数据中心自然冷源利用研究

何智光，李震，施峻，林烨敏，项敏

（1. 清华大学 航天航空学院，北京 100084；2. 河北清华发展研究院，廊坊 065000；3. 国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂，丽水 323000）

数据中心是一类特殊建筑，用于集中放置和管理各类IT设备以及配套设施，以实现对大量数据的存储、运算、通信和网络服务等功能，为不同需求的用户提供实时高效的信息处理平台。随着信息技术的普及，整个社会对各类数据处理量和处理速度的需求与日剧增，伴随着功能的扩展和用户群体的扩大，信息机房的规模和容量不断扩大。近年来随着信息化和工业化融合指导思想的不断深入，我国数据中心市场进入了高速发展期，2012年至2016年数据中心耗电量保持12%以上的速度增长，预计到2020年我国数据中心年耗电量将超过2000亿度［1］。

数据中心的能耗构成主要由IT设备、空调系统、电源系统以及照明等其他用电等组成，其中IT设备和空调系统耗电量比例相当，共计约占到总能耗的90%（如图1［2］所示）。空调系统能耗过高是数据中心能耗居高不下的重要因素，研究显示全球数据中心的平均PUE（Power Usage Effectiveness）［3］约为2.0，而我国80%以上的数据中心PUE大于2.0，有的甚至高达3.0。

图1 数据中心能耗构成

为了保证数据中心服务器的正常工作，其空调系统通常需要全年处于运行状态。目前的数据中心一般采用机械制冷的方式对机房进行温度控制，缺乏对于自然冷源的有效利用，本文将分别讨论直接自然冷源利用技术、间接自然冷源利用技术以及复合冷源利用技术，比较三种不同自然冷源利用形式的优劣，并给出适用范围。

1 数据中心空调系统特点

持续供冷和严格的热环境标准对数据中心空调系统提出了特殊的要求。相比于其他类型建筑的空调系统，数据中心空调具备以下特点：

1. 运行时间长。数据中心IT设备发热密度大，且连续运行，为了保证IT设备的正常使用，数据中心需要全年不间断供冷。

2. 送风参数相对稳定。由于机房IT设备连续运行且发热密度高，通过机房维护结构传递到室外的热量相对较少，可以认为机房冷负荷全年基本不变；而IT设备要求的冷却空气参数区间相对固定，因此机房空调送风参数比较稳定。

3. 高显热潜热比。由于数据中心机房人为活动的情况较少，机房空调的主要任务是将IT设备散发的显热排到室外，其显热负荷与潜热负荷之比通常大于0.95。

4. 大风量小焓差模式。由于机房服务器发热密度高，集中式送风冷却方式为了避免送风温度过低导致不必要的冷凝除湿，通常会减小送回风温差，运行在大风量，小焓差模式下。

从数据中心空调系统的运行特点可以看出，由于机房需要全年不间断供冷并且运行状态相对稳定，在寒冷季节当室外温度低于机房环境温度时，通过合理利用室内外温差换热不但能满足机房空调要求，还能减少冷机能耗，起到节能效果。

2 自然冷源利用

数据中心机房空调的任务是在一定的传热驱动温差下，将IT设备散发的热量从室内搬运到室外。在冬季和过渡季节室外温度较低的情况下，机房室内外温差就可形成传热驱动温差，通过自然冷源设备可实现在不开冷机的情况下将机房散发的热量传递到室外。

2.1 直接自然冷源利用技术

根据室外冷空气的温度高低，将室外冷空气直接引入数据中心完全或部分替代空调送风称为直接自然冷源利用技术，其系统示意图如图2［3］所示。直接自然冷源利用技术开启与否取决于室外温度与机房空调送回风温度的关系：当室外温度高于机房空调回风温度时，直接冷源利用系统关闭，机房由空调系统完成供冷；当室外温度低于机房空调回风温度但高于机房空调送风温度时，直接冷源利用系统与空调系统同时开启，共同完成供冷；当室外温度低于机房空调送风温度时，直接冷源利用系统开启，完全替代空调系统完成供冷。

图2 直接自然冷源利用技术示意图

由于直接自然冷源利用技术采用将室外冷空气直接引入机房的方式进行机房制冷，因此为了满足送风状态达到机房服务器设备所要求的洁净度和湿度要求，通常需要在引入前对室外新风进行吸附过滤、除尘和去腐蚀性气体操作。并在送入机房之前进行湿度测试，并根据需要进行加湿或者除湿以使送风状态达到IT设备要求的湿度范围。

直接自然冷源利用技术设备相对简单，且仅以空气作为制冷载体，适用于缺水、室外空气质量较好的地区。此外，直接自然冷源利用技术在小型通信基站的应用也较为广泛。

2.2 间接自然冷源利用技术

将室外冷空气和机房空调回风通过热交换设备进行热量交换实现机房制冷的方式称为间接自然冷源利用技术。由于没有直接引入室外空气，该项技术能保证数据中心机房内部的气流洁净度和湿度在合适范围内，同时能降低循环气流的温度，将热量排到室外大气。

间接自然冷源利用技术主要依靠室内外空气的热量交换实现自然冷源利用，因此如何高效地实现热交换是间接自然冷源技术的关键。目前主要有两种方式，空-空换热器和热管换热模式。其中空-空换热器因为换热器的单位面积换热量较小，往往设备体积较大，在实际安装使用过程中存在较多困难。图3为间壁式空-空换热器的间接自然冷源利用示意图［3］。

