数据中心自然冷却技术研究综述

陈广闯 张军

东南大学能源与环境学院

0 引言

数据中心包含有服务器，通信设备，制冷与供电设备等，是数据处理的中心[1]。研究显示，2015 年，中国数据中心超过40 万个，每年消耗电量约占全社会总量的1.5%[2]。预计到2020 年，我国数据中心年耗电量将超过社会用电总量的3%[3]。目前我国数据中心PUE远远高于欧洲国家数值[4]。2017 年工信部提出目标：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[5]。这也对数据中心的节能提出来新的挑战。

如图1 所示[6]，数据中心的能耗主要集中在服务器与空调系统[7]。降低空调系统的能耗对提高数据中心能源利用率具有重要影响。由于常规冷却技术系统能耗过高，机房能源利用率过低，PUE 居高不下[8]。近年来研究人员提出利用自然冷源来对数据中心进行冷却的新型冷却方式。自然冷却技术可利用自然的冷空气或者低温水源对数据机房进行冷却，具有明显的节能效果[9]。其主要包括风侧自然冷却，水侧自然冷却和热管自然冷却[10]。

图1 数据中心能耗组成

1 风侧自然冷却技术

风侧自然冷却利用室外冷风来对数据中心进行冷却。在系统中，设置传感器来监测室内和室外的温度[11]，当条件合适时，将室外冷风直接引入室内或者对其进行利用。风侧自然冷却技术是一项很有应用前景的技术。该技术主要分为直接风侧自然冷却，间接风侧自然冷却和蒸发冷却等三大类。

1.1 直接风侧自然冷却技术

直接风侧自然冷却技术是将室外冷风直接引入数据中心进行冷却的技术，如图2 所示[12]。直接风侧自然冷却技术已经在一些地区得到了应用，并取得很好的效果[13-14]。如Facebook 在俄勒冈州的数据中心，利用该技术后，系统年均PUE 可达1.09。雅虎在纽约地区数据中心也采用直接风侧自然冷却技术，PUE 可达1.08。

图2 直接风侧自然冷却系统

耿海波等[15]以昆明某数据中心为例，采用新风自然冷却对其进行节能改造，PUE 由1.9 降至1.56，结果表明，昆明气候非常适合新风自然冷却。高景等[16]在贵州某数据中心应用采用智能新风系统进行供冷，预计年运行节能率为16.26%。高东媛等[17]以数据中心为研究对象，研究了北京地区新风直接引入系统的节能潜力，结果表明，相比于常规空调系统，其节能率高达52.7%。Hassan 等[18]对巴基斯坦某数据中心进行研究发现，采用新风自然冷却技术的节能效果在每年1 月、2 月、12 月这3 个月中最为明显。Eduard 等[19]对欧洲各国采用直接风侧自然冷却技术的数据中心研究表明，室外温度高于21 ℃时，系统节能效果在15%-22%之间。在室外温度低于21 ℃时，才会有较好的节能效果。Hiroshi 等[20]在东京郊区建立了一套新风冷却数据中心样机，并进行为期一年的运行试验。结果表明：相比于常规空调系统，该系统年节能率为20.8%，PUE 可达1.058。顾小杰等[21]对哈尔滨某大型数据中心机房采用新风空调系统的节能性进行研究，计算表明，其节能率可达60.5%。并将此例应用于我国11 座城市气候背景下进行研究，结果表明，该系统在其中九座城市的节能率均超过30%。

直接风侧自然冷却技术对地区的空气质量有一定的要求，在一些地区需要对其进行改进。夏春华等[22]对严寒沙尘地区的数据中心应用自然冷却进行研究。以内蒙古某数据中心为例，应用风道智能换热节能技术，很好的解决了新风带来的空气洁净度的问题。

