數據中心自然冷卻技術研究進展

張海南　邵雙全　田長青

(1中國科學院低溫工程學重點實驗室(理化技術研究所)　北京　100190；2 熱力過程節能技術北京市重點實驗室(中國科學院理化技術研究所)　北京　100190；3 中國科學院大學　北京　100049)

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數據中心自然冷卻技術研究進展

張海南1,2,3邵雙全1,2田長青1,2

(1中國科學院低溫工程學重點實驗室(理化技術研究所)北京100190；2 熱力過程節能技術北京市重點實驗室(中國科學院理化技術研究所)北京100190；3 中國科學院大學北京100049)

數據中心的能耗增長日益受到關注，其能耗的很大部分是用于機房冷卻。采用節能冷卻方法是節能減排的迫切要求，自然冷卻技術是其中的有效方法之一。自然冷卻技術的實施有三種主要方式：空氣側自然冷卻、水側自然冷卻和熱管自然冷卻。空氣側自然冷卻簡便易行且節能效果好，但會影響室內空氣質量和濕度。水側自然冷卻可以在原有的空調機組上改造實現，但由于增加了中間傳熱過程其節能效果有限。熱管自然冷卻避免了對室內環境的影響，且同時利用相變傳熱節能效果較好。本文總結了近年來這三種自然冷卻技術的最新進展，為這一領域的研究提供參考。

制冷；空調；數據中心；自然冷卻；進展

信息技術作為一項蓬勃發展的新技術，對人類的社會形態和生活方式產生了深遠影響。隨著信息技術及其產業的發展，作為輔助設施的數據中心，數量與規模也在大幅度增長[1-2]。從廣義上來講，數據中心是指所有含有數據服務器、通信設備、冷卻和供電設備的建筑、廠房[3]。數據中心機房是高能耗建筑，隨著其數量與規模的增長，數據中心的能耗越來越不容忽視。2000—2005年，全世界數據中心能耗翻了一倍；2005—2010年，數據中心能耗增長趨勢受經濟危機影響有所減緩，但仍然增長了56%，2010年已占全球能耗總量的1.3%[4-5]。美國數據中心能耗更是由2000年占總能耗的0.12%增長到2010年的約2%[4-5]。

在數據中心能耗的組成中，制冷系統能耗占相當大的部分，約占數據中心總能耗的30%～50%[6-8]。一個典型數據中心的能耗構成如圖1所示[9]。

目前數據中心機房空調系統多采用恒溫恒濕的空調設備，利用電力驅動壓縮機做功制造低溫冷源，通過冷熱通道送回風的方式將機房內產熱排出室外，并維持室內的濕度穩定，其原理如圖2所示。這種傳統空調方式的能源利用率較低，主要存在以下問題：

圖1 典型數據中心的能耗構成[9]Fig.1 Energy consumption composition of one typical data center[9]

圖2 數據中心冷熱通道布局Fig.2 Hot and cold channel layout for data center

1)自然冷源利用率低。由于壓縮式制冷自身的限制，數據中心機房難以借助自然冷源排熱。對于我國大部分地區，全年有相當長時間內室外溫度低于數據中心室內控制溫度，理論上不需要啟動壓縮機制冷，而這部分自然冷卻時間恰恰是目前的機房空調系統不能有效利用的。

2)冷卻介質間的多次換熱降低了換熱效率。通過冷卻機房內的空氣，再通過機房內的空氣對發熱電子元件進行冷卻，都缺乏對電子元件溫度的直接控制。由于電子元件面積小，而且與空氣換熱系數小，需要增加散熱器等設備以增加散熱表面面積，并且需要維持機房內相對低的環境溫度，以滿足電子元件正常工作的散熱要求，因而冷卻介質間的多次換熱導致系統換熱效率大大降低。

3)氣流組織分配不均引起能耗增加。由于冷源集中布置，送風距離遠，送風量往往很大，再加上風系統中各設備阻力特性的差異，導致機柜內氣流組織和溫度場分布不均。為使得最不利點的溫濕度也能滿足設備正常運行所需的要求，往往被迫加大送風量，導致空調系統能耗激增。

因此，采用先進的節能冷卻技術有效解決上述問題，合理控制和降低冷卻系統的能耗，從而降低數據中心總能耗，不僅可以為企業節約運營成本，也是節能減排的必然要求。

針對上述后兩點問題，已有眾多學者和企業提出了若干解決方案，包括采用變頻風機[10]、天花板冷卻器[11]、背板冷卻器[12]、優化穿孔地板的結構[13-16]和機架布置方式[17-18]、改變送回風方式[19-21]等。針對上述第一點問題，近年來迅速發展的自然冷卻技術是理想的解決方案，也是本文的論述重點。

