如何选择数据中心空调自然冷却方案

文｜艾默生网络能源有限公司 王前方 张海涛

1 必须关注数据中心空调系统能耗

随着技术的发展，人们之间的信息交流也逐渐丰富，社会对信息的需求和交流在迅速的增加，社交、微博、云计算也迅速成为热门词汇，从而也带动了数据中心的建设。数据中心是信息存储、交互、处理的地方，是容纳计算机设备、服务器设备、网络设备、存储设备的物理空间，为了保证大发热量的电子设备的可靠运行，机房空调系统必不可少。近年来数据中心建设规模的扩大，能耗的不断增加，其能耗也越来越受关注。根据能源研究所的统计，2009年中国数据中心能耗高达364亿千瓦时，美国在2010年数据中心的能耗高达1000亿千瓦时，预计到2011年中国的数据中心总能耗将超过500亿千瓦时。据EYP报告，数据中心能耗中的37%被空调系统消耗，此时PUE（能源利用效率）的制冷因子为0.74。数据中心能耗分布，如图1所示。

图1 数据中心能耗分布

无论从减少对能源的消耗，还是降低数据中心的运行成本获取商业价值的角度，都需要降低数据中心的能耗，空调就是重要的一环。而且随着近几年来数据中心空调方案的发展，能采用的节能措施也越来也多。

2 数据中心空调系统节能措施

数据中心空调内主要是大发热量的电子设备，有它本身的特殊要求。如恒温恒湿控制、大风量小焓差、高显热比、高可靠性、有冗余备份、全年制冷运行等。图2详细描述了数据中心的热量来源和影响空调系统能耗的多种因素。

从热量来源来看，主要是设备发热量和室外传热量。要减少室外传递的热量可以从提高数据中心环境设定温度、提高建筑结构隔热能力、加强机房密封性能、减少太阳辐射热量等方面进行。

在数据中心热负荷确定后，要降低空调系统能耗，就需要从空调应用方案和空调制冷方式入手。空调应用方案的节能措施主要包括采用高能效空调机组、选择最优空调送风方案、机柜采用冷热通道布局、采用高热密度设计、选择变容量空调设备、应用智能群控技术、加强日常维护等。其中任何一项都有值得深入研究的内容。

空调制冷方式近年来逐渐受到广泛关注，主要就是采用自然冷却方案（Free Cooling）。数据中心需要全年制冷，室外温度低于数据中心内部温度时，仍然需要空调提供冷量，如果把室外自然界的低温冷源直接用来冷却机房，就可以节约能源消耗，这类方案称为自然冷却方案。

图2

3 数据中心自然冷却方案

自然冷却方案由于利用自然界的低温冷源，降低机械制冷的运行时间，所以节能的潜力非常大。从空调应用方案方面采用节能措施，主要是提高机械制冷的效率和利用率，做到最优时，PUE的制冷因子可低至0.35～0.4，而采用自然冷却，如果条件允许时，最低PUE制冷因子可以小于0.05。但采用自然冷却也有诸多限制，其中最重要的是要受数据中心所在地的气候条件限制，温度越低，低温时间越长越有利于自然冷却方案的实施。所以在大部分情况下，自然冷却方案并不能单独应用，而需要和机房空调系统结合采用，在条件达到时采用自然冷却方案。

自然冷却方案有多种方式，主要分为两大类：空气节能自然冷却系统和液体节能自然冷却系统。空气节能自然冷却系统是向数据中心内引入适当量的冷空气以满足制冷需要。系统上的传感器测量数据中心内外的空气状态，若使用外部空气进行制冷的条件合适，节能系统把外部空气引入以对数据中心进行完全或部分冷却，减少或消除对空调机械制冷的运行需求。液体节能系统一般集成在基于制冷剂、冷冻水或乙二醇的制冷系统中。此类系统包含换热器盘管、泵循环系统和冷却塔或干冷器以满足制冷需求。节能自然冷却系统工作时，系统中的低温液体通过换热器盘管冷却数据中心，从而减少空调/压缩机的工作量，下面将分别介绍。

