数据中心冷却节能研究进展*

苏 林 ，董凯军 †，孙 钦 ，黄志林 ,3，刘 静 ,3

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；3.中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

数据中心是信息行业的重要基础设施，据统计，2015年我国数据中心的年用电量约1 000亿kW·h，超过全社会用电量的1.5%[1]，相当于三峡水电站一年的发电量。未来几年，随着5yG通信、人工智能、物联网等的快速发展，我国数据中心电耗将继续快速增长，到2020年我国数据中心年耗电量预计将超过2 500亿kW·h，占全社会用电量比例将超过3%。

目前欧美发达国家数据中心平均电能利用效率（power usage effectiveness,PUE）约为 1.8，其先进数据中心PUE达到1.2以下。而我国数据中心平均PUE大于2.2[2]，部分高耗能数据中心PUE甚至高达3.0，能效水平远低于欧美发达国家，节能性亟待提升。

政府相关主管部门对数据中心的节能非常重视，先后出台多项政策文件，部署和推进数据中心先进适用技术推广应用、绿色数据中心建设和相关节能标准的制定，2017年工信部在《关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》中明确提出：到2020年，新建大型、超大型数据中心的能耗效率（PUE）值在1.4以下。

数据中心能耗中约40%是冷却系统的能耗，开展数据中心冷却系统节能关键技术研究具有重要意义，本文将从数据中心冷却系统节能中最为关键的环节——自然冷却、气流组织优化、蓄冷等三方面阐述国内外的最新研究进展。

1 自然冷却

自然冷却技术是目前学界普遍认可的节能效果较好的技术，自然冷却即利用天然的冷空气或者冷水源对数据机房进行冷却的方式，该技术无需开启机械制冷，因此具有显著的节能效果。自然冷却主要分为风侧自然冷却和水侧自然冷却两大类，详细分类见表1。

表1 自然冷却技术分类[3-4]Table 1 Natural cooling technology classification

1.1 风侧自然冷却

1.1.1 直接式风侧自然冷却

直接式风侧自然冷却是指直接将室外温湿度适宜（或通过蒸发冷却）的冷空气引入计算机房内对信息设备进行冷却，如图1。当室外空气质量不佳时，空气中的尘埃、气体污染物等会给信息设备的可靠运行带来隐患，因此直接风侧自然冷却主要应用于气候条件和空气质量较好的地区。

图1 直接式风侧自然冷却[7]Fig.1 Direct air-side economization

国外Google、Facebook、Yahoo等公司在北欧、美国等地建设了采用直接式风侧自然冷却的数据中心，PUE接近1.07[5]，其所采用的风机墙形式见图2。国内如美利云中卫数据中心、阿里巴巴张北数据中心等也采用直接式风侧自然冷却[6]。

图2 风机墙单元[6]Fig.2 Fan wall unit

为了提高直接式风侧自然冷却的效果和可靠性，一些学者开展了系统设计方法、节能效果、控制策略、差异化气候适用性等方面的研究。

韩玉等[8]认为直接式风侧自然冷却系统的设计要点为：①低温风和降温风复合系统设计，新回风混合防结露设计；②新风过滤处理；③气流组织优化设计；④空气处理系统逻辑判断及智能控制。

韩正林等[9]对国内外采用自然冷却的数据中心应用现状进行了对比分析，指出干式冷却器等基于干球温度的自然冷却技术更成熟、稳定性更好，蒸发冷却等基于湿球温度的自然冷却方式自然冷源利用率更高。何华明[10]针对多个地区的通信机房的节能改造，分析采用蒸发式冷气机（直接式蒸发冷却）进行降温时室内外温湿度、蒸发式冷气机运行时间以及净化过滤系数等影响因素的修正方法。范坤[11]等通过介绍蒸发式冷气机的技术要点，分析了蒸发冷却技术在机房空调中的应用形式、运行原理。黄翔等[12]针对蒸发式冷气机用于通信机房在冬季不能很好地控制湿度，以ASHRAE TC 9.9所推荐运行区为控制目标，提出了直接蒸发冷却空调系统的优化方案和运行模式。

耿海波[13]等分析了温和地区（昆明）数据中心采用自然冷却技术进行节能改造后的运行效果，发现昆明的气候条件非常适合采用新风自然冷却，针对某数据中心的节能改造效果明显，PUE由原来的1.9降至1.56。

