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摘要：數據中心的高能耗和碳排放對環(huán)境造成了巨大影響，降低數據中心能耗是實現國家碳中和戰(zhàn)略的客觀要求，充分利用室外自然冷源是降低數據中心能耗的有效途徑。旨在分析數據中心空調系統(tǒng)主流自然冷卻技術特點及應用條件，闡明自然冷源對于降低數據中心能耗、實現節(jié)能的重要性。
關鍵詞：數據中心；空調系統(tǒng)；自然冷源；自然冷卻技術；蒸發(fā)冷卻
隨著互聯網的全面普及，在大數據、云計算、5G通信、物聯網、人工智能等新興產業(yè)快速發(fā)展的推動下，國家經濟政策將數據中心建設納入新基建范疇。截至2021年底，中國在用數據中心機架規(guī)模達到5.20×106架，數據中心耗電量占全社會發(fā)電量的2%以上。隨著數據中心的大發(fā)展，其總耗電量及耗電占比還將不斷增大。數據中心占有大量電力資源和實際耗電量巨大的特點催生出對數據中心的綠色化要求，數據中心的節(jié)能儼然被提升到一個新高度。
1 數據中心節(jié)能技術
數據中心能耗主要來源于IT設備和空調制冷設備，兩者能耗之和超過了數據中心總能耗的85%。在采用傳統(tǒng)制冷方式的數據中心中，空調制冷系統(tǒng)能耗占整個數據中心總能耗的30%～45%。
國家政策及規(guī)范對數據中心PUE(Power Usage Effectiveness，電源使用效率）值要求愈加嚴格，新建大型及超大型數據中心都必須按照PUE<1.3進行設計。PUE是數據中心總耗電量與IT設備耗電量之比。其中，總耗電量是IT設備耗電量、空調制冷系統(tǒng)耗電量、供配電系統(tǒng)耗電量、照明及其他耗電量之和?？照{制冷系統(tǒng)耗電量是PUE值的主要可變量，實現空調制冷系統(tǒng)節(jié)能是降低PUE值最主要的途徑。
主流數據中心空調制冷系統(tǒng)節(jié)能措施主要有以下幾點：
1）普遍采用水冷式冷水機組，比風冷式冷水機組能效比高；
2）利用自然冷源，電制冷機組低負荷運行甚至不運行，從而降低甚至無冷機電耗；
3）采用高能效制冷機組，包括磁懸浮制冷機組、變頻制冷機組，降低冷機電耗；
4）提高冷凍水供回水溫度，延長自然冷源利用時間，提高冷機能效比；
5）水泵變頻，采用變流量系統(tǒng)，降低水泵電耗；
6）冷卻塔風機變頻，降低冷卻塔電耗；
7）末端精密空調采用EC(Electrical Commutation，電子換相電機）風機，降低風機電耗；
8）冷熱通道封閉，避免冷熱空氣混合。
目前，數據中心空調制冷系統(tǒng)基本呈現同質化現象，除自然冷源利用時間因建設地點氣候環(huán)境不同而有較大差異外，其他節(jié)能措施基本上為標準配置。制冷機組電耗占整個空調制冷系統(tǒng)電耗的70%以上，因此利用自然冷源縮短制冷機組開啟時間是降低空調制冷能耗最直接、有效的技術手段。自然冷卻技術在設計規(guī)范中多次被重點提出，自然冷源的應用對于降低空調系統(tǒng)能耗、實現空調系統(tǒng)節(jié)能的重要性不言而喻。自然冷卻技術主要包括水側自然冷卻技術、風側自然冷卻技術和氟側自然冷卻技術。
2 水側自然冷源的應用