對于絕大多數地區來說，全年有相當多的時間室外氣溫低于數據中心室內溫度。利用自然界的低溫冷源進行冷卻的方案被稱為自然冷卻[22-23]。它通過降低機械制冷的運行時間實現全年能耗降低。在過去的相當長時間內，由于數據中心的環境標準要求十分嚴格，自然冷卻技術的應用時間和地域受到限制。自2008年以來，ASHRAE在其編寫的“數據中心環境控制指導書”中兩次放寬了數據中心環境控制標準[24-26]。2011年版的“數據中心環境控制指導書”將數據中心分為4個等級，如圖3所示。其中，A1和A2等級對應于2008年版的等級1和2，增加了2個對環境控制更加寬松的等級A3和A4。數據中心運營商可以根據對可靠性的要求選用相應的環境等級。數據中心環境控制要求的拓寬使得每年可利用自然冷卻的時間更長，為自然冷卻技術的發展提供了機會。與之相比，我國的數據中心環境控制范圍較為嚴格，GB 50174—2008《電子信息系統機房設計規范》規定的環境控制要求分為A，B和C三個等級，僅C級較為寬松，控制標準為18～28 ℃[27]。拓寬環境控制標準有利于我國數據中心的節能減排。目前，自然冷卻技術被認為是實現數據中心節能的最有效方法之一[28]，有著廣闊的發展潛力。

圖3 ASHRAE數據中心環境控制分級[26]Fig.3 ASHARE environmental control classes for data center[26]

自然冷卻可以分為空氣側自然冷卻、水側自然冷卻和熱管自然冷卻。下面將分別針對這三種自然冷卻方法論述國內外的研究進展。

1 空氣側自然冷卻

空氣側自然冷卻可以分為直接式和間接式。直接式是指直接將室外冷空氣引入數據中心；間接式是指通過空氣-空氣換熱器利用室外冷空氣。

在室外溫度適宜的情況下，直接將部分室外新風引入數據中心是最直接的自然冷卻方法，稱為直接式空氣側自然冷卻，如圖4所示。直接式空氣側自然冷卻系統是由控制器、氣流調節器和風扇等設備組成[29]。

圖4 直接式空氣側自然冷卻Fig.4 Direct airside free cooling

為了提高直接式空氣側自然冷卻的效果，一些學者進行了控制策略和新式結構的研究。Chen Y等[30-31]提出了一種通信基站的通風冷卻控制策略。針對廣州一處典型的通信基站，提出了保證室內溫濕度、提高節能效果的通風控制策略，實現節能約49%。Kumari N等[32]研究了室外冷空氣不同分配方式的影響，包括引入冷通道、增壓送風艙內靠近空調送風口、熱通道和空調回風口等不同方式。Chang Y T等[33]設計了一種自然冷卻的獨特結構，在外墻上開孔，冷空氣通過這些孔進入數據中心，然后通過安裝在數據中心頂部的風機將受熱空氣排出。

目前，直接式空氣側自然冷卻的節能效果已在世界很多地區得到了研究和證明，包括美國[34]、歐洲[34]、澳大利亞[34-35]和韓國[36]等。此種自然冷卻方法已經被許多數據中心所采用，約占所用自然冷卻方式的40%[37]。許多IT公司對自有的數據中心采用了直接式空氣側自然冷卻措施。Intel公司對一座10 MW的數據中心進行了長達10個月的空氣側自然冷卻研究，結果表明每年可以節約287萬美元電費[38]。Microsoft和Google公司在歐洲新建了采用新風自然冷卻的數據中心[39-40]。

然而，這種方法可能導致室內污染物濃度的提高以及濕度的破壞，從而帶來設備故障的風險，因此并未被廣泛接受。國內外的學者近年來對此類污染的控制方法以及引入污染帶來的風險進行了有益的探索研究。Ferrero L等[41-42]對數據中心浮塵類污染物含量的實時監測方法進行了研究。采用這種監測方法實時監測污染物的濃度，實現了直接式空氣側自然冷卻全年節能81%(與傳統空調相比)。Dai J等[43-44]研究了直接引入新風冷卻所帶來的故障風險，并且研究了降低這種風險的方法。美國Lawrence Berkeley國家實驗室的Shehabi A等[45-48]對空氣側自然冷卻的可行性進行了大量研究。對加利福尼亞州的8個數據中心的研究表明，利用空氣側自然冷卻導致的污染物顆粒濃度提高并未超過ASHRAE規定的標準上限，如果結合良好的空氣過濾器甚至可以忽略。高效空氣過濾器與自然冷卻器聯合使用，可以與傳統空調系統一樣達到有效的顆粒污染物隔離作用。同時，加裝自然冷卻器的數據中心能夠實現濕度的控制。他們指出，目前的數據中心環境控制標準過于嚴格，可以進一步放寬以適應自然冷卻的應用需要。然而，對一些空氣質量較差的地區來說，有研究表明直接式空氣側自然冷卻會引入較高的可靠性風險。尹華等[49]研究了中國通信基站采用通風自然冷卻的可行性。實驗表明，由于空氣灰塵較大，在哈爾濱和北京不適合采用空氣側自然冷卻方案。而上海、昆明和廣州的天氣條件則較為適合，全年的通風冷卻時間分別為3949 h，6082 h和4089 h。因此，直接式空氣側自然冷卻的風險取決于當地氣候條件。