1.1.2 间接式风侧自然冷却

（1）基于空气-空气换热器的间接式风侧自然冷却

直接式风侧自然冷却的送风质量受到室外空气质量的影响，解决有害气体腐蚀威胁的另一种思路是采用间接式风侧自然冷却，如图3。其原理是通过交叉流换热器、转轮换热器等空气-空气换热器实现室外冷风与室内高温回风的间接换热。

图3 利用换热器的间接式风侧自然冷却[5]Fig.3 Indirect air-side economization with heat exchanger

谢代锋等[14]借助建筑热环境设计模拟工具包（Designer's Simulation Toolkit,DeST）对全国不同气候区采用间接式风侧自然冷却的节能效果进行了对比研究，得出不同气候区的节电率高低依次为：温暖地区＞严寒地区＞寒冷地区＞夏热冬冷地区＞夏热冬暖地区。京都转轮系统[15]是另一种基于空气-空气换热器的自然冷却技术，该系统转轮内的填料具有蓄冷功能，通过让转轮在两个隔离且封闭的风道内缓慢旋转，利用被室外冷空气冷却的填料来冷却机房内的高温回风，实现数据机房的冷却，如图4。

图4 京都转轮风侧自然冷却系统[16]Fig.4 Kyoto Runner air-side cooling system

基于空气-空气换热器的间接式风侧自然冷却系统设备体积庞大、与建筑物耦合程度很高，应用范围受到限制，目前应用案例并不多，但间接式风侧自然冷却针对自然冷源的利用率较高，节能效果很好，是一种有应用潜力的技术。

（2）基于热管或制冷剂循环的风侧自然冷却

是指利用热管或制冷剂循环将机房内热量传递至室外，相变传热方式带来很强的热量传递能力，该种方式利用自然冷源的效果很好，是近年来研究的热点。

李震等[17-19]研发了一种分离式热管空调系统，针对传统热管系统换热器局限性，提出采用单级热管变多级热管的方法进行优化改进，如图5；针对R22和R134a两种工质的平均换热能力进行对比分析，提出热管系统的最佳充液率为80%；针对新型背板式热管系统换热量影响因素进行分析，得到风量与换热量的对应关系，并提出通过增大风量的方式解决热管故障问题。

图5 分离式热管空调系统[20]Fig.5 Separate heat pipe air conditioning system

马国远等[21]研究了一种用泵驱动的回路热管机组，系统中增加制冷剂泵能够克服复杂系统的管路阻力，比传统分离式热管系统的适应性更强，并且制冷剂循环流量的增加提高了换热器换热量。尽管制冷剂泵增加了系统能耗，但该系统在室外温度低于15℃时，节能率仍能达到36.57%。

凌丽[22]研究了采用微通道换热器的分离式热管性能，微通道换热器具有更强的换热能力，作者分析了不同工况和风量对系统最佳充液率的影响，研究了系统稳态和瞬态换热特性，分析了制冷量受各运行参数影响的敏感性。

由于传统分离式热管主要采用的R22或R134a等工质的使用逐渐受到限制，采用环保工质的热管研究逐渐受到了人们的重视。TONG等[23]开展了基于CO2工质的多蒸发器回路热管系统的性能研究，考察了多蒸发器在均匀、非均匀、变制冷功率条件下的系统的自调节功能。

由于数据中心用自然冷却热管的两端传热温差和热流密度均较小，热流密度随室外环境变化而变化，开展相关的非稳态研究十分必要。ZHANG等[24-26]针对数据中心用小热流密度的分离式热管进行了模拟仿真研究，发现热管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先线性增加，而后增长速度减缓。

WEBER等[27]设计了一种利用整体式热管的风侧自然冷却系统，计算机房上方设有增压风道，机柜上方的热管穿过计算机房的天花板，与风道内的室外冷空气进行换热，该系统的热管结构和布置更为简单，降低了热管设备在运行过程中发生损坏的概率，如图6。

图6 整体式热管自然冷却系统Fig.6 Integral heat pipe natural cooling system

基于热管和制冷剂循环的风侧自然冷却方式是一种较好的利用自然冷源的方式，但由于热管的循环驱动力受机房内外温差限制，无法应用于复杂的大型管路系统，因此该系统比较适用于中小型数据中心机房的自然冷却。