水側自然冷卻系統(tǒng)包括直接水側自然冷卻系統(tǒng)2和間接水側自然冷卻系統(tǒng)。直接水側自然冷卻系統(tǒng)直接利用低溫的湖水、海水等自然水源對數據中心進行冷卻；而間接水側自然冷卻系統(tǒng)是在自然冷源（包括自然冷風和自然冷水源）與機房高溫回水之間增加風水或水水換熱器實現熱交換，冷卻機房的高溫回水以實現機房制冷。間接水側自然冷卻系統(tǒng)最常見的應用體現在水冷空調系統(tǒng)中，在冷水機組旁并聯設置自然冷卻板式換熱器，冷卻水和冷凍水先分別進入板式換熱器，后進入冷水機組。有完全自然冷源使用條件時，僅板式換熱器運行；部分自然冷源可用時，先板式換熱器預冷，后冷水機組補冷；無自然冷源時，板式換熱器脫離系統(tǒng)，僅冷水機組運行。
冷凍水溫度不同，自然冷源可利用時間也不同。根據各地全年氣象信息統(tǒng)計和對已建成運營數據中心的調研，現舉例介紹以下3種不同工況的自然冷源資源量對比情況。
1）冷凍水供回水溫度12℃/18℃。全國除?？?、廣州、福州、南寧、重慶以外，其余城市自然冷源利用時間均超過4個月，北京達到6.5個月，烏魯木齊、呼和浩特、哈爾濱達到或超過8個月。
2）冷凍水供回水溫度15℃/21℃。全國除?？凇V州、福州、南寧、重慶以外，其余城市自然冷源利用時間均超過5個月，北京達到7.5個月，烏魯木齊、呼和浩特、哈爾濱達到或超過9個月，重慶超過4.4個月，福州達到3.5個月。
3）冷凍水供回水溫度18℃/24℃。全國除?？?、廣州、福州、南寧、重慶以外，其余城市自然冷源利用時間均超過6個月，北京達到8.5個月，烏魯木齊、呼和浩特、哈爾濱達到或超過10個月，其中烏魯木齊達到11個月，重慶、福州超過5個月，廣州接近4個月，南寧達到3.5個月。
可見，全國絕大部分城市均有大量自然冷源利用時間，而提高冷凍水供回水溫度可大幅度延長自然冷源利用時間。實踐表明，水冷空調系統(tǒng)增加自然冷卻板式換熱器，僅能部分利用自然冷源，自然冷源利用率普遍較低。全國范圍內總體看，自然冷源利用率僅有40%～50%。
造成水冷空調系統(tǒng)自然冷源利用率不高的主要原因如下。
1）客觀氣候原因。因氣溫波動，濕球溫度也隨之上下波動，導致完全自然冷源與部分自然冷源交替出現。例如根據對武漢全年8760h濕球溫度的分解，在冷凍水供回水溫度12℃/18℃時，完全自然冷源與部分自然冷源交替150多次，而其中連續(xù)24h以上完全自然冷源的次數只有10次，其余為幾個小時、十幾個小時的碎片。
2）制冷主機設備原因。當完全自然冷源過渡到部分自然冷源時，需要啟動冷水機組補冷。此時系統(tǒng)為板式換熱器與冷水機組串聯運行。冷卻水進主機冷凝器溫度為16℃，冷凍水出蒸發(fā)器設定溫度為12℃，兩者之間溫差僅4℃，溫差小，主流品牌的冷水機組均無法正常啟動。需要采取變流量等技術進行調節(jié)，但由于對自控要求高、風險大，一般實際運行很少采用。其次，冷水機組補冷量低于20%以下時，易發(fā)生喘振。
3）人員因素。從安全穩(wěn)定運行出發(fā)，運維人員不太愿意冒險去不斷地切換或啟停冷機。
3 風側自然冷源的應用
風側自然冷卻是一種利用室外低溫空氣對數據中心進行冷卻的技術，適用于環(huán)境空氣質量好、氣候涼爽的地區(qū)，在中國大部分嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)及部分夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)適用。該技術主要分為直接新風自然冷卻、間接新風自然冷卻、蒸發(fā)冷卻。