图3 间接自然冷源利用技术示意图

热管换热模式是近年来才发展起来的间接自然冷源利用技术，由于热管本身具有极高的换热性能，换热器的体积可以大幅减小，设备更加紧凑，安装也更加灵活。江亿和李震等人［4-6］提出了一种基于分离式热管的数据机房排热系统，采用分离式热管，除了保留普通热管的高热量传递能力外，还具有安装灵活、能实现远距离传热以及工质循环完全依靠重力，无需提供额外泵功等优点。如图4所示，其工作原理为机房回风与低温制冷剂换热后达到送风条件送到机柜入口，完成室内气体循环。低温制冷剂在蒸发器内吸收机房回风的热量蒸发成为气态制冷剂，沿着上升管到在压差作用下进入室外冷凝器，与室外冷空气换热重新冷凝成液态制冷剂，在重力作用下沿着下降管流回室内蒸发器，完成循环。在环境条件具备的情况下，通过利用室外自然冷源替代或部分替代精密空调制冷，可实现数据机房空调系统的节能。

图4 分离式热管排热系统示意图

2.3 复合冷源利用技术

目前数据中心的自然冷源利用系统通常与机械制冷独立运行，根据室外环境温度切换运行模式。当室外环境温度足够低时，开启自然冷源利用系统关闭冷机，从机械制冷切换到自然冷却。这种运行模式不仅需要配备两套不同的换热器、输配系统和控制系统，而且操作复杂，不适合频繁切换，只能在长时间低温天气下使用，减少了自然冷源的利用时长。加上受换热器和输配能耗的限制，很多自然冷源利用设备的供冷能力和调节能力有限，进一步限制自然冷源的利用时间。据统计［7］实际使用的全年自然冷源时间比理论时间少了近1/2，利用率低下。

如何将自然冷源与机械制冷有机结合，实现自由切换，是延长数据中心自然冷源利用时间的关键。复合冷源利用技术是将自然冷源与机械制冷结合起来的一种制冷技术，在保证两套系统可以相互独立运行、不产生相互干扰的基础上实现自然冷源与机械制冷的自由切换。目前常见的该类复合冷源利用设备一般通过阀门实现两套系统的切换，存在两套系统不能同时运行或者换热设备个数过多，成本和能耗过高等问题。此外阀门属于易损部件，实际应用效果往往不佳，安全系数较低，运维成本较高。

清华大学李震、张晓彤等人［8］提出了新型热管-蒸气压缩联合循环系统，实现了无阀条件下的系统切换，并能在过渡季节实现两套系统的双循环运行。其系统原理图如图5所示。从室内蒸发器流出的气态制冷剂可以部分流入空调冷凝器，部分流入热管冷凝器，根据室内外温差自动调节运行模式，可充分利用自然冷源。延长自然冷源利用时间。

图5 热管-蒸气压缩联合循环系统

这种新型热管-蒸汽压缩联合循环系统设备数量较少，系统较简洁，它的主要优势有：

1. 两台室外冷凝器共用一台风机，降低输配能耗；

2. 采用无阀的设计思路，系统可实现自动调节，无需额外增加控制系统，减少维护费用，增加运行安全性；

3. 可实现自然冷源、机械制冷以及复合制冷的无缝切换，更加充分利用自然冷源，节能效果显著。

3 不同自然冷源利用形式的比较

三种形式的自然冷源利用技术在自然冷源的利用率上存在差异，直接自然冷源的降温效果最好，但是由于受到的机房洁净度和湿度要求的影响，适用范围并不广泛，只适用于对环境洁净度要求较低的小型基站。此外可通过增加空气处理装置的方法扩大直接自然冷源的适用范围，但投资规模将加大。间接自然冷源利用技术和复合冷源利用技术均能在保证数据中心机房洁净度和湿度要求的前提下实现对自然冷源的利用。在自然冷源利用率上，复合冷源技术由于可自由切换自然冷源与机械制冷，延长了自然冷源利用时间，比间接自然冷源技术更好，且减少了设备数量、不必额外配置输配系统和控制系统，投资和维护成本降低。因此复合冷源利用技术更加适合于新建数据中心，而间接自然冷源利用技术更适合于旧数据中心的节能改造，且热管换热模式由于空-空换热器模式。三种不同形式的自然冷源比较见表1所示。

表1 不同自然冷源利用技术比较

4 总结

随着信息技术的发展，数据中心在规模和数量上也与日俱增，其能耗量也逐步提高，数据中心正逐渐成为国民经济的能用大户。其中制冷系统能耗过高是数据中心能耗巨大的主要因素。自然冷源利用技术为数据中心制冷系统节能提供了一条思路。根据自然冷源利用的形式不同分为直接自然冷源利用技术、间接自然冷源利用技术和复合冷源利用技术。三种不同的自然冷源利用技术都能在一定程度上减少数据中心制冷系统能耗，达到20%～50%的节能率，具有极大的节能和应用前景。由于不同的自然冷源利用技术原理不同，使用时应根据数据中心地理位置和数据中心制冷要求合理选择不同的自然冷源利用技术。