浅析自然冷却风冷冷水机组在数据中心领域的应用

李双磊

（广东省电信规划设计院有限公司）

浅析自然冷却风冷冷水机组在数据中心领域的应用

李双磊

（广东省电信规划设计院有限公司）

互联网数据中心作为能耗大户，其能耗指标越来越被重视。为达到最佳的PUE值，数据中心暖通设计时也引入了多种措施，以期降低机房的PUE值。本文就自然冷却风冷冷水机组在数据中心领域的应用阐述了作者的一些观点。

风冷冷水机组；互联网数据中心；暖通设计；节能减排

随着近几年电商大战日趋激烈，正式宣告互联网进入云时代。阿里、百度、腾讯等均在各地部署其区域核心网络，互联网数据中心的建设浪潮也达到了前所未有的高度。随之而来的问题是如何建设一个高效节能的绿色数据中心，最大限度降低机房的能效指标，在满足安全生产的前提下，节省数据中心的能耗。

本文就自然冷却风冷冷水机组在数据中心中的应用做了一些对比，旨在探讨如何因地制宜地选择暖通设计方案，以其在保证机房的安全的前提下，更好地降低空调系统的能耗，希望能对降低机房整体的PUE值有所帮助。

1　风冷冷水系统简介

风冷冷水机组（air-cooled chiller）：利用外界空气直接冷却冷凝器中冷媒的冷冻水机组。相较于传统意义上的水冷式冷水机组，其冷却系统少了冷却塔和对应的循环冷却水泵。

风冷冷水机组的工作原理：利用壳管蒸发器使水与冷媒进行热交换，低温冷媒系统在吸收水中的热负荷后，使水降温产生冷水后；高温的冷媒通过压缩机的作用，将其带至翅片式冷凝器，由散热风扇散失到外界的空气中。其工作原理示意图如图1。

图1　风冷冷水机组工作原理示意图

自然冷却风冷冷水机组的工作原理：相比传统意义上的风冷冷水机组，其多出一套风冷自然冷却换热器。在过渡季节及冬季时，直接利用此换热器与外界冷风进行热交换生产冷冻水，压缩机基本处于待机或停开状态，大大节省了空调系统的能耗。其过渡季节的工作原理示意图如图2。

2　风冷冷水系统在数据中心应用优缺点分析

风冷冷水机组相比较于其他的冷水机组，其优缺点如下：

2.1体积小巧，节省用地空间

风冷冷水机组采用的冷凝器为翅片式冷凝器，其具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点。在同样换热量的条件下，其占地面积及重量要远小于冷却塔。

图2　自然冷却风冷冷水机组工作原理示意图

2.2冷却系统简单

相比于传统的水冷冷水机组，其省却了冷却系统的冷却塔及冷却循环水泵，对于用地及用水比较紧张的地区，此特点相当有用。

2.3节省能耗

自然冷却风冷冷水机组在气温合适时，可直接利用外界的空气冷却循环冷冻水，可以不用开启压缩机，能大大节省空调系统的能耗。

2.4COP值较低

鉴于其换热方式的问题，其性能参数值也处于较低水平。《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）中规定，风冷活塞式及涡旋式冷水机组的COP值的下限为2.6；风冷螺杆式冷水机组的下限为2.8。此数值相较于传统水冷机组最低3.8的数值，有较大差距（如表1）。

2.5使用地域受限

自然冷却风冷冷水机组因其制冷性能参数较低，因此在年平均气温较高的南方地区并不适用。在年平均气温较高的地区无法发挥自然冷却的优势。另外，对于温度过低的北方地区，冬季时，翅片式冷凝器容易结霜、水管易冻裂等问题，因此冬季运行时需考虑加热或加防冻液等措施。

3　自然冷却风冷冷水机组应用案例分析

下面以采用自然冷却风冷冷水机组的北京某数据中心的实际运行案例进行分析：

表1　冷水机组的最低制冷性能参数COP

系统配置：6台制冷量为1050kW的麦克维尔自然冷却用风冷冷水机组；对应配置8台卧式端吸式离心水泵，终期可以提供的冷量为5250kW。冷冻水系统载体为30%乙二醇溶液，冷冻水供回水温度为10/15℃。

图3　自然冷却风冷冷水机组冷却流程图

3.1夏季运行工况

当室外温度高于30℃时，由于室外温度过高，自然冷却系统无法满足正常的换热需求。此时编号为②的三通阀关闭，冷冻水回水不流经自然冷却盘管，直接流至翅片蒸发器，在蒸发器中与制冷剂进行换热。此时编号为⑤的压缩机全负荷运行，空调系统的功耗最大。

3.2过渡季节运行工况（春季及秋季）

当室外温度低于15℃时，由于室外温度低于室内温度，采用自然冷却系统可以满足机房一部分的散热要求，但无法满足全部的散热需求，还需压缩机系统承担部分负载。此时，编号为②的三通阀打开，冷冻水回水流经自然冷却盘管进行预冷却，经预冷后再流至翅片蒸发器，在蒸发器中与制冷剂进行换热。由于冷冻水回水经过了预冷却，因此再与制冷剂换热时，编号为⑤的压缩机只需部分负荷运行，可以节省部分的压缩机能耗。

3.3冬季运行工况

当室外温度低于5℃时，此时采用自然冷却系统已经可以完全满足机房的散热要求，压缩机不需要开启。此时，编号为②的三通阀打开，冷冻水回水流经自然冷却盘管进行预冷后，水温已经可以达到空调末端所需的正常水温，因此无需再与制冷剂换热，编号为⑤的压缩机关闭。空调系统能耗达到最低（如图4～5）。

从图4～5可以看出，整年不同环境温度下，自然冷却风冷冷水机组相对于常规风冷机组，其平均COP值最高可以达到常规机组的30倍以上，全年空调系统节省的电能约为38%左右，其节能效果显著。

图4　全年不同环境温度下COP对比曲线图

图5　全年节能数据对比曲线图

4　风冷冷水机组在数据中心的应用前景

对于年平均气温低于15℃地域的中小型数据中心，自然冷却风冷冷水机组有其得天独厚的优势，可以在兼顾投资及场地使用率等情况下，最大限度发挥其节能的优势。对于大型数据中心，由于传统水冷冷水机组在COP值方面远高于风冷机组，因此，当规模到达一定程度时，可以采用常规水冷冷却加冷却塔自然冷却的方式，最大限度降低数据中心空调系统的能耗。

5　总结

以上是笔者就自然冷却风冷冷水机组在数据中心的应用的探讨，其中难免有失偏颇，恳请广大读者及专业技术人员批评指正，以其共同提高进步。

[1]《全国民用建筑工程设计技术措施》（暖通·动力2009版）.

[2]ASHRAE Datacom Series《数据通信设备中心液体冷却指南》.

[3]《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）.

[4]《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）.

[5]《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）.

X55

A

1673-0038（2015）08-0062-02

2015-1-10

李双磊（1985-），男，中级工程师，本科，从事暖通空调设计工作。