数据中心自然冷却技术研究进展

张海南　邵双全　田长青

(1中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所)　北京　100190；2 热力过程节能技术北京市重点实验室(中国科学院理化技术研究所)　北京　100190；3 中国科学院大学　北京　100049)



数据中心自然冷却技术研究进展

张海南1,2,3邵双全1,2田长青1,2

(1中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所)北京100190；2 热力过程节能技术北京市重点实验室(中国科学院理化技术研究所)北京100190；3 中国科学院大学北京100049)

数据中心的能耗增长日益受到关注，其能耗的很大部分是用于机房冷却。采用节能冷却方法是节能减排的迫切要求，自然冷却技术是其中的有效方法之一。自然冷却技术的实施有三种主要方式：空气侧自然冷却、水侧自然冷却和热管自然冷却。空气侧自然冷却简便易行且节能效果好，但会影响室内空气质量和湿度。水侧自然冷却可以在原有的空调机组上改造实现，但由于增加了中间传热过程其节能效果有限。热管自然冷却避免了对室内环境的影响，且同时利用相变传热节能效果较好。本文总结了近年来这三种自然冷却技术的最新进展，为这一领域的研究提供参考。

制冷；空调；数据中心；自然冷却；进展

信息技术作为一项蓬勃发展的新技术，对人类的社会形态和生活方式产生了深远影响。随着信息技术及其产业的发展，作为辅助设施的数据中心，数量与规模也在大幅度增长[1-2]。从广义上来讲，数据中心是指所有含有数据服务器、通信设备、冷却和供电设备的建筑、厂房[3]。数据中心机房是高能耗建筑，随着其数量与规模的增长，数据中心的能耗越来越不容忽视。2000—2005年，全世界数据中心能耗翻了一倍；2005—2010年，数据中心能耗增长趋势受经济危机影响有所减缓，但仍然增长了56%，2010年已占全球能耗总量的1.3%[4-5]。美国数据中心能耗更是由2000年占总能耗的0.12%增长到2010年的约2%[4-5]。

在数据中心能耗的组成中，制冷系统能耗占相当大的部分，约占数据中心总能耗的30%～50%[6-8]。一个典型数据中心的能耗构成如图1所示[9]。

目前数据中心机房空调系统多采用恒温恒湿的空调设备，利用电力驱动压缩机做功制造低温冷源，通过冷热通道送回风的方式将机房内产热排出室外，并维持室内的湿度稳定，其原理如图2所示。这种传统空调方式的能源利用率较低，主要存在以下问题：

图1 典型数据中心的能耗构成[9]Fig.1 Energy consumption composition of one typical data center[9]

图2 数据中心冷热通道布局Fig.2 Hot and cold channel layout for data center

1)自然冷源利用率低。由于压缩式制冷自身的限制，数据中心机房难以借助自然冷源排热。对于我国大部分地区，全年有相当长时间内室外温度低于数据中心室内控制温度，理论上不需要启动压缩机制冷，而这部分自然冷却时间恰恰是目前的机房空调系统不能有效利用的。

2)冷却介质间的多次换热降低了换热效率。通过冷却机房内的空气，再通过机房内的空气对发热电子元件进行冷却，都缺乏对电子元件温度的直接控制。由于电子元件面积小，而且与空气换热系数小，需要增加散热器等设备以增加散热表面面积，并且需要维持机房内相对低的环境温度，以满足电子元件正常工作的散热要求，因而冷却介质间的多次换热导致系统换热效率大大降低。

3)气流组织分配不均引起能耗增加。由于冷源集中布置，送风距离远，送风量往往很大，再加上风系统中各设备阻力特性的差异，导致机柜内气流组织和温度场分布不均。为使得最不利点的温湿度也能满足设备正常运行所需的要求，往往被迫加大送风量，导致空调系统能耗激增。