間接式空氣側自然冷卻是采用空氣-空氣換熱器利用室外冷空氣。一個典型的系統是京都轉輪系統[50]，如圖5所示。系統在原有的直膨式空調上增加一個可以旋轉的轉輪，利用轉輪內填料的儲能功能，讓轉輪在兩個封閉的風道內緩慢旋轉，被室外空氣冷卻的填料冷卻室內空氣。這種系統可以在傳統空調的基礎上改造而成，且不會影響室內環境。此類系統的年平均能效可以達到8～10。然而，由于所需換熱面積較大，且轉輪的安裝需要對外墻大幅改造，此類系統的應用受到限制。

圖5 京都轉輪系統[50]Fig.5 Kyoto rotarywheel system[50]

2 水側自然冷卻

水側自然冷卻一般是在原有機房冷水機組的基礎上進行改造，增加水側自然冷卻器而成，具體有以下幾種實施方式：

1)直接水冷式。此類系統直接將室外冷水引入數據中心。Clidaras J等[51]提出了一種坐落于船上的數據中心，直接將海水作為數據中心冷源，通過安裝在室內的換熱器對室內空氣降溫。這種數據中心依賴水源，其應用受到限制，同時海水的波浪運動和臺風、海嘯等現象也對數據中心構成了威脅。

2)空冷式。空冷式水側自然冷卻是指采用空氣冷卻器冷卻循環水，輔助空調系統降溫。一個較為廣泛的例子是采用次級盤管的系統[52]，如圖6所示。在室外氣溫較低的時間，直膨式空調機利用次級盤管利用室外低溫冷源。但這種系統在蒸氣壓縮制冷的時間，能效比普通空調有所降低，因為室內空氣側的阻力損失增大。

另一個例子是采用集成干式冷卻器的系統[52]，如圖7所示。一個干式冷卻器被集成在空冷式冷水機組之中，當室外溫度滿足要求時，泵將冷凍水(通常混有乙二醇)送入并穿過干式冷卻器，在這里利用室外冷空氣冷卻冷凍水，然后將冷卻后的冷凍水送往室內。與現場安裝同樣的組件相比，這種成套式解決方案占用面積較小。而且，這種系統通過安裝多個冷水機實現系統冗余配置。多余出來的冷水機組的干式冷卻器可以應用于自然冷卻時間，以增大自然冷卻的換熱面積。

圖6 采用次級盤管的空冷式水側自然冷卻[52]Fig.6 Air cooled waterside free cooling with second coil[52]

圖7 采用集成干式冷卻器的空冷式水側自然冷卻[52]Fig.7 Waterside free cooling with integrated type dry cooler[52]

3)冷卻塔式。此類系統利用冷卻塔提供冷卻水。含有兩個水循環：冷卻水(外側)循環和冷凍水(內側)循環。傳統的水冷機房空調系統可以通過增加水側自然冷卻器旁通冷水機組，構建此類系統，如圖8所示[52]。當室外溫度較低時，水泵驅動冷卻塔提供的冷卻水，通過水側自然冷卻器給冷凍水降溫。

冷卻塔式水側自然冷卻可以與吸收式制冷系統結合，而吸收式制冷系統可以方便地利用太陽能以及數據中心廢熱提高整體能效[53]。吸收式太陽能制冷系統也被用于數據中心自然冷卻。Hamann H F等[54]提出了一種同時利用自然冷源和太陽能的數據中心制冷系統，如圖9所示。當室外溫度較低時，冷水機組被旁通，數據中心利用自然冷源。同時，太陽能集熱器收集的熱能驅動吸收式制冷機組，在需要的時間也可以為冷凍水循環提供冷量。

圖8 冷卻塔式水側自然冷卻[52]Fig.8 Waterside free cooling with cooling tower[52]

1冷卻塔 2旁通閥 3制冷機 4外部水循環 5內部水循環 6換熱器 7空氣處理機組 8芯片 9蓄冷器 10吸收式制冷機 11太陽能集熱器圖9 可以利用太陽能的水側自然冷卻系統[54]Fig.9 Waterside free cooling which can utilize solar energy[54]

