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摘要：數(shù)據(jù)中心的高能耗和碳排放對(duì)環(huán)境造成了巨大影響，降低數(shù)據(jù)中心能耗是實(shí)現(xiàn)國(guó)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(shù)據(jù)中心能耗的有效途徑。旨在分析數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)主流自然冷卻技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用條件，闡明自然冷源對(duì)于降低數(shù)據(jù)中心能耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要性。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；空調(diào)系統(tǒng)；自然冷源；自然冷卻技術(shù)；蒸發(fā)冷卻
隨著互聯(lián)網(wǎng)的全面普及，在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策將數(shù)據(jù)中心建設(shè)納入新基建范疇。截至2021年底，中國(guó)在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模達(dá)到5.20×106架，數(shù)據(jù)中心耗電量占全社會(huì)發(fā)電量的2%以上。隨著數(shù)據(jù)中心的大發(fā)展，其總耗電量及耗電占比還將不斷增大。數(shù)據(jù)中心占有大量電力資源和實(shí)際耗電量巨大的特點(diǎn)催生出對(duì)數(shù)據(jù)中心的綠色化要求，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能儼然被提升到一個(gè)新高度。
1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)
數(shù)據(jù)中心能耗主要來(lái)源于IT設(shè)備和空調(diào)制冷設(shè)備，兩者能耗之和超過(guò)了數(shù)據(jù)中心總能耗的85%。在采用傳統(tǒng)制冷方式的數(shù)據(jù)中心中，空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗占整個(gè)數(shù)據(jù)中心總能耗的30%～45%。
國(guó)家政策及規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE(Power Usage Effectiveness，電源使用效率）值要求愈加嚴(yán)格，新建大型及超大型數(shù)據(jù)中心都必須按照PUE<1.3進(jìn)行設(shè)計(jì)。PUE是數(shù)據(jù)中心總耗電量與IT設(shè)備耗電量之比。其中，總耗電量是IT設(shè)備耗電量、空調(diào)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{(diào)制冷系統(tǒng)耗電量是PUE值的主要可變量，實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能是降低PUE值最主要的途徑。
主流數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能措施主要有以下幾點(diǎn)：
1）普遍采用水冷式冷水機(jī)組，比風(fēng)冷式冷水機(jī)組能效比高；
2）利用自然冷源，電制冷機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行甚至不運(yùn)行，從而降低甚至無(wú)冷機(jī)電耗；
3）采用高能效制冷機(jī)組，包括磁懸浮制冷機(jī)組、變頻制冷機(jī)組，降低冷機(jī)電耗；
4）提高冷凍水供回水溫度，延長(zhǎng)自然冷源利用時(shí)間，提高冷機(jī)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(fēng)機(jī)變頻，降低冷卻塔電耗；
7）末端精密空調(diào)采用EC(Electrical Commutation，電子換相電機(jī)）風(fēng)機(jī)，降低風(fēng)機(jī)電耗；
8）冷熱通道封閉，避免冷熱空氣混合。
目前，數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)基本呈現(xiàn)同質(zhì)化現(xiàn)象，除自然冷源利用時(shí)間因建設(shè)地點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)配置。制冷機(jī)組電耗占整個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)電耗的70%以上，因此利用自然冷源縮短制冷機(jī)組開(kāi)啟時(shí)間是降低空調(diào)制冷能耗最直接、有效的技術(shù)手段。自然冷卻技術(shù)在設(shè)計(jì)規(guī)范中多次被重點(diǎn)提出，自然冷源的應(yīng)用對(duì)于降低空調(diào)系統(tǒng)能耗、實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要性不言而喻。自然冷卻技術(shù)主要包括水側(cè)自然冷卻技術(shù)、風(fēng)側(cè)自然冷卻技術(shù)和氟側(cè)自然冷卻技術(shù)。
2 水側(cè)自然冷源的應(yīng)用