3.1 直接新風自然冷卻技術
直接新風自然冷卻技術，即當室外環(huán)境空氣滿足數據中心的溫度要求時，直接引進滿足溫度條件的外部環(huán)境空氣對數據中心進行冷卻。考慮到數據中心對濕度、潔凈度的要求，系統(tǒng)除了要求室外空氣滿足溫度要求，還需要添加加濕、除濕和過濾裝置實現對送風濕度及潔凈度的控制。該技術的工作原理是直接利用室外低溫新風給數據中心機房降溫，減少了換熱流程，整個送風過程中間沒有換熱環(huán)節(jié)，因此它是自然冷卻技術中效率最高、全年自然冷卻時間最長的技術。
直接新風自然冷卻技術雖然具有諸多優(yōu)勢，但也存在一些限制因素：
1）一些地區(qū)空氣污染比較嚴重，而數據中心機房對空氣潔凈度要求較高，因此必須對直接引入的新風進行除硫、除塵和過濾凈化，這增加了運維成本；
2）直接引入新風會引入新的濕負荷，需要對新風的濕度進行控制，這也增加了系統(tǒng)的復雜性和運行成本。因此，在數據中心的實際工程項目中極少采用直接新風自然冷卻方案。
3.2 間接新風自然冷卻技術
間接新風自然冷卻技術是在室外低溫空氣與機房內高溫回風之間增加空氣換熱器實現熱交換，通過冷卻機房內高溫回風實現機房制冷。間接新風自然冷卻過程中，機房內的冷卻循環(huán)風與室外新風僅進行熱交換，不進行質交換，室外新風不會直接進入機房。間接新風自然冷卻技術對室外空氣質量要求降低，適用范圍更廣，且能有效杜絕室外新風直接進入機房所帶來的風險，利用自然冷源的時間也有可能多于直接新風自然冷卻技術。同時，間接新風自然冷卻技術在節(jié)能效果、安裝設計靈活性、快速啟動等方面也具有優(yōu)勢。
間接新風自然冷卻技術雖然在很多方面具有優(yōu)勢，但也存在一些不足。由于增加了熱交換環(huán)節(jié)，相比直接新風自然冷卻技術，其換熱效率可能會有所降低，可利用的室外新風溫度要求更低，這反而縮短了自然冷源可利用時間。而且在某些情況下，為保證熱交換效果，可能需要更復雜的設備和控制系統(tǒng)，這也會提高成本和維護難度。此外，雖然間接新風自然冷卻技術對室外空氣質量要求降低，但在一些污染較為嚴重的地區(qū)，仍需對空氣進行一定程度的過濾和處理，以確?？諝鉄峤粨Q器的正常運行和機房內的空氣質量。
3.3 蒸發(fā)冷卻技術
蒸發(fā)冷卻技術利用水蒸發(fā)吸熱的物理現象，使外界環(huán)境空氣溫度降低至更低的濕球溫度，從而實現無壓縮機制冷，延長自然冷源利用時間。
3.3.1 利用蒸發(fā)冷卻技術制備冷風
利用直接或間接蒸發(fā)冷卻技術實現制冷的空氣處理設備，通常分為3種類型：直接蒸發(fā)冷卻空調機組、間接蒸發(fā)冷卻空調機組和露點間接蒸發(fā)冷卻空調機組。蒸發(fā)冷卻空調機組的冷卻性能一般與環(huán)境空氣的濕球溫度、干濕球溫度差，換熱芯體的換熱面積，換熱芯體中干通道與濕通道之間的氣流配置以及空氣流量比等因素有關。