1.2 水侧自然冷却

1.2.1 直接水冷式自然冷却

直接水冷式自然冷却是指利用室外自然低温水源（海水、湖水、江河水等）引入数据中心进行冷却。国外最早进行这一技术的尝试，Google芬兰数据中心靠近北极圈，使用附近芬兰湾的低温海水冷却整个数据中心[28]；微软公司启动名为“Natick”的计划，将数据中心置于苏格兰奥克尼群岛附近水域的海底，距离海面117英尺（约36 m），流动的低温海水带走了数据中心的热量，实现完全自然冷却[29]，如图7；国内近几年也在有条件的地区开始进行直接水冷式自然冷却的尝试，国内第一个采用湖水作为自然冷源的数据中心是阿里巴巴/华通千岛湖数据中心，千岛湖湖水水位较高、水温较低、水质好，非常适合应用湖水冷却，90%的时间无需开启机械制冷，预计可实现年平均PUE为1.3（在亚热带环境中，该数值已经极低）[30-31]。湖南东江湖数据中心采用了东江湖湖水对数据中心进行冷却，设计PUE值能达到1.2以下。

图7 微软“Natick”海底数据中心Fig.7 Microsoft “Natick” submarine data center

直接水冷式自然冷却技术的节能效果是有目共睹的，但其受限于自然和地理条件的限制，目前仅有几个数据中心采用了该技术，由于该技术的难复制性，难以得到大面积推广。

1.2.2 冷却塔式自然冷却

冷却塔式自然冷却是指利用室外较低的空气温度通过冷却塔制取低温冷水，代替机械制冷实现数据中心冷却的技术。冷却塔自然冷却是目前数据中心采用最多的自然冷却技术之一。

冷却塔自然冷却包括：①开式冷却塔直接自然冷却，冷却塔制取的冷水直接供机房精密空调使用；②开式冷却塔间接自然冷却，冷却塔制取的冷水通过板式换热器与机房精密空调高温回水换热，实现向机房的供冷；③闭式冷却塔自然冷却，采用闭式冷却塔制取低温水或低温乙二醇溶液直接供机房精密空调使用；④干式冷却器自然冷却，干冷器是将管式换热器置于塔内，通过外界流通的低温冷空气冷却管内来自机房精密空调的循环水或者乙二醇溶液[4]。

开式冷却塔直接自然冷却方式的循环冷水容易受到污染造成水质下降，进而影响机房精密空调换热器的换热性能和运行可靠性，因此实际中采用这种方式进行自然冷却的数据中心很少。

开式冷却塔间接自然冷却方式是在数据中心中应用较多的一种形式，其通过板式换热器实现水-水间接换热，由于开式冷却塔的冷却效率较高，该种自然冷却方式整体的自然冷源利用率较高，得到了普遍应用，但是在严寒和寒冷地区，开式冷却塔的防冻问题非常关键，应当引起重视。

闭式冷却塔和干式冷却器在应用中常常结合使用，也有学者称之为混合型冷却塔。混合型冷却塔循环水不存在水质下降的风险，但是其间接换热方式的换热效率有所降低，如何提高混合型冷却塔的热质传递效率是目前面临的主要问题。

殷平[4]在针对开式冷却塔自然冷却技术进行调研后发现，关于开式冷却塔自然冷却转换温度（即完全自然冷却、部分自然冷却、完全机械制冷三种模式之间切换对应的外界空气湿球温度）的取值，业内存在较大争议。原因主要是对开式冷却塔实际冷却性能的研究不足，对冷却塔冷却性能的评价过高。殷平基于前人的研究成果，将冷却塔逼近度受湿球温度、进出水温差影响的规律进行了总结（图8和图9），并进一步借鉴国际上通用的间接式自然冷却转换温度的计算方法，参考最新数据中心国家标准GB50174-2017《数据中心设计规范》中关于冷冻水供水温度的规定，提出冷却塔完全自然冷却模式和部分自然冷却模式下的转换温度建议值。并提出在实际工程中，除了要考虑转换温度之外，还要考虑室外气温的季节波动和日波动情况，设计合理的控制运行策略。

图8 逆流冷却塔逼近度与湿球温度的关系[32]Fig.8 The relationship between approximation of counter flow cooling tower and wet bulb temperature

图9 冷却塔逼近度受进出水温差、湿球温度的影响规律[4]Fig.9 The influence of inlet &outlet water temperature difference and wet bulb temperature on the approximation of the cooling tower