因此，采用先进的节能冷却技术有效解决上述问题，合理控制和降低冷却系统的能耗，从而降低数据中心总能耗，不仅可以为企业节约运营成本，也是节能减排的必然要求。

针对上述后两点问题，已有众多学者和企业提出了若干解决方案，包括采用变频风机[10]、天花板冷却器[11]、背板冷却器[12]、优化穿孔地板的结构[13-16]和机架布置方式[17-18]、改变送回风方式[19-21]等。针对上述第一点问题，近年来迅速发展的自然冷却技术是理想的解决方案，也是本文的论述重点。

对于绝大多数地区来说，全年有相当多的时间室外气温低于数据中心室内温度。利用自然界的低温冷源进行冷却的方案被称为自然冷却[22-23]。它通过降低机械制冷的运行时间实现全年能耗降低。在过去的相当长时间内，由于数据中心的环境标准要求十分严格，自然冷却技术的应用时间和地域受到限制。自2008年以来，ASHRAE在其编写的“数据中心环境控制指导书”中两次放宽了数据中心环境控制标准[24-26]。2011年版的“数据中心环境控制指导书”将数据中心分为4个等级，如图3所示。其中，A1和A2等级对应于2008年版的等级1和2，增加了2个对环境控制更加宽松的等级A3和A4。数据中心运营商可以根据对可靠性的要求选用相应的环境等级。数据中心环境控制要求的拓宽使得每年可利用自然冷却的时间更长，为自然冷却技术的发展提供了机会。与之相比，我国的数据中心环境控制范围较为严格，GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》规定的环境控制要求分为A，B和C三个等级，仅C级较为宽松，控制标准为18～28 ℃[27]。拓宽环境控制标准有利于我国数据中心的节能减排。目前，自然冷却技术被认为是实现数据中心节能的最有效方法之一[28]，有着广阔的发展潜力。

图3 ASHRAE数据中心环境控制分级[26]Fig.3 ASHARE environmental control classes for data center[26]

自然冷却可以分为空气侧自然冷却、水侧自然冷却和热管自然冷却。下面将分别针对这三种自然冷却方法论述国内外的研究进展。

1 空气侧自然冷却

空气侧自然冷却可以分为直接式和间接式。直接式是指直接将室外冷空气引入数据中心；间接式是指通过空气-空气换热器利用室外冷空气。

在室外温度适宜的情况下，直接将部分室外新风引入数据中心是最直接的自然冷却方法，称为直接式空气侧自然冷却，如图4所示。直接式空气侧自然冷却系统是由控制器、气流调节器和风扇等设备组成[29]。

图4 直接式空气侧自然冷却Fig.4 Direct airside free cooling

为了提高直接式空气侧自然冷却的效果，一些学者进行了控制策略和新式结构的研究。Chen Y等[30-31]提出了一种通信基站的通风冷却控制策略。针对广州一处典型的通信基站，提出了保证室内温湿度、提高节能效果的通风控制策略，实现节能约49%。Kumari N等[32]研究了室外冷空气不同分配方式的影响，包括引入冷通道、增压送风舱内靠近空调送风口、热通道和空调回风口等不同方式。Chang Y T等[33]设计了一种自然冷却的独特结构，在外墙上开孔，冷空气通过这些孔进入数据中心，然后通过安装在数据中心顶部的风机将受热空气排出。

目前，直接式空气侧自然冷却的节能效果已在世界很多地区得到了研究和证明，包括美国[34]、欧洲[34]、澳大利亚[34-35]和韩国[36]等。此种自然冷却方法已经被许多数据中心所采用，约占所用自然冷却方式的40%[37]。许多IT公司对自有的数据中心采用了直接式空气侧自然冷却措施。Intel公司对一座10 MW的数据中心进行了长达10个月的空气侧自然冷却研究，结果表明每年可以节约287万美元电费[38]。Microsoft和Google公司在欧洲新建了采用新风自然冷却的数据中心[39-40]。