蒸發(fā)冷卻空調機組適合在環(huán)境空氣具有較低濕球溫度和較大干濕球溫度差的地區(qū)使用，如中國西北干燥地區(qū)。直接蒸發(fā)冷卻空調機組在數據中心自然冷卻系統(tǒng)中應用時，通常需要與機房精密空調或冷水機組聯合使用，互為備份，以保障數據中心冷卻系統(tǒng)的連續(xù)可靠運行。間接蒸發(fā)冷卻空調機組在數據中心自然冷卻系統(tǒng)中應用時，一般與直接膨脹式制冷單元聯合使用，當機房熱回風由間接蒸發(fā)冷卻換熱單元冷卻處理后未能達到機房送風要求時，則需要利用直接膨脹式制冷單元對機房回風進行補充制冷。
3.3.2 利用蒸發(fā)冷卻技術制備冷水
利用直接蒸發(fā)冷卻制備冷水就是人們所熟悉的利用冷卻塔制備冷水，通過冷水對機房回風降溫。利用冷卻塔制備冷水的極限溫度為室外空氣的濕球溫度，當濕球溫度和露點溫度相差較大時，即室外空氣的相對濕度較低時，其相比間接蒸發(fā)冷卻制備冷水的方式出水溫度高、自然冷卻時間短，并不占優(yōu)勢。
利用間接蒸發(fā)冷卻技術可制備接近室外露點溫度的冷水，在空氣和水直接接觸進行直接蒸發(fā)冷卻之前先對空氣進行等濕降溫，從而降低空氣的濕球溫度，制備低于室外濕球溫度、極限為室外露點溫度的冷源。相比直接蒸發(fā)冷卻技術，間接蒸發(fā)冷卻技術能進一步延長自然冷卻時間。而在大型數據中心應用間接蒸發(fā)冷卻技術，核心是利用間接蒸發(fā)冷卻制備冷水，在干燥地區(qū)替代電制冷機作為數據中心冷卻系統(tǒng)的獨立冷源，或者在夏季濕度高一些的地區(qū)在過渡季和冬季替代電制冷機實現數據中心的自然冷卻。
4 氟側自然冷源的應用
氟側自然冷卻節(jié)能技術利用室外低溫空氣冷卻室內高溫氟利昂冷媒實現制冷。
1）動力型氟側自然冷卻節(jié)能技術是在氟利昂冷媒系統(tǒng)管道中增加氟泵循環(huán)動力，以增加室外自然冷源的利用時長，不受室內外機之間距離和高度差限制，拓寬了應用范圍。
2）重力型氟側自然冷卻節(jié)能技術純粹利用氟利昂冷媒物理性質變化產生的自然循環(huán)動力進行循環(huán)，循環(huán)動力偏小，冷媒流量偏小，室外氣溫必須低到由冷媒物理性質變化產生的循環(huán)動力能克服管道阻力后才能正常循環(huán)供冷。其對室外低溫的要求較高，室外低溫空氣利用時間短；對室內外機之間的距離、高差及管道安裝阻力有很多要求；由于冷媒循環(huán)量少，能利用的室外冷量也偏少。
目前，氟側自然冷源比較主流的節(jié)能設備是氟泵多聯式自然冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一次循環(huán)，室內末端與散熱冷源直接連接，無中間換熱環(huán)節(jié)，降低室外溫度要求，實現超長自然冷卻時間，采用氟泵及小壓比氣泵，利用逆卡諾循環(huán)，建立全冷媒過程，實現熱管高效換熱。以廣東省一大數據中心項目為例，其應用氟泵多聯式自然冷卻系統(tǒng)，CLF(Cooling Load Factor，冷卻負載因子）低至0.15，節(jié)能效果明顯。
5 結束語
充分利用室外自然冷源，減少使用機械制冷，是降低數據中心空調制冷系統(tǒng)能耗最有效的技術手段，也是空調制冷系統(tǒng)節(jié)能的主要趨勢。自然冷源的充分利用主要從3個方面實現：
1）全面考慮當地氣候、空氣品質、水源、初投資等因素，合理選擇自然冷源；
2）優(yōu)化設計制冷架構，除了冬季外，在過渡季實現自然冷源與機械制冷的疊加使用，大幅延長全年自然冷源的使用時間；
3）通過優(yōu)選制冷設備，實現更小的傳熱溫差，從而更高效地利用自然冷源。