水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)包括直接水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)2和間接水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)。直接水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)直接利用低溫的湖水、海水等自然水源對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻；而間接水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是在自然冷源（包括自然冷風(fēng)和自然冷水源）與機(jī)房高溫回水之間增加風(fēng)水或水水換熱器實(shí)現(xiàn)熱交換，冷卻機(jī)房的高溫回水以實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷。間接水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)最常見(jiàn)的應(yīng)用體現(xiàn)在水冷空調(diào)系統(tǒng)中，在冷水機(jī)組旁并聯(lián)設(shè)置自然冷卻板式換熱器，冷卻水和冷凍水先分別進(jìn)入板式換熱器，后進(jìn)入冷水機(jī)組。有完全自然冷源使用條件時(shí)，僅板式換熱器運(yùn)行；部分自然冷源可用時(shí)，先板式換熱器預(yù)冷，后冷水機(jī)組補(bǔ)冷；無(wú)自然冷源時(shí)，板式換熱器脫離系統(tǒng)，僅冷水機(jī)組運(yùn)行。
冷凍水溫度不同，自然冷源可利用時(shí)間也不同。根據(jù)各地全年氣象信息統(tǒng)計(jì)和對(duì)已建成運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)中心的調(diào)研，現(xiàn)舉例介紹以下3種不同工況的自然冷源資源量對(duì)比情況。
1）冷凍水供回水溫度12℃/18℃。全國(guó)除海口、廣州、福州、南寧、重慶以外，其余城市自然冷源利用時(shí)間均超過(guò)4個(gè)月，北京達(dá)到6.5個(gè)月，烏魯木齊、呼和浩特、哈爾濱達(dá)到或超過(guò)8個(gè)月。
2）冷凍水供回水溫度15℃/21℃。全國(guó)除?？凇V州、福州、南寧、重慶以外，其余城市自然冷源利用時(shí)間均超過(guò)5個(gè)月，北京達(dá)到7.5個(gè)月，烏魯木齊、呼和浩特、哈爾濱達(dá)到或超過(guò)9個(gè)月，重慶超過(guò)4.4個(gè)月，福州達(dá)到3.5個(gè)月。
3）冷凍水供回水溫度18℃/24℃。全國(guó)除?？?、廣州、福州、南寧、重慶以外，其余城市自然冷源利用時(shí)間均超過(guò)6個(gè)月，北京達(dá)到8.5個(gè)月，烏魯木齊、呼和浩特、哈爾濱達(dá)到或超過(guò)10個(gè)月，其中烏魯木齊達(dá)到11個(gè)月，重慶、福州超過(guò)5個(gè)月，廣州接近4個(gè)月，南寧達(dá)到3.5個(gè)月。
可見(jiàn)，全國(guó)絕大部分城市均有大量自然冷源利用時(shí)間，而提高冷凍水供回水溫度可大幅度延長(zhǎng)自然冷源利用時(shí)間。實(shí)踐表明，水冷空調(diào)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(guó)范圍內(nèi)總體看，自然冷源利用率僅有40%～50%。
造成水冷空調(diào)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(dòng)，濕球溫度也隨之上下波動(dòng)，導(dǎo)致完全自然冷源與部分自然冷源交替出現(xiàn)。例如根據(jù)對(duì)武漢全年8760h濕球溫度的分解，在冷凍水供回水溫度12℃/18℃時(shí)，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(shù)只有10次，其余為幾個(gè)小時(shí)、十幾個(gè)小時(shí)的碎片。
2）制冷主機(jī)設(shè)備原因。當(dāng)完全自然冷源過(guò)渡到部分自然冷源時(shí)，需要啟動(dòng)冷水機(jī)組補(bǔ)冷。此時(shí)系統(tǒng)為板式換熱器與冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行。冷卻水進(jìn)主機(jī)冷凝器溫度為16℃，冷凍水出蒸發(fā)器設(shè)定溫度為12℃，兩者之間溫差僅4℃，溫差小，主流品牌的冷水機(jī)組均無(wú)法正常啟動(dòng)。需要采取變流量等技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但由于對(duì)自控要求高、風(fēng)險(xiǎn)大，一般實(shí)際運(yùn)行很少采用。其次，冷水機(jī)組補(bǔ)冷量低于20%以下時(shí)，易發(fā)生喘振。
3）人員因素。從安全穩(wěn)定運(yùn)行出發(fā)，運(yùn)維人員不太愿意冒險(xiǎn)去不斷地切換或啟停冷機(jī)。
3 風(fēng)側(cè)自然冷源的應(yīng)用
風(fēng)側(cè)自然冷卻是一種利用室外低溫空氣對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻的技術(shù)，適用于環(huán)境空氣質(zhì)量好、氣候涼爽的地區(qū)，在中國(guó)大部分嚴(yán)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(shù)主要分為直接新風(fēng)自然冷卻、間接新風(fēng)自然冷卻、蒸發(fā)冷卻。
3.1 直接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)