直接风侧自然冷却系统是一项最为简单明了的自然冷却方法，具有低投资高回报的特点，但是该技术也有一定的局限性，在露点较低的地区使用该技术会带来不必要的除湿费用[23-24]。而且对室外空气的直接引入也会导致室内湿度分布不均匀以及细颗粒物和污染物带入等问题，需采用过滤器对新风进行过滤，这样就导致设备的维护成本增加。因此在使用该技术时，必须充分考虑当地的空气质量以及气候条件等因素。

1.2 间接式风侧自然冷却技术

与直接风侧自然冷却技术直接引入新风不同，间接风侧自然冷却技术通过换热器对室外冷空气进行利用。间接风冷通过换热器来实现对室外冷空气的利用，确保数据中心不受外部环境的干扰。

京都转轮系统是该技术最为典型的应用案例，如图3 所示[25]。该系统包括一个带直接膨胀冷却系统的转轮，利用转轮在室内热风和室外冷风间交替循环从而实现热量的转换，可有效避免室内环境收到扰动。系统的COP 约为8～10，远远高于传统冷却系统的COP 值。Bao 等[26]针对通信基站空调能耗高的问题，提出一种在室外温度足够低的情况下，利用热交换器排除通信基站多余热量的新技术。结果显示，相对于传统制冷系统，该系统每年可制冷时长为5014 小时，节能率达29%。

图3 京都转轮系统

间接风侧自然冷却系统的节能效果较好，是一项很有潜力的技术。然而由于系统的设备体积较大，其应用范围受到限制。同样，空气经过热交换器时，随着时间的推移，污染物和颗粒物会在交换器上累积，这会导致热交换器的效率降低，维护成本增加。因此该系统目前的应用较少。

1.3 蒸发冷却技术

蒸发冷却技术是利用水蒸发冷却原理，采用直接蒸发或者间接蒸发的方式获得冷风的技术。根据蒸发方式的不同分为直接蒸发冷却技术和间接蒸发冷却技术[27]。直接蒸发冷却技术具有风量大、温差小，冬季加湿效果好等优点，间接蒸发技术具有效率高，不易堵塞等优点[28-29]。

何华明[30]对不同地区通信机房节能改造方案进行研究，总结全年节能率的经验计算公式。结果表明，采用蒸发冷却方法进行降温可以显著提高节能效果，尤其在西藏等地区，节能率可达47%～95%。范坤等[31]对蒸发式冷却技术在机房空调中的应用做了介绍，分析了直接蒸发和露点间接蒸发的优缺点。黄翔等[32,33]针对蒸发式冷气机在冬季不能很好控制室内湿度的问题，对直接蒸发冷却空调进行了优化。采用气流组织方式，使冷空气先经过冷负荷集中的区域，提高节能效果。并对不同地区的节能潜力进行了评估。穆正浩等[34]对宁夏中卫某数据中心的直接式蒸发冷却空调系统进行研究，计算了不同工况下系统的能耗情况，结果表明该系统年均PUE 约为1.25，属于较高水平。李婷婷等[35]分析了蒸发式冷气机在严寒地区数据中心应用的可行性，并分析了结露、排风及洁净度等因素对制冷效果的影响。计算表明，采用蒸发冷却空调系统节能改造后，东北某数据中心的节能率可达60%～80%。刘凯磊等[36]对干空气能集中空调系统的特性进行了分析，并针对数据中心的特点提出两种改造形式：直接使用新风与封闭冷通道相结合以及间接使用新风与封闭热通道相结合。通过对两种方案在西北地区的节能效果对比，发现方案二在干燥地区节能效果更高。

蒸发冷却技术可以将室内与室外环境隔离，保证机房内部环境不收干扰，对提高设备运行的稳定性有良好的效果。然而还有一些亟需解决的问题，如局部热点和室内湿度控制等，需在进一步研究解决[37～38]。