曾晓庆[33]在针对电子厂房自然供冷空调系统的研究中提出了“自然供冷节能率”的指标，指系统通过自然冷却获取的冷量与系统冷负荷的比值。他提出传统评价自然冷却空调系统节能潜力是以全年自然供冷小时数作为表征，该指标存在诸多不足：①未排除极寒情况下冷却塔结冻无法使用的情况；②未将完全自然冷却模式和部分自然冷却模式区分对待。“自然供冷节能率”指标涵盖了节能潜力的跨气候区对比问题和不可用部分排除的问题。王泽青[34]通过数值模拟方法分析了我国不同气候区各省会城市采用自然冷却模式的数据中心PUE值，发现高纬度地区数据中心PUE值低于低纬度地区PUE值，同纬度西部地区数据中心PUE值低于同纬度东部地区PUE值。

折建利等[35]介绍了兰州某数据中心应用冷却塔自然供冷的工程实例，通过对冷却塔自然供冷系统供回水温度以及典型机房温度场的测试，探讨了冷却塔自然供冷系统的实际应用效果。

张素丽[36]专门针对冷却塔自然冷却方式下的部分自然冷却模式的相对节能性进行了研究，并以上海、北京、呼和浩特三个城市作为分析对象，研究发现并非每个地区的气候条件都适合设置部分自然冷却，过渡季节较长的地区（如上海）较为适宜。

冷却塔水侧自然冷却可以与吸收式制冷系统结合实现能源综合利用，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来提高整体能效，吸收式太阳能制冷系统也被用于数据中心自然冷却[37]。HAMMANN 等[38]提出一种同时利用太阳能和自然冷源的数据中心冷却系统，当室外气温较低时，开启自然冷却模式，与此同时，太阳能集热器收集热能驱动吸收式制冷机组。

董凯军等[39-41]针对自然冷源在高热湿环境地区的利用难题，提出了采用大温差高温供冷的自然冷源深度利用技术，该技术通过设计和研发大温差高温供冷的末端精密空调，提高冷冻水供水温度和供回水温差，提升供水温度能够提高完全自然冷却模式运行时长，提升回水温度（供回水温差）能够提高部分自然冷却模式的运行时长，自然冷却运行时长得到较大幅度的提高。

自然冷却技术在数据中心的应用受多方面因素的影响：①数据中心所在地的气候和地理位置条件；②相关标准和规范对数据中心热环境的限制；③自然冷却技术本身与数据中心、气候地理条件的匹配和适用性；④自然冷却技术节能效果、初投资增加值之间的经济性考量。

自然冷却技术是数据中心冷却系统节能的关键技术，但是自然冷却分类众多，每种技术有其特性和适用范围，在应用中应该充分考虑各种适用性条件（气候、空气质量、水源、初投资等），选择合适的自然冷却技术。

2 末端冷却及气流组织优化

2.1 末端冷却形式介绍及存在的问题

数据中心末端精密空调的气流组织优化是进行 信息设备冷却的重要环节，决定了冷却的效果和冷却的效率，气流组织的不合理设计可能造成信息设备过热和冷却能耗增加。

根据末端冷却对象的不同尺度，冷却方式通常分为四个级别，具体如表2。

表2 数据中心末端冷却分级[42]Table 2 The end cooling grading of data center

目前数据中心末端冷却存在着许多问题，主要有：①气流组织不合理，传统布局冷热风隔离不彻底，容易发生冷热气流掺混现象；②地板格栅开孔率不合理和架空地板内线缆布局不合理影响下地板送风的均匀性和有效性；③下地板送风方式难以进行针对性冷却，整体冷却能力也极为有限，难以适应高热密度机柜冷却。

2.2 气流组织优化研究进展

气流组织作为数据中心机房热环境和系统能耗的一个重要环节，其实际运行效果的最终体现是热环境。国内外学者从送风形式、架空地板布局、热环境评价等多方面开展了气流组织优化的研究。

（1）送风形式

CHO J K等[43-44]针对数据中心机房各种送回风方式进行了模拟对比研究，结果表明，与其他送回风方式相比，下送风顶部回风可以明显改善空调系统的气流组织，提高空调系统的运行效率。李红霞等[45]通过对比研究指出空调送风形式应根据数据中心机房的实际情况进行合理设计。

江家青等[46]通过对风管型式的优化设计减少空调送风和机柜排风气流的掺混，该设计中对风管的优化能够使空调送风直接送入设备进风口，以使空调送风和热回风的掺混程度降低到最小。

