他們的論點。但對當地現場冷卻水塔的用水量與區域化石燃料發電廠發電用水量進行徹底檢查後發現了令人驚訝的結果。
資料中心冷卻選項
冷卻資料中心的方法有多種，取決於大小、必須冷卻的電腦容量、區域能源成本以及資料負載和密度。受歡迎的選項包括：
• 水冷式冷水機組 – 包括與冷水機組串聯的冷水機組系統、泵浦、冷卻水塔和板式/框架式熱交換器
• 風冷式冷水機組 – 包括冷水機組系統和泵浦
• 直接蒸發冷卻－無需機械冷卻，也稱為“沼澤冷卻”
• 絕熱冷卻－在峰值條件下由風冷系統輔助水冷系統
為了吸引客戶，資料中心營運商權衡各種選擇，尋找能夠降低營運成本和環境影響的系統。他們密切注意電力使用效率（PUE），定義為資料中心使用的總能源與輸送到計算設備的能源之比。 PUE 為 1 表示排熱功率等於計算設備所使用的功率。
資料中心營運商也關注用水效率（WUE）。冷卻水塔會蒸發水，但影響取決於位置。資料中心設施基礎設施設計領域的領導者 Swanson Rink 的機械工程副總裁 Tim Chiddix 表示，資料中心的面積從幾百平方英尺到數十萬平方英尺不等，沒有一種冷卻技術適用於所有地區、客戶標準和應用。 “必須對每個設施進行分析，以確定最能滿足客戶需求並利用特定地區的節能和節水機會的方法。”
Swanson Rink 將設備指定為其資料中心實踐的一部分，並經常將冷卻水塔與機械冷卻器結合以實現高效冷卻。
必須全面評估用水問題
整個西部各州的持續乾旱導致許多公司重新審視冷卻資料中心用水的影響。有些人質疑，鑑於水資源短缺，現場冷卻水塔是否使用了過多的水。在評估資料中心的最佳冷卻策略時，全面查看用水量（包括供電場所的用水量）至關重要。從這個角度來看，機械蒸發冷卻系統通常比替代乾式系統更有效率。
以化石燃料為基礎的發電廠的蒸汽循環用於發電的水量可能大於資料中心冷卻水塔所使用的水量。例如，風冷系統每年消耗 1 兆瓦 (MW) 的電力，水冷系統每年消耗 0.5 兆瓦的電力，每分鐘消耗 3,000 加侖的水。發電廠為空冷系統提供額外 0.5 兆瓦電力所使用的加侖數實際上大於水冷系統冷卻水塔本地使用的水量。減少發電廠的能源使用實際上可以節省水。
Swanson Rink 的 Tim Chiddix 和 Brook Zion 在一份白皮書《丹佛、菲尼克斯和洛杉磯的資料中心用水：縱覽全局》中評估了用水問題。 Chiddix 和 Zion 研究了單一資料中心設施用水量的減少是否會導致區域供水系統用水量的整體減少。
作者指出，水是比空氣更有效的散熱介質，因為蒸發增強了冷卻過程。 「與風冷冷凝系統相比，使用水冷式冷凝系統可顯著降低冷卻能源成本；然而，蒸發冷卻的有效性很大程度上取決於地點，因為乾燥的氣候會帶來更高的效率。
他們研究了這種能源減少是否會導致現場用水量因蒸發而增加。他們還考慮了這種蒸發是否浪費水，以及資料中心所有者是否應該考慮使用風冷設備。該評估比較了位於丹佛、鳳凰城和洛杉磯的樣本資料中心。它檢查了地區電網，以確定電力公司生產千瓦時 (kWh) 電力消耗多少水。
國家再生能源實驗室（NREL）技術報告TP-550-33906的耗水率數據如表1所示。
| 狀態 | 加侖/千瓦時 |
| 科羅拉多州 | 1.20 |
| 亞利桑那 | 7.88 |
| 加州 | 4.64 |
該研究著眼於具有穩定 1,500 kW 冷卻負載的樣本資料中心的冷卻。作者比較了標準效率水冷式冷水機組系統和標準效率風冷式冷水機組系統，以及無機械冷卻的蒸發系統。水冷裝置包括冷水機組系統、水泵、冷卻水塔以及與冷水機組串聯的板式/框架式熱交換器。風冷式冷水機組包括冷水機組和水泵。從表2可以看出，氣冷式冷水機的滿載耗電量明顯高於水冷式冷水機。