直接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)，即當(dāng)室外環(huán)境空氣滿足數(shù)據(jù)中心的溫度要求時(shí)，直接引進(jìn)滿足溫度條件的外部環(huán)境空氣對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻。考慮到數(shù)據(jù)中心對(duì)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(guò)濾裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)濕度及潔凈度的控制。該技術(shù)的工作原理是直接利用室外低溫新風(fēng)給數(shù)據(jù)中心機(jī)房降溫，減少了換熱流程，整個(gè)送風(fēng)過(guò)程中間沒(méi)有換熱環(huán)節(jié)，因此它是自然冷卻技術(shù)中效率最高、全年自然冷卻時(shí)間最長(zhǎng)的技術(shù)。
直接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)雖然具有諸多優(yōu)勢(shì)，但也存在一些限制因素：
1）一些地區(qū)空氣污染比較嚴(yán)重，而數(shù)據(jù)中心機(jī)房對(duì)空氣潔凈度要求較高，因此必須對(duì)直接引入的新風(fēng)進(jìn)行除硫、除塵和過(guò)濾凈化，這增加了運(yùn)維成本；
2）直接引入新風(fēng)會(huì)引入新的濕負(fù)荷，需要對(duì)新風(fēng)的濕度進(jìn)行控制，這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和運(yùn)行成本。因此，在數(shù)據(jù)中心的實(shí)際工程項(xiàng)目中極少采用直接新風(fēng)自然冷卻方案。
3.2 間接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)
間接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)是在室外低溫空氣與機(jī)房?jī)?nèi)高溫回風(fēng)之間增加空氣換熱器實(shí)現(xiàn)熱交換，通過(guò)冷卻機(jī)房?jī)?nèi)高溫回風(fēng)實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷。間接新風(fēng)自然冷卻過(guò)程中，機(jī)房?jī)?nèi)的冷卻循環(huán)風(fēng)與室外新風(fēng)僅進(jìn)行熱交換，不進(jìn)行質(zhì)交換，室外新風(fēng)不會(huì)直接進(jìn)入機(jī)房。間接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)對(duì)室外空氣質(zhì)量要求降低，適用范圍更廣，且能有效杜絕室外新風(fēng)直接進(jìn)入機(jī)房所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，利用自然冷源的時(shí)間也有可能多于直接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)。同時(shí)，間接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)在節(jié)能效果、安裝設(shè)計(jì)靈活性、快速啟動(dòng)等方面也具有優(yōu)勢(shì)。
間接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)雖然在很多方面具有優(yōu)勢(shì)，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(fēng)自然冷卻技術(shù)，其換熱效率可能會(huì)有所降低，可利用的室外新風(fēng)溫度要求更低，這反而縮短了自然冷源可利用時(shí)間。而且在某些情況下，為保證熱交換效果，可能需要更復(fù)雜的設(shè)備和控制系統(tǒng)，這也會(huì)提高成本和維護(hù)難度。此外，雖然間接新風(fēng)自然冷卻技術(shù)對(duì)室外空氣質(zhì)量要求降低，但在一些污染較為嚴(yán)重的地區(qū)，仍需對(duì)空氣進(jìn)行一定程度的過(guò)濾和處理，以確?？諝鉄峤粨Q器的正常運(yùn)行和機(jī)房?jī)?nèi)的空氣質(zhì)量。
3.3 蒸發(fā)冷卻技術(shù)
蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用水蒸發(fā)吸熱的物理現(xiàn)象，使外界環(huán)境空氣溫度降低至更低的濕球溫度，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)壓縮機(jī)制冷，延長(zhǎng)自然冷源利用時(shí)間。
3.3.1 利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)制備冷風(fēng)
利用直接或間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)制冷的空氣處理設(shè)備，通常分為3種類型：直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組、間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組和露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組。蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)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(guān)。
蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)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(guó)西北干燥地區(qū)。直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在數(shù)據(jù)中心自然冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，通常需要與機(jī)房精密空調(diào)或冷水機(jī)組聯(lián)合使用，互為備份，以保障數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的連續(xù)可靠運(yùn)行。間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在數(shù)據(jù)中心自然冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，一般與直接膨脹式制冷單元聯(lián)合使用，當(dāng)機(jī)房熱回風(fēng)由間接蒸發(fā)冷卻換熱單元冷卻處理后未能達(dá)到機(jī)房送風(fēng)要求時(shí)，則需要利用直接膨脹式制冷單元對(duì)機(jī)房回風(fēng)進(jìn)行補(bǔ)充制冷。
3.3.2 利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)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(guò)冷水對(duì)機(jī)房回風(fēng)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(dāng)濕球溫度和露點(diǎn)溫度相差較大時(shí)，即室外空氣的相對(duì)濕度較低時(shí)，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(shí)間短，并不占優(yōu)勢(shì)。
利用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可制備接近室外露點(diǎn)溫度的冷水，在空氣和水直接接觸進(jìn)行直接蒸發(fā)冷卻之前先對(duì)空氣進(jìn)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(diǎn)溫度的冷源。相比直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)能進(jìn)一步延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間。而在大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，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(jī)作為數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的獨(dú)立冷源，或者在夏季濕度高一些的地區(qū)在過(guò)渡季和冬季替代電制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的自然冷卻。
4 氟側(cè)自然冷源的應(yīng)用
氟側(cè)自然冷卻節(jié)能技術(shù)利用室外低溫空氣冷卻室內(nèi)高溫氟利昂冷媒實(shí)現(xiàn)制冷。
1）動(dòng)力型氟側(cè)自然冷卻節(jié)能技術(shù)是在氟利昂冷媒系統(tǒng)管道中增加氟泵循環(huán)動(dòng)力，以增加室外自然冷源的利用時(shí)長(zhǎng)，不受室內(nèi)外機(jī)之間距離和高度差限制，拓寬了應(yīng)用范圍。
2）重力型氟側(cè)自然冷卻節(jié)能技術(shù)純粹利用氟利昂冷媒物理性質(zhì)變化產(chǎn)生的自然循環(huán)動(dòng)力進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)動(dòng)力偏小，冷媒流量偏小，室外氣溫必須低到由冷媒物理性質(zhì)變化產(chǎn)生的循環(huán)動(dòng)力能克服管道阻力后才能正常循環(huán)供冷。其對(duì)室外低溫的要求較高，室外低溫空氣利用時(shí)間短；對(duì)室內(nèi)外機(jī)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(cè)自然冷源比較主流的節(jié)能設(shè)備是氟泵多聯(lián)式自然冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一次循環(huán)，室內(nèi)末端與散熱冷源直接連接，無(wú)中間換熱環(huán)節(jié)，降低室外溫度要求，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)自然冷卻時(shí)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)熱管高效換熱。以廣東省一大數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目為例，其應(yīng)用氟泵多聯(lián)式自然冷卻系統(tǒng)，CLF(Cooling Load Factor，冷卻負(fù)載因子）低至0.15，節(jié)能效果明顯。
5 結(jié)束語(yǔ)
充分利用室外自然冷源，減少使用機(jī)械制冷，是降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗最有效的技術(shù)手段，也是空調(diào)制冷系統(tǒng)節(jié)能的主要趨勢(shì)。自然冷源的充分利用主要從3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：
1）全面考慮當(dāng)?shù)貧夂颉⒖諝馄焚|(zhì)、水源、初投資等因素，合理選擇自然冷源；
2）優(yōu)化設(shè)計(jì)制冷架構(gòu)，除了冬季外，在過(guò)渡季實(shí)現(xiàn)自然冷源與機(jī)械制冷的疊加使用，大幅延長(zhǎng)全年自然冷源的使用時(shí)間；
3）通過(guò)優(yōu)選制冷設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更小的傳熱溫差，從而更高效地利用自然冷源。