刘成等[47]通过数值模拟对比分析了数据中心机房上送风和下送风两种气流组织形式，通过对比两种气流组织形式下机房内的温度场和速度场模拟结果，指出采用下送风的气流组织形式更优，机房内信息技术（information technology,IT）设备冷却效果更好；并指出机架下送风气流组织形式下，距离机柜出风口位置更近的位置，设备换热效果更好。

ROGER S等[48]针对数据中心存在的冷、热气流掺混的问题提出了封闭冷/热通道的方案，并基于测量结果建立模型进行数值模拟分析，结果表明，采用冷通道封闭的气流组织形式能够满足机柜的气流冷却需求，且相对于未采用冷/热通道封闭措施的空调系统，其风机能耗降低了5.6 kW。

张杰等[49]以某一数据中心机房为研究对象对气流组织进行了模拟研究，并针对存在的问题提出改进措施：在散热效果较差或者热空气堆积区域增加智能控制排风系统能够有效减少局部过热区域的形成，同时添加机柜顶部排风管能够改善机房热回路，减少冷热气流掺混，从而保证设备有效冷却及高效稳定运行。

（2）架空地板静压和送风孔隙率

PATANKAR等[50]通过数值模拟研究了架空地板高度对空调送风气流速度在静压箱内和流经穿孔地板的气流分布的影响，发现在150～600 mm的架空地板高度变化下，随着高度的增加，通过穿孔地板的空调送风速度减小，压力差减小，气流分布更为均匀。JOSHI等[51]也针对数据中心不同静压层高度进行了数值模拟研究，并得到了与PATANKAR相似的结论。

FAKHIM 等[52]通过计算流体力学求解器（computational fluid dynamics,CFD）模拟计算了穿孔地板在25%、50%、75%和100%的孔隙率下空调送风的流速和温度分布，并通过对比分析得出结论：当穿孔地板孔隙率为25%时，冷却气流分布更为均匀。

FULPAGARE等[53]研究不同孔隙率的穿孔地板的热剖面，发现在孔隙率低的区域冷热气流更容易发生掺混。

ZHANG等[54-55]总结了与穿孔地板的相关实验研究，并推理出气室内压力和速度分布的公式以及边界条件，通过数值模拟对比分析了不同孔隙率下的气流速度、温度分布，得出当孔隙率较低时冷却气流经过穿孔地板的压降增加，气流分布相对更为均匀。

WANG等[56]通过研究发现，靠近空调送风位置的低孔隙率穿孔地板的气流速度较低，会减少冷却机组的有效总流量并带来冷却不足，并指出实际工程实施中需要根据不同位置设置不同孔隙率的穿孔地板，在距离空调近的位置将孔隙率提高，距离远的位置将孔隙率降低，并对该设置进行了模拟，结果发现变孔隙率穿孔地板的设置下机房内气流分布更为均匀。

（3）热环境评价指标

ARGHODE[57]、SUNDARALINGAM[58-59]、NADA[60-62]等通过数值模拟对比研究了冷通道封闭和开放情况下数据中心机房冷热气流掺混情况和机房的热环境差异，同样得出了冷通道封闭能够有效减少数据中心冷却气流混合、改善机房热环境的结论，并且NADA在模拟结果分析中引入了多个数据中心热环境体系评价指数，包括供热指数（supply heat index,SHI）、回热指数（return heat index,RHI）、回风温度指数（return temperature index,RTI）和机架冷却指数（rack cooling index,RCI）等，对数据中心不同气流组织形势下的热环境进行了评价分析。

原世杰等[63]系统归纳对比了数据中心热环境评价指标及其数值意义，并针对某数据机房进行数值模拟，采用不同评价指标对模拟结果进行分析，对所用指标的适用性做了详细分析。

（4）高功率密度机柜冷却的行级和机柜级送风

YOSHII等[64]针对局部机架式空调器（rack-type air-conditioner）进行研究，通过消除机房内局部热点以减少空调系统能耗，并与地面垂直送风系统（vertical under floor,UVF）进行对比实验研究，结果表明其空调能耗降低43%，且机房内未出现局部热点区域。

蒋雅靖等[65]结合CFD模拟的方法阐述了采用列间空调方式在机房温度均匀性和气流组织上的合理性，指出列间空调方案通过改变空调的送风方式，缩短送风距离，有效降低冷量损耗，为今后高密度数据中心空调解决方案的设计和改进提供了依据。