2 水侧自然冷却技术

水侧自然冷却技术是指直接使用自然冷源通过冷却水的设施，从而保证在冷却的过程中不对内部环境造成影响。水侧自然冷却技术主要分为直接式和冷却塔式两种。

在直接水冷式自然冷却系统中，自然低温水被直接引入数据中心进行冷却，不需经过任何换热过程。在国外，有很多数据中心对这一技术进行了尝试，如Google 位于芬兰的数据中心，其年均PUE 约为1.14。Elahee 等[39]对应用深海层海水作为自然冷源的数据中心进行研究，结果显示，该系统的能耗要求比常规冷却系统低94%。国内最早采用直接水冷式自然冷却技术的是阿里巴巴公司，其位于千岛湖的数据中心采用湖水作为自然冷源，可实现年均PUE 为1.3[40]。直接水冷式自然冷却具有较好的节能效果，但是该技术其对自然冷源的依赖性很高，因此，数据中心往往选址靠近湖海。这使得该技术的应用具有一定的局限性，目前直接式的应用较少。

冷却塔技术是指利用自然冷源通过冷却塔制取低温水，从而对数据中心进行冷却的技术。该技术是目前数据中心应用最广泛的自然冷却技术之一。折建利等[41]兰州某数据中心的冷却塔自然冷却系统进行了研究，发现该系统节能效果显著。张素丽[42]以上海、北京、呼和浩特三个典型气候为例，分析了冷水系统的相对节能性。发现具有较长过渡季节的地区更适合设置部分自然冷却。且随着纬度的上升，自然冷却时间增长，节能优势更明显。宫晔等[43]使用冷却塔自然冷却技术对大连某数据中心做节能改造，结果显示，该技术可实现31.23%的节能率和1.348 的PUE。曾晓庆[44]研究表明采用冷却塔进行供冷，在一定范围内，随着供水温度的升高，自然冷却时间增加，系统自然供冷节能率可提高。

当室外湿球温度较低时，该技术是一种比较好的自然冷却方案。但是使用该技术时，必须对冷水温度进行严格监控，在严寒地区需要采取防冻措施。

3 热管自然冷却技术

热管冷却技术是指通过热管传递室外冷量的自然冷却技术。该技术具有较强的温度控制性能，并且能够在小温差下进行传热。和传统空调系统相比，热管技术具有更好的气流组织，很大程度上减少了局部热点的存在。由于热管自然冷却不会对室内空气品质和湿度产生影响，能够更好的利用自然冷源，传热效果更好。因此，近年来热管自然冷却技术越来越受到国内外学者的重视。热管自然冷却系统可以分为分离式，复合式和蓄冷式三种。

分离式热管系统可直接对数据中心进行冷却而不需要机械制冷，但环境温度较高时，需要蒸汽压缩系统辅助制冷。

田浩等[45-47]设计了一个分离式热管空调系统，并提出使用多级热管对传统热管进行优化。研究表明，最佳充液率约为80%。通过模拟发现，在上海天气条件下，系统平均COP 可达11.8。Zhu 等[48]提出一种计算通信基站使用分离式热管换热器的运行性能和能耗的仿真方法，模拟结果表明热管系统是一种高效节能的方法。Ding 等[49]对分离式热管空调系统在数据中心的运行效果进行了计算。结果表明：该系统在冬季的PUE 可达1.2，相比于常规空调系统，节能率为48.3%。Samba 等[50]设计了一种带有倾斜冷凝器的热虹吸回路，用于冷却室外机柜中的电气设备，并研究了不同因素对其效果的影响。结果显示，采用热虹吸循环冷却系统的通信设备的最大热负荷是传统冷却系统的两倍。凌丽[51]研究微通道分离式热管换热器的性能，对设计参数和运行参数下的系统换热机理进行了说明。结果显示利用湖水源的水冷多联分离式热管系统相对于传统机房的节能率高达64.82%。