然而，这种方法可能导致室内污染物浓度的提高以及湿度的破坏，从而带来设备故障的风险，因此并未被广泛接受。国内外的学者近年来对此类污染的控制方法以及引入污染带来的风险进行了有益的探索研究。Ferrero L等[41-42]对数据中心浮尘类污染物含量的实时监测方法进行了研究。采用这种监测方法实时监测污染物的浓度，实现了直接式空气侧自然冷却全年节能81%(与传统空调相比)。Dai J等[43-44]研究了直接引入新风冷却所带来的故障风险，并且研究了降低这种风险的方法。美国Lawrence Berkeley国家实验室的Shehabi A等[45-48]对空气侧自然冷却的可行性进行了大量研究。对加利福尼亚州的8个数据中心的研究表明，利用空气侧自然冷却导致的污染物颗粒浓度提高并未超过ASHRAE规定的标准上限，如果结合良好的空气过滤器甚至可以忽略。高效空气过滤器与自然冷却器联合使用，可以与传统空调系统一样达到有效的颗粒污染物隔离作用。同时，加装自然冷却器的数据中心能够实现湿度的控制。他们指出，目前的数据中心环境控制标准过于严格，可以进一步放宽以适应自然冷却的应用需要。然而，对一些空气质量较差的地区来说，有研究表明直接式空气侧自然冷却会引入较高的可靠性风险。尹华等[49]研究了中国通信基站采用通风自然冷却的可行性。实验表明，由于空气灰尘较大，在哈尔滨和北京不适合采用空气侧自然冷却方案。而上海、昆明和广州的天气条件则较为适合，全年的通风冷却时间分别为3949 h，6082 h和4089 h。因此，直接式空气侧自然冷却的风险取决于当地气候条件。

间接式空气侧自然冷却是采用空气-空气换热器利用室外冷空气。一个典型的系统是京都转轮系统[50]，如图5所示。系统在原有的直膨式空调上增加一个可以旋转的转轮，利用转轮内填料的储能功能，让转轮在两个封闭的风道内缓慢旋转，被室外空气冷却的填料冷却室内空气。这种系统可以在传统空调的基础上改造而成，且不会影响室内环境。此类系统的年平均能效可以达到8～10。然而，由于所需换热面积较大，且转轮的安装需要对外墙大幅改造，此类系统的应用受到限制。

图5 京都转轮系统[50]Fig.5 Kyoto rotarywheel system[50]

2 水侧自然冷却

水侧自然冷却一般是在原有机房冷水机组的基础上进行改造，增加水侧自然冷却器而成，具体有以下几种实施方式：

1)直接水冷式。此类系统直接将室外冷水引入数据中心。Clidaras J等[51]提出了一种坐落于船上的数据中心，直接将海水作为数据中心冷源，通过安装在室内的换热器对室内空气降温。这种数据中心依赖水源，其应用受到限制，同时海水的波浪运动和台风、海啸等现象也对数据中心构成了威胁。

2)空冷式。空冷式水侧自然冷却是指采用空气冷却器冷却循环水，辅助空调系统降温。一个较为广泛的例子是采用次级盘管的系统[52]，如图6所示。在室外气温较低的时间，直膨式空调机利用次级盘管利用室外低温冷源。但这种系统在蒸气压缩制冷的时间，能效比普通空调有所降低，因为室内空气侧的阻力损失增大。

另一个例子是采用集成干式冷却器的系统[52]，如图7所示。一个干式冷却器被集成在空冷式冷水机组之中，当室外温度满足要求时，泵将冷冻水(通常混有乙二醇)送入并穿过干式冷却器，在这里利用室外冷空气冷却冷冻水，然后将冷却后的冷冻水送往室内。与现场安装同样的组件相比，这种成套式解决方案占用面积较小。而且，这种系统通过安装多个冷水机实现系统冗余配置。多余出来的冷水机组的干式冷却器可以应用于自然冷却时间，以增大自然冷却的换热面积。

图6 采用次级盘管的空冷式水侧自然冷却[52]Fig.6 Air cooled waterside free cooling with second coil[52]

图7 采用集成干式冷却器的空冷式水侧自然冷却[52]Fig.7 Waterside free cooling with integrated type dry cooler[52]

3)冷却塔式。此类系统利用冷却塔提供冷却水。含有两个水循环：冷却水(外侧)循环和冷冻水(内侧)循环。传统的水冷机房空调系统可以通过增加水侧自然冷却器旁通冷水机组，构建此类系统，如图8所示[52]。当室外温度较低时，水泵驱动冷却塔提供的冷却水，通过水侧自然冷却器给冷冻水降温。