PRIYADUMKOL等[66]通过数值模拟对比研究了常见的地板下送风空调系统、列间空调系统和二者联合运行系统，并与ASHRAE中机房温度控制标准进行比较，指出采用冷气流通过量、机柜热负荷和流体流速能够有效评价数据中心空调系统能效。

刘芳等[67]以天津某数据中心工程实例为对象，通过 CFD模拟软件 6SigmaRoom 建立了数学和物理模型，并对列间空调系统前送后回的气流组织形式以及室内热工环境进行模拟，对比分析了机房内不同高度平面的速度分布和平面分布，根据模拟得到的流线、速度分布、温度分布来检验室内是否存在局部热点问题。针对局部热点问题提出提供送风量方案、改变空调布置形式和封闭冷通道优化方案，并进行模拟结果对比分析，提出了针对该数据中心的气流组织优化建议。

董凯军等[68-69]针对高功率密度数据中心采用机柜级冷却方式的冷却效果进行数值模拟分析，发现机柜级冷却模式下，服务器的进出风温度和进气流量更为均匀，设备冷却效果更好。同时又提出一种优化的数据中心机柜级冷却系统行级备份式容灾方案，通过数值模拟对比了机柜级冷却系统房间级备份式和行级备份式容灾方案下空调故障时机房内热环境的优劣。

针对目前数据中心末端系统所存在的问题和未来数据中心发展方向，可以得出：①现有的气流组织优化研究仍然针对单因素的优化分析为主，在影响气流组织的多因素共同作用下的气流组织的综合优化效果如何，相关的研究仍不充分，需继续深入研究；②采用机柜级别循环制冷形式能够在不改变服务器架构的基础上进一步合理优化机房内气流组织，更能均衡地冷却IT设备，降低能耗，是末端冷却方式的发展趋势。

3 蓄 冷

3.1 蓄冷技术介绍

2017年9月，国家发改委、经信委等六部委发布《电力需求侧管理办法（修订版）》明确指出鼓励电力用户采用电蓄冷、电蓄热、储能等成熟的电能替代技术。2018年6月国家发改委发布《关于创新和完善促进绿色发展价格机制的意见》，提出完善峰谷电价形成机制，加大峰谷电价实施力度，运用价格信号引导电力削峰填谷。结合国家鼓励政策和数据中心空调系统冷负荷密度大、全年不间断运行的特点[70]，蓄冷技术成为数据中心冷却系统发展方向之一。

蓄冷技术是利用介质的显热或潜热特性将冷量储存于介质之中，在需要时将冷量释放出来。蓄冷空调是指利用夜间电网负荷低谷段的廉价电进行冷量储存，在白天电网负荷电力高峰高价时段再将冷量释放出来全部或部分代替冷水机组作为空调冷源使用[71-75]。由此实现电力移峰填谷，达到调节电网平衡，降低空调系统运行电费的目的。

表3 蓄冷系统主要特性[80]Table 3 Main features of the cold storage system

蓄冷系统一般可分为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷三大类[76]，其基本特性如表3所示。有研究指出，当蓄冷量大于 7 000 kW，或蓄冷容积大于 760 m3时，水蓄冷是最经济的[77-79]。

3.2 蓄冷技术在数据中心的应用

（1）水蓄冷

水蓄冷系统一般蓄冷温度为4 ～ 7℃，单位体积蓄冷容量为 5.9～11.6 kW·h/m3，具有放冷响应速度快、初投资低、易于管理的特点，常用于数据中心应急冷源。孙长青[81]从数据中心运行可靠性的角度出发，探讨数据中心蓄冷形式的选择，确定了水蓄冷应用于数据中心的优势及设计方法；张纯星[82]则对数据中心蓄冷罐选型、施工、安装方法等进行了详细分析，为数据中心水蓄冷应用提供了参考。阿里巴巴/华通千岛湖数据中心的湖水冷却空调系统配置了2个单位有效容积750 m3的蓄水池作为湖水过滤沉淀池，同时也作为解决市电中断、油机启动至冷水机组恢复运行这段时间的应急供冷[30]。此外也有一些工程设计了大型的蓄冷罐体或蓄冷水池，除满足数据中心应急冷源需求外，代替冷水机组在电价高峰时段供冷，均取得了良好的节费效果，说明水蓄冷空调系统在数据中心工程中的应用具有广阔的前景[83-84]。根据蓄冷槽的设计方案，可分为自然分层型、迷宫型、多槽型和隔膜隔板型等。为了尽可能提高蓄冷能力和效率，实现更大的蓄冷温差和冷热水无掺混，研究人员对水蓄冷系统影响因素进行了多方面的研究，黄丽[85]对自然分层式水蓄冷罐模拟后发现，影响蓄冷水槽完善度（figure of merit,FOM）的主要因素是不同温度水之间在界面的混合与热传导损失；于航[86]对自然分层型蓄冷罐进行模拟研究，结果显示随着蓄冷时间、温差及流量的增加，斜温层厚度增大；方贵银[87]提出了一种大过冷度制冷、高温水蓄冷的空调系统，将水蓄冷的可利用温度上限由12℃提升到了30℃。