3 熱管自然冷卻

熱管自然冷卻是指采用熱管傳遞室外冷量的自然冷卻技術。雖然嚴格來說這一方法屬于間接式空氣側自然冷卻，但由于其具有自身特點且已成為一個新的研究領域，筆者將其單獨列出。熱管具有良好的小溫差傳熱性能，無需外部能量輸入，同時不會引入室內污染物，近年來熱管自然冷卻技術受到廣泛關注，很多學者開始進行這方面研究。熱管自然冷卻按照功能可以分為單獨的熱管冷卻和熱管/機械制冷一體式冷卻。

3.1 單獨的熱管冷卻系統

圖10分離式熱管自然冷卻系統[55]Fig.10 Separate type heat pipe free cooling system[55]

Weber R M等[61]設計了一種應用整體式熱管的自然冷卻系統，如圖11所示。數據中心上方設有增壓風道，機柜上方的熱管穿過數據中心天花板，與風道內的室外冷空氣換熱。此系統將數據中心分為兩個空間，可以將熱管設備包含在數據中心之內，減小了熱管設備的損壞幾率。彭永輝[62]和 Tozer R等[63]設計的熱管自然冷卻系統也應用了類似結構。

圖11 設有增壓風道的熱管自然冷卻系統[61]Fig.11 Heat pipe free cooling system with pressurized plenum air duct[61]

李奇賀等[64]提出了一種帶有室外風道的熱管自然冷卻系統，其中熱管采用整體式熱管，如圖12所示。當室內外溫差范圍為5～24 ℃時，系統EER為3.63～10.64。實驗表明此系統在冬季可完全代替蒸氣壓縮式制冷空調機組。

圖12 帶有室外風道的熱管自然冷卻系統[64]Fig.12 Heat pipe free cooling system with outdoor air duct[64]

馬國遠等[65]實驗研究了一種機房用泵驅動回路熱管的性能，如圖13所示。系統主要由制冷劑泵、室內側并聯安放的 2組蒸發器、室外側并聯安放的2組冷凝器、儲液罐以及連接管道等組成，循環工質為R22。系統依靠制冷劑泵獲得循環動力。實驗結果表明，當室外溫度低于15 ℃時，與傳統空調散熱相比節能達到36.57%。此類系統由于依靠泵驅動，內部循環流量較大，與相同尺寸換熱面積的普通熱管換熱器相比可獲得更大的散熱量，但機械泵也帶來了一部分電能消耗。

1冷凝器 2儲液罐 3泵 4蒸發器圖13 泵驅動回路熱管自然冷卻系統[65]Fig.13 Heat pipe free cooling system with pumped loop[65]

馬國遠等[66-68]對熱管自然冷卻的節能潛力進行了一系列研究：通過建立熱管設備和原有基站空調的聯動控制策略，保證二者的協同工作，在熱管機組的啟動溫差為3 ℃情況下，模擬分析結果表明我國大部分地區可以節能30%～50%：著重分析了機房內重力熱管換熱器和空調各自的散熱負荷和能耗特性，以及圍護結構、設定溫度和室外溫度對系統的影響，同時進行了實驗研究，結果表明對于北京地區的天氣條件全年能耗比普通空調下降約40%。

目前，大多數機房用分離式重力熱管采用R22或R134a工質。目前這兩種制冷劑的應用逐步受到限制，替代工質的熱管性能研究逐漸受到重視。陳嵐等[69]研究了以丙酮為工質的分離式重力熱管的性能，特別是針對充液率的影響進行了詳細的實驗研究：在設定加熱功率為l 400 W，空氣流速為1.3 m/s時，最佳充液率范圍為70%～114%(以蒸發器內容積為基準)。姚遠[70]實驗研究了以R410A為工質的分離式重力熱管性能與充液率和高度差的關系。熱管的最佳充液率范圍在 37%～44%之間(以系統總內容積為基準)，高度差為 1.2 m 的分離式熱管比高度差為 0.7 m 的傳熱能力平均提高12.52%。Zhen Tong等[71]研究了CO2工質在機房用分離式重力熱管中的適用性，實驗結果表明，CO2工質的熱管可以在小溫差下啟動，與此同時，與采用R22工質的熱管相比熱阻減小22%～25%，指出CO2比較適合作為機房用熱管自然冷卻設備的替代工質。

以上針對機房用熱管自然冷卻的研究大部分為實驗研究，相關仿真模擬研究也主要是與能耗相關的模擬分析。雖然針對普通熱管的仿真研究已較為成熟，但絕大多數模型是針對高熱流密度大