冷却塔式水侧自然冷却可以与吸收式制冷系统结合，而吸收式制冷系统可以方便地利用太阳能以及数据中心废热提高整体能效[53]。吸收式太阳能制冷系统也被用于数据中心自然冷却。Hamann H F等[54]提出了一种同时利用自然冷源和太阳能的数据中心制冷系统，如图9所示。当室外温度较低时，冷水机组被旁通，数据中心利用自然冷源。同时，太阳能集热器收集的热能驱动吸收式制冷机组，在需要的时间也可以为冷冻水循环提供冷量。

图8 冷却塔式水侧自然冷却[52]Fig.8 Waterside free cooling with cooling tower[52]

1冷却塔 2旁通阀 3制冷机 4外部水循环 5内部水循环 6换热器 7空气处理机组 8芯片 9蓄冷器 10吸收式制冷机 11太阳能集热器图9 可以利用太阳能的水侧自然冷却系统[54]Fig.9 Waterside free cooling which can utilize solar energy[54]

3 热管自然冷却

热管自然冷却是指采用热管传递室外冷量的自然冷却技术。虽然严格来说这一方法属于间接式空气侧自然冷却，但由于其具有自身特点且已成为一个新的研究领域，笔者将其单独列出。热管具有良好的小温差传热性能，无需外部能量输入，同时不会引入室内污染物，近年来热管自然冷却技术受到广泛关注，很多学者开始进行这方面研究。热管自然冷却按照功能可以分为单独的热管冷却和热管/机械制冷一体式冷却。

3.1 单独的热管冷却系统

图10分离式热管自然冷却系统[55]Fig.10 Separate type heat pipe free cooling system[55]

Weber R M等[61]设计了一种应用整体式热管的自然冷却系统，如图11所示。数据中心上方设有增压风道，机柜上方的热管穿过数据中心天花板，与风道内的室外冷空气换热。此系统将数据中心分为两个空间，可以将热管设备包含在数据中心之内，减小了热管设备的损坏几率。彭永辉[62]和 Tozer R等[63]设计的热管自然冷却系统也应用了类似结构。

图11 设有增压风道的热管自然冷却系统[61]Fig.11 Heat pipe free cooling system with pressurized plenum air duct[61]

李奇贺等[64]提出了一种带有室外风道的热管自然冷却系统，其中热管采用整体式热管，如图12所示。当室内外温差范围为5～24 ℃时，系统EER为3.63～10.64。实验表明此系统在冬季可完全代替蒸气压缩式制冷空调机组。

图12 带有室外风道的热管自然冷却系统[64]Fig.12 Heat pipe free cooling system with outdoor air duct[64]

马国远等[65]实验研究了一种机房用泵驱动回路热管的性能，如图13所示。系统主要由制冷剂泵、室内侧并联安放的 2组蒸发器、室外侧并联安放的2组冷凝器、储液罐以及连接管道等组成，循环工质为R22。系统依靠制冷剂泵获得循环动力。实验结果表明，当室外温度低于15 ℃时，与传统空调散热相比节能达到36.57%。此类系统由于依靠泵驱动，内部循环流量较大，与相同尺寸换热面积的普通热管换热器相比可获得更大的散热量，但机械泵也带来了一部分电能消耗。

1冷凝器 2储液罐 3泵 4蒸发器图13 泵驱动回路热管自然冷却系统[65]Fig.13 Heat pipe free cooling system with pumped loop[65]

马国远等[66-68]对热管自然冷却的节能潜力进行了一系列研究：通过建立热管设备和原有基站空调的联动控制策略，保证二者的协同工作，在热管机组的启动温差为3 ℃情况下，模拟分析结果表明我国大部分地区可以节能30%～50%：着重分析了机房内重力热管换热器和空调各自的散热负荷和能耗特性，以及围护结构、设定温度和室外温度对系统的影响，同时进行了实验研究，结果表明对于北京地区的天气条件全年能耗比普通空调下降约40%。