| 冷水機類型 | 丹佛 (千瓦/噸) | 菲尼克斯 (千瓦/噸) | LA（千瓦/噸） |
| 風冷式 | 1.250 | 1.340 | 1.250 |
| 水冷 | 0.431 | 0.462 | 0.426 |
透過蒸發的用水量是基於從國家太陽輻射資料庫 (NSRDB) 獲得的典型氣象年 (TMY3) 的乾球溫度和濕球溫度資料。作者發現，丹佛的水冷式冷水機組系統每年消耗 1,610,748 千瓦時的能源，風冷式冷水機組系統每年消耗 4,663,740 千瓦時的能源。
圖 1 顯示了每個城市分析的機械冷凍系統的能源和水使用。用水量有顯著差異，因為發電設施的用水量遠大於現場的用水量。
風冷式冷水機組系統耗電較多，現場不蒸發水。其所有用水量均以電廠用水量計算。相比之下，水冷式冷水機組的耗電量較低，並且綜合了現場和發電廠的用水量。
Chiddix 表示，要求資料中心減少現場能源和水使用的市政當局可能沒有考慮到這些要求的全部影響。他認為，如果在等式中考慮發電廠，為資料中心選擇的冷卻技術實際上可能會導致更多的整體能源和水的使用。
其他需要考慮的節能因素
水冷技術效率更高，特別是在天氣涼爽時採用「自然冷卻」時。自然冷卻，也稱為“水側省煤器”冷卻，是一種利用較低的外部空氣溫度來輔助冷卻水的經濟方法。在自然冷卻模式下運作時，冷卻水塔中的水足夠冷，不需要冷水機進行機械冷卻。這顯著降低了能源需求，通常降低了 75% 或更多。為了利用自然冷卻可能節省的能源，必須有足夠的寒冷天氣時間來證明板式/框架式熱交換器和其他組件的額外設備投資是合理的。
評估冷卻水塔在資料中心冷卻方面的優勢還必須考慮“變流”，這是另一種降低能耗的方法。冷卻水塔的尺寸適合夏季設計條件；可變流量使用戶能夠在較冷的季節減少從冷卻水塔到冷水機組的水流量。風扇以較低的速度運行，從而減少能源消耗。利用自然冷卻和變流量模式可以顯著減少冷卻水塔的能源使用。
冷卻水塔模組化提供了另一個優勢。隨著伺服器需求的增長，資料中心所有者可能更願意逐步擴建其設施。為了控制初始資本支出和營運成本，隨著設施的發展，資料中心營運商可以根據需要利用包含工廠組裝的模組化冷卻塔的系統來增加冷卻能力。按時完成資料中心建置非常重要，這樣伺服器才能快速運作並產生收入。模組化預組裝和現場安裝的冷卻水塔可以滿足時間敏感的交付要求和施工進度。
權衡水的選擇
可以評估蒸發冷卻和機械冷卻解決方案的多種組合以滿足資料中心冷卻要求。由於對水的討論被添加到設計考慮因素清單中，因此了解和評估公用電力與當地用水量之間的關係非常重要，以便為實現節能和節水做出合理的決策。
| 丹佛 | 鳳凰 | 洛杉磯 | |
| 年能耗（千瓦） | 年能耗（千瓦） | 年能耗（千瓦） | |
| 水冷冷水機 | 1,610,748 | 1,726,603 | 1,592,062 |
| 風冷冷水機 | 4,663,470 | 4,999,089 | 4,663,470 |
| 系統 | 年用水量 （加侖/年） | 年用水量 （加侖/年） | 年用水量 （加侖/年） |
| 水冷冷水機 | 3,593,000 | 14,844,000 | 7,732,000 |
| 風冷冷水機 | 4,645,000 | 36,182,000 | 16,640,000 |
| 不同之處 | 1,052,000 | 21,338,000 | 8,908,000 |
| % 用水量減少 | 22.60% | 59.00% | 53.50% |
作者簡介：Paul Erlinger 是 SPX 冷卻技術公司的全球業務開發經理 - 資料中心和技術，Kent Martens 是區域銷售經理。