3.1 直接新风自然冷却方案

在室外温度低于室内温度时，直接引入室外新风冷却机房是最容易想到的自然冷却方案。直接新风自然冷却方案由于其鲜明的优缺点一直受到大家的关注，也产生了巨大的争议。其优势是初始投资低，实现方案简单，而且节能效率非常高。但其缺点也同样突出，新风引入机房内会污染机房，主要包括灰尘、湿度、二氧化硫等化学成分，会威胁到设备的安全运行，造成总成本上升。改进的新风直接自然冷却方案可以将符合温度条件的室外冷空气通过化学过滤、湿度等手段处理，达到数据中心空气环境标准的冷空气，然后送入数据中心，但这种方案会提高湿度控制和化学过滤等方面的成本，在很多地区都会得不偿失，所以需要认真核算投资回报率。目前在国内仅仅有几个数据中心在进行相关的尝试和试点。如果想进一步提高直接新风冷却的效率，可以在新风冷却的基础上增加喷淋段，采用蒸发冷却的原理降低空气温度。

3.2 间接新风自然冷却方案

为避免传统的直接新风自然冷却的缺点，可以采用间接新风自然冷却方案。这类方案采用一个空气—空气换热器，使室外低温空气的冷量通过换热器传递给室内高温空气，室内外空气完全隔离，避免因外部新风进入机房内而造成污染等问题。但此方案也有比较明显的缺点，由于空气—空气换热效率的问题，换热设备尺寸非常大，占用巨大的空间，而且节能效率也大受影响，所以在数据中心领域的应用也较为少见。

3.3 风冷机房空调自然冷却方案

目前风冷机房空调的应用仍然占据了主流地位，在风冷机房空调机组上实现自然冷却方案将会给行业带来很好的节能效果。在室外低温时采用制冷剂泵代替压缩机循环制冷剂，在室外机吸收室外冷量，在室内换热器释放冷量冷却机房，可以实现自然冷却，泵的功耗仅仅是压缩机的十分之一到几十分之一，节能效果非常显著。由于循环的制冷剂在室内外换热器会有蒸发和冷凝过程，所以所需的流量小于水，泵的功率小，效率较高。方案原理如图3所示。

以前受制于各种技术因素，在风冷机房空调上采用自然冷却的方案均没有成熟的产品，但近几年已经有厂家推出了相关的产品，其应用领域可以覆盖到秦岭以北的广大北方区域。如果能隔离机房冷热气流，使回风温度升高，甚至能在长江流域推广使用。

此方案的优势是可以在采用风冷机房空调的任何大小和种类的机房中使用，应用面极广，较好的利用原有风冷机房空调的设备，共用了风机、散热器等部件，既可在新建机房中使用，也可为老机房进行改造，其节能率较高。艾默生公司在内蒙古某机房挂电表实测，在室外0℃时，制冷运行工况节能率达到40%。

图3

3.4 冷水系统自然冷却方案

目前越来越多的冷水系统应用于数据中心，在冷水系统上如何高效安全地应用自然冷却是近年来人们所关注的热点。数据中心冷水系统分为风冷系统和水冷系统。风冷型的自然冷却方案一般集成在冷水机组上，由厂家直接提供带自然冷却功能的风冷冷水机组。原理如图4所示。

图4

水冷系统的自然冷却一般是在冷却水和冷水回路之间增加换热器，如图5所示。在室外温度较低时，部分开启冷水机组或者关闭冷水机组，直接用低温冷却水作为冷源来冷却冷水。水冷系统的自然冷却方案一般由设计单位设计，可以有多种设计方案和控制逻辑，并由相关的厂商提供相应的设备。在北方寒冷地区采用自然冷却时，需要注意冷却水系统的防冻问题，或者选择采用防冻剂。

图5

冷水自然冷却一般应用于中大型数据中心，可以根据具体情况选择不同的自然冷却方案，但需要充分考虑切换时的逻辑设计，并考虑出现意外时的应急方案，避免风险。

3.5 乙二醇自然冷却方案

如果机房采用乙二醇机房空调系统，就可以采用乙二醇自然冷却方案。乙二醇机房空调室外采用干冷器散热，冷却液为乙二醇的水溶液，在冷凝器中与制冷剂交换热量。如果在室内机组上增加节能换热盘管可实现自然冷却，如图6所示。当室外温度低于室内合适温度时，可以直接把经过室外冷却的乙二醇溶液导入节能换热盘管，直接冷却机房，可以减少压缩机的运行时间，降低能耗。