董凯军等[88-90]自主研发了袋式隔膜蓄冷罐体结构，通过防水隔热柔性薄膜实现冷热水的物理分隔，解决了柔性隔膜的制备和性能验证，实现12℃以上蓄冷温差和1℃超低温蓄冷。

（2）冰蓄冷

冰蓄冷系统蓄冷密度达到334 kJ/kg，且可实现更低的供冷温度，常规冰蓄冷双工况机组制冰蒸发温度低于-5℃，制冷机组能效比（coefficient of performance,COP）与水蓄冷相比下降20%以上[91]，此外蓄冰系统管路和控制系统复杂，传热热阻大，放冷速度慢的特点极大的限制了冰蓄冷系统在数据中心的推广应用。根据制冰方法，可以将冰蓄冷系统分为静态制冰和动态制冰，其中静态制冰又分为冰盘管式和容积式式制冰，动态制冰又分为冰片滑落式、过冷水制冰和直接接触式制冰等。动态制冰制取的多为流态冰浆或冰晶颗粒，融冰速率快，取冷温度低，是目前研究的主流方向。曲凯阳[92]总结了日本过冷水动态制冰的研究现状，给出了几种解除过冷水状态的方法，并强调了冰晶进入过冷却器对系统产生冰堵的影响很大；于震[93]分析了过冷水连续制冰系统能耗组成和用能效率，提出三种提升过冷却器进口水温的方法，其中利用空调系统回水加热的方法对系统的有效利用冷量和用能效率影响不大；EGOLF等[94]研究了冰浆的流动性能，提出冰浆浓度高于20%时可以适用于bingham流动模型；PRONK等[95]研究了冰浆在蓄冰罐里随时间的变化状态，提出了搅拌装置转速对冰晶尺寸增长影响很小，随着NaCl溶液浓度的增加，冰晶颗粒增长速度下降。

中国科学院广州能源研究所开发了过冷水动态制冰机组，并实现制冰系统稳定持续运行，目前已应用于多个蓄冷工程中[96-97]。同时，董凯军等[98]还研发了一种复叠式直接接触式制冰技术，复叠式直接接触式制冰是一种非常适用于数据中心的技术，其冷凝侧可以采用冷水机组提供的7～15℃的冷冻水进行冷凝，数据中心冗余冷水机组数量较多，如果充分利用冗余机组进行冰蓄冷，能够实现在增加较少投资的前提下，获得冰蓄冷系统所带来的峰谷电价的节费效果，是一种值得推广的技术。

数据中心属于全年运行的高能耗场所，数据中心应用蓄冷技术能解决城市电网的区域失衡问题，蓄冷技术在用户侧虽不能直接带来节能效果，但由于峰谷电价政策，蓄冷能够为用户带来电费支出的大幅下降。并且蓄冷技术的大范围应用能够提高发电效率和电网输配效率，在供给侧实现节能。高密度蓄冷技术是一项值得在数据中心大力推广应用的技术。

4 结 论

（1）自然冷却技术是数据中心节能的核心技术，但在不同地理气候条件和应用场景下应考虑各种自然冷却技术的适用性，进行针对性的设计和优化；针对自然冷源条件差的地区，开展自然冷源深度利用技术至关重要。

（2）气流组织优化技术是冷量高效利用的关键环节，在数据中心机柜功率密度逐渐提高的发展趋势下，行级和机柜级冷却方式是今后的发展方向，针对行级和机柜级冷却的多因素热环境综合评价指标的研究还较为欠缺，应当进一步深入研究。

（3）蓄冷技术是一项非常适用于数据中心的节能节费技术，现有蓄冷技术蓄冷密度较低，在很多已建成数据中心受空间限制尚未采用蓄冷技术，因此开展高密度蓄冷技术的研究和应用是发展趋势。