目前，大多数机房用分离式重力热管采用R22或R134a工质。目前这两种制冷剂的应用逐步受到限制，替代工质的热管性能研究逐渐受到重视。陈岚等[69]研究了以丙酮为工质的分离式重力热管的性能，特别是针对充液率的影响进行了详细的实验研究：在设定加热功率为l 400 W，空气流速为1.3 m/s时，最佳充液率范围为70%～114%(以蒸发器内容积为基准)。姚远[70]实验研究了以R410A为工质的分离式重力热管性能与充液率和高度差的关系。热管的最佳充液率范围在 37%～44%之间(以系统总内容积为基准)，高度差为 1.2 m 的分离式热管比高度差为 0.7 m 的传热能力平均提高12.52%。Zhen Tong等[71]研究了CO2工质在机房用分离式重力热管中的适用性，实验结果表明，CO2工质的热管可以在小温差下启动，与此同时，与采用R22工质的热管相比热阻减小22%～25%，指出CO2比较适合作为机房用热管自然冷却设备的替代工质。

以上针对机房用热管自然冷却的研究大部分为实验研究，相关仿真模拟研究也主要是与能耗相关的模拟分析。虽然针对普通热管的仿真研究已较为成熟，但绝大多数模型是针对高热流密度大温差下的电子设备散热，且计算中热流密度为定值[72-75]。对于机房空调自然冷却用热管来说，一般两侧均为风冷，传热温差和热流密度较小，热流密度也不是定值。基于这些考虑，针对其性能的仿真研究十分必要，但目前相关研究较少。Zhang P等[76]针对小热流密度的分离式重力热管建立了分布参数仿真模型，将分离式热管的工作状态分为下降管部分液柱和下降管满液两种情况，分别用于较小热流密度和较大热流密度下的性能仿真。仿真结果表明，传热量随充液率的增大先增加后减小，随室内外温差的增大首先线性增加，进而增加幅度有所减缓。

3.2 机械制冷/回路热管一体式自然冷却

由于热管自然冷却系统需要一定的室内外温差才能工作，因此在室外温度较高的季节无法运行。此时机房需要机械制冷系统进行制冷，这就需要两套系统，无疑增加了机房空调系统的复杂性和投资。所以研究开发同时具有机械制冷和热管冷却功能的系统成为必然趋势。目前，已有一些学者对这种一体式空调系统进行了研究。

一体式热管空调的实际产品最早由日本学者Suenaga T等[77]提出并开发样机，如图14所示。该系统采用一套分离式热管对室内空气进行预冷，预冷后的空气被蒸气压缩式制冷系统冷却至所需的温度。根据室外温度的不同，机组全年有三种运行模式：低温区热管单独运行模式，中温区热管运行模式和蒸气压缩系统联合运行模式以及高温区蒸气压缩系统单独运行模式。

1冷凝器及风机(热虹吸系统)2室内机(共用)3蒸发器(热虹吸系统)4室内机风机(共用)5蒸发器(蒸气压缩系统)6压缩机 7冷凝器及风机(蒸气压缩系统)8膨胀阀图14 采用热管预冷的一体式空调[77]Fig.14 Integrated air conditioner using heat pipe for precooling[77]

金鑫等[78-79]研发了一种复合型热管空调系统，如图15所示。机械制冷和热管共用冷凝器和蒸发器风道。实验结果表明，在室外环境为20 ℃时，室内环境温度可以仅依靠热管换热维持，系统COP在4.66～13.90之间，平均COP为9.05。吴银龙等[80]针对类似的分离式热管结构形式进行了研究，获得了较好的节能效果。

图15共用风道的一体式空调[78]Fig.15 Integrated air conditioner with shared air ducts[78]

以上系统中的热管与空调机组共用风侧风道，会造成蒸气压缩制冷模式下风侧阻力的增加，降低蒸气压缩式制冷系统的能效。另外，公用风侧风道虽然在一定程度上简化了系统构成，但不包含制冷剂管路的复合结构，并不是严格意义上的一体式空调。真正意义上的机械制冷与热管一体式制冷技术最先在上世纪90年代由日本学者Okazaki T等[81-82]提出并研发出样机，其技术方案如图16所示。该系统在原有蒸气压缩空调器的基础上，在气液分离器前加设电磁阀，并设置单向阀，同时保证蒸发器低于冷凝器一定垂直距离。在室外温度较低时，电磁阀关闭，由于蒸发器所在室内环境温度高于冷凝器所在的室外温度，所以蒸发压力高于冷凝压力，单向阀开启，系统在热管模式下运行。当室外温度较高时，机组切换至蒸气压缩制冷模式，此时电磁阀和压缩机开启，其前后形成较高的压差，使单向阀关闭。

1压缩机 2冷凝器及风机 3电子膨胀阀 4蒸发器及风机 5电磁阀 6气液分离器 7单向阀图16 采用单向阀旁通压缩机的一体式空调[81]Fig.16 Integrated air conditioner with check valve to bypass compressor[81]

韩国大学Lee S等[83-84]提出了一种复合式空调系统，如图17所示。该系统的结构与运行原理基本与Okazaki的相同，不同之处在于采用四个电磁阀进行热管与蒸气压缩的模式切换。他们通过实验测试了制冷剂充液量、换热器流程和两器高差对系统性能的影响规律，并据此总结了充液量、换热器流程和高差的设计方法。然而, Okazaki T等[81-82]和Lee S等[83-84]研发的样机，结构上主要是按照蒸气压缩式制冷循环设计，缺少对两种模式的综合考虑与优化。在室内外20 ℃温差下，热管模式的制冷量不足机械制冷模式的50%。在这种情况下，热管模式很难发挥节能优势。

韩林俊等[85-87]研发了一种一体式空调系统，如图18所示。针对一体式热管空调研发了能耗模型并进行了实验验证，并开发了适合于两种模式性能特点的三通阀、蒸发器入口分液器和连接管等部件，使得热管模式的流动阻力有所降低，制冷量大幅改善。对此系统在通信基站的现场测试结果表明，此系统与普通空调系统相比节能约34.3%～36.9%。

1冷凝器 2电子膨胀阀 3电磁阀 4压缩机 5蒸发器图17 采用四个电磁阀的一体式空调[83]Fig.17 Integrated air conditioner with four solenoid valves[83]

图18 采用三通阀的一体式空调[85]Fig.18 Integrated air conditioner with 3-way valves[85]

王铁军等[88-91]在重力回路热管循环中增加了一个换热器，同时作为热管循环的冷凝器和机械制冷循环的蒸发器，得到了一种新的热管复合式空调，如图19所示。该系统实现了热管与机械制冷同时运行。模拟分析表明，在北京地区应用这一热管复合制冷技术，相比常规的压缩制冷技术节能率达40%。但增加换热器导致热管回路流阻增加，使热管回路难以自然循环，需要采用制冷剂泵驱动强制循环，因此并不是严格意义上的热管回路，制冷剂泵的功耗也在一定程度上降低了节能效果。

以上的一体式空调系统均依赖电磁阀进行模式切换，对电磁阀的要求较高，系统长时间运行的可靠性无法保证。而机房空调系统一旦工作失常，所造成的软硬件损失往往十分巨大，因此这一问题制约了目前系统的实用价值，一些学者研发了不依赖电磁阀进行模式切换的一体式自然冷却系统。

张海南等[92-94]提出了一种基于三介质换热器的机械制冷/回路热管一体式空调，在避免使用电磁阀的同时实现了三种模式：热管、制冷和双启的自由切换，如图20所示。通过建立系统的仿真模型，对三种模式下的性能特点进行了模拟。三个工作模式均具备良好的制冷能力，热管模式EER值在室内外温差20 ℃下达20.8。另外，研究了制冷回路和热管回路的相互影响规律，以及双启模式的合理工作区间。由于三介质换热器是影响系统性能的关键部件，也对三介质换热器进行了仿真研究，确定了最优结构并对不同工况下的性能进行了仿真。

1室内换热器 2主电磁阀 3风冷换热器 4旁通电磁阀 5压缩机组6冷凝器 7节流机构 8板式换热器 9储液器 10液泵图19 增加换热器的一体式空调[88]Fig.19 Integrated air conditioner with added heat exchanger[88]

图20 基于三介质换热器的一体式空调[92]Fig.20 Integrated air conditioner based on three-fluid heat exchanger[92]

Wang Z等[95]提出了一种不依赖电磁阀的一体式热管自然冷却空调，如图21所示。热管回路有两个循环通道，热管工质可以通过室内侧的中间换热器与蒸气压缩制冷回路换热冷凝，也可以进入室外风冷冷凝器冷凝。室外侧2台冷凝器共用风道。实验数据显示，对于北京、哈尔滨等寒冷地区，采用这一系统的机房PUE可以下降0.3左右。

图21 采用两个热管循环通道的一体式空调[95]Fig.21 Integrated air conditioner with two heat pipe circulation passages[95]

4 结论

空气侧自然冷却分为直接式空气侧自然冷却和间接式空气侧自然冷却，其中间接式占地面积和投资较大，自然冷却时间有限，目前更多采用直接式空气侧自然冷却。目前已有的研究表明直接式自然冷却的节能效果比较理想，尤其是在空气洁净的地区。但直接式自然冷却的应用要以室内污染物和湿度的合理控制为前提。

水侧自然冷却是大中型数据中心最为普遍的自然冷却形式，并且方便在原有的普通冷水机组的基础上改造。虽然其节能效果不如空气侧自然冷却，但不会影响室内环境，是数据中心节能的有效手段。

热管式自然冷却与空气侧自然冷却相比，不影响室内空气质量和湿度；与水侧自然冷却相比，由于内部为相变传热，传热效果及自然冷源利用率更高。因此，热管自然冷却技术是最有潜力的数据机房自然冷却方法之一。

机械制冷/回路热管一体式空调，解决了单一热管自然冷却设备在炎热季节无法满足机房供冷的问题，无电磁阀并且可以实现蒸气压缩和热管冷却同时运行的一体式空调具有更好的应用前景。

本文受中科院国际合作项目(CAS-DOE, 1A1111KYSB20150014)资助。(The project was supported by Key International Program of Chinese Academy of Sciences (CAS-DOE, No.1A1111KYSB20150014).)

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About the corresponding author

Shao Shuangquan, male, doctor, associate professor, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, +86 10-82543433-8, E-mail: shaoshq@mail.ipc.ac.cn. Research fields: efficient control of thermal/humidity environment, simulation of refrigeration and air conditioning system, hybrid energy sources heat pump, cooling of data center and high heat density devices, cold chains and noise control.

Research Advances in Free Cooling Technology of Data Centers

Zhang Hainan1,2,3Shao Shuangquan1,2Tian Changqing1,2

(1. Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing, 100190，China; 2. Beijing Key Laboratory of Thermal Science and Technology, Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing, 100190，China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049，China)

The increasing energy consumption of data centers attracts more and more attention, much of which is consumed by the cooling system. Utilizing efficient cooling methods is the urgent need for realizing emission control targets, and the free cooling is one of these methods. The free cooling technology has three categories: airside free cooling, waterside free cooling and heat pipe free cooling. Airside free cooling is easily utilized and has good energy-saving effect, while it may affect the indoor air quality and humidity. Waterside free cooling can be modified from traditional air conditioner however its energy-saving effect is limited for additional heat transfer process. Heat pipe free cooling has no disturbance on the indoor environment and its energy-saving effect is good for utilizing phase change heat transfer. The latest advances in free cooling technology is summed up, which has the referential value for research in this field.

refrigeration; air conditioning; data center; free cooling; advances

0253- 4339(2016) 04- 0046- 12

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.046

2015年12月2日

TB657.2;TP308

A

简介

邵双全，男，博士，副研究员，中国科学院理化技术研究所，(010)82543433-8，E-mail：shaoshq@mail.ipc.ac.cn。研究方向： 高效热湿环境控制、复杂制冷系统仿真、复合能源热泵、数据中心与大功率电子器件冷却、冷链技术和噪声控制。