此方案的优势在于室内外机组的距离基本不受限制，但节能效率低于风冷机房空调自然冷却与冷水系统自然冷却方案，而且必须是在用乙二醇冷却的机组上进行，应用的范围较窄。

4 选择自然冷却方案需考虑的因素

选择自然冷却方案时，需要考虑多种因素。如方案的可行性、投资回报率、可靠性、可维护性等。

图6

4.1 方案的可行性

自然冷却的方案受到多重因素的影响，如数据中心地理位置、建筑结构、空调系统的冷却方式等。特别是老的数据中心改造或者扩容，更需要详细的考虑多种因素。

选择自然冷却方案首先要考虑据数据中心所在地理位置的气候情况，能否采用自然冷却方案？采用哪种制冷方案？一般来讲，直接新风自然冷室内外温差小于1℃就可以应用，而液体节能自然冷却一般要达到10℃以上的温差。

建筑结构也对自然冷却的方案有影响，有许多自然冷却方案占地空间较大，数据中心能否提供足够的空间，另外空调自然冷却系统对空间的占用是否会减少数据中心使用面积等因素同时需要考虑。

空调系统的冷却方式对自然冷却方案有很大的影响，自然冷却方案要和空调系统配合使用，例如采用风冷机房空调就需要选择与之配套的自然冷却方案，如果采用其他方案，就需要更大的投资和空间占用。

4.2 自然冷却的可靠性

对于数据中心来讲，方案的可靠性是非常重要的，因为数据中心内有大量的发热电子设备，如空调系统故障，几分钟内设备就会宕机，可能会造成巨大的损失。带自然冷却的空调系统可靠性要求不能降低。例如下面的一些因素需要考虑：

◆新风自然冷却方案使得数据中心温湿度范围扩大、洁净度下降、硫化物等浓度上升，对电子设备可靠性的影响需要重新评估，温湿度要控制在一定的范围内；

◆机械制冷和自然冷却切换过程的可靠性；

◆自然冷却系统如果失效，启动机械制冷的时间要满足要求；

◆自然冷却系统是否会对空调系统本身的可靠性造成影响。

4.3 自然冷却系统的可维护性

方案的可维护性也非常关键，特别是对于新风自然冷却方案，过滤器的更换周期、难易程度等因素要详细评估，需要有良好的可维护性。

4.4 投资回报周期

自然冷却方案需要对空调系统增加投资，投资回报周期需要进行评估。当一种或几种方案确定后，需要对方案的初始投资、每年的节省费用、其他费用进行计算。节能量的计算需要根据气象部门提供的当地多年气候数据，根据具体方案的设计参数，评估出能采用自然冷却的时间，并逐时计算能节省的能耗，全年累加得出节能量和节省的费用。但很多时候大家会忘记其他的一些费用，如下面的情况：

◆由于采用自然冷却使数据中心的温湿度控制范围扩大、洁净度下降、硫化物等浓度上升，造成IT设备故障率升高，IT设备的成本升高；

◆设备故障率升高，提供的服务质量下降，会造成业务损失；

◆由于可靠性的下降造成数据中心宕机，增加了风险成本；

◆空调系统维护量的增加而造成的费用。

如果自然冷却方案对这些方面造成了影响，就需要对这部分费用进行核算评估，并在计算投资回报周期时考虑。

表1根据上文描述的因素和方案给出了具体的一些方法和数据，供大家选择参考。

表1

5 结束语

本文通过对目前常见的数据中心自然冷却方案进行了分析，指出其优缺点、适应的情况。并提出选择数据中心自然冷却不仅仅要考虑可行性、节能量，还要考虑可靠性、维护性。在计算投资回收周期时，不仅要考虑初始投资、节能费用，也需要计算由于自然冷却方案造成的其他费用的支出。