复合式热管系统将分离式热管单元与蒸气压缩制冷单元通过蒸发冷凝器结合为一个整体，在一定程度上减少了初始投资。马国远等[52]提出一种加入制冷剂泵的复合热管系统。结果表明尽管添加制冷剂泵使得该系统能耗增加，但当室外温度低于15 ℃时，节能率可达到36.57%。Han 等[53-55]将热虹吸循环冷却系统与蒸汽压缩制冷循环相结合研发出一种复合空调系统。并设计了一种自操作的三通活塞阀等部件，减少热管模式的流动阻力，使得制冷效果大幅提高。测试结果表明，与常规制冷系统相比，该系统节能率可达30%以上。张海南等[56-58]提出一种新型机械制冷/回路热管机房空调系统，并利用三介质换热器机械制冷回路与回路热管相耦合，实现二者可切换工作。实验结果表明，在济南气候环境下，相比于传统空调系统，该系统的节能率为40%。王铁军等[59-61]开发出一种热管复合式制冷系统，该系统将热管与压缩制冷单元结合起来可实现二者协同工作，大大提高热管工作时间。

环境温度对热管系统的冷却能力有很大的影响，这也对其稳定性和可靠性造成了一定的影响。为了克服这些缺点，蓄冷式热管系统将传统热管与蓄冷装置结合起来，在一定程度上增加对自然冷源利用的合理性。王子彪等[62]将热管蓄热空调系统应用于东北某数据中心，结果显示，改造后系统PUE 降低到1.51，自然冷却全年使用时间可达6567 小时，年节能率为28%。作者提出，在北方地区，使用该系统可以获得更好的节能效果。Mochizuki 等[63]提出一种采用热管蓄冷对数据中心进行冷却的方法。该系统利用热管的虹吸特性，在温度较低时，将冷凉储存在热管中，然后再温度较高时，使用储存的冷凉对数据中心进行冷却，从而减小数据中心的能耗。Sundaram 等[64]设计了一种由PSM（相变材料）和两相闭式热虹吸组成的冷却系统，在白天，当室外温度高于室内温度时，设备散发的热量储存在蓄热单元内。在夜间，环境温度低于室内温度时，储存的热量通过热虹膜释放到外界。这样热能储存装置就储存够了足够的冷能量，可以用来对电子设备进行冷却。

4 自然冷却技术的局限性

应用自然冷却技术可以在降低数据中心的能耗，但同时也存在一定局限性。对于风侧自然冷却技术而言，直接式虽然节能效果好，但是无法避免室外空气污染对设备的危害，且难以对室内温湿度进行控制。因此必须在气候条件合适的地区使用。由于转轮价格昂贵，效率有限，体积庞大，导致间接式风侧自然冷却系统初始投资较高，因此工程实例很少。蒸发冷却中空气被加湿，无法很好地控制机房内温湿度，且由于消耗水所带来的电能损耗也会使PUE 变大。

对于水侧自然冷却技术而言，直接式水侧自然冷却对地点要求比较苛刻，在设计时也应考虑废水对当地水质以及生态化境的影响，冷却塔自然冷却系统虽然是目前应用最广泛的技术，但是自然冷却转换温度的取值目前还未得出一致的结论，因此对计算的结果往往存在较大差异，在严寒和寒冷地区，冷却塔必须设置可靠的防冻技术措施，包括报警，调控和必要的应急加热防冻措施。

在今后的研究中，为了热管自然冷却技术能够在实际应用中更好地起到节能效果，还需要进一步考虑制冷剂的分配与泄露、冷量衰减、室外机连接管与高差、机械制冷空调机组与热管空调机组间配合等问题。

此外，自然冷却系统的投资、运行、维护成本也是在数据中心的生命周期内必须加以考虑的问题。

5 总结与展望

1）自然冷却技术是是数据中心节能的重要手段，每种自然冷却技术都有其适用范围，在选择自然冷却技术时应充分考虑当地气候，空气品质，水源以及初始投资等因素，因地制宜的选择合适的自然冷却技术。

2）随着数据中心的进一步发展，今后数据中心冷却技术要着力解决高密度设备散热问题，对机房散热进行全局化、模块化、系统化的管理。在节能的同时要充分考虑安全的问题，这样才能实现数据中心的绿色节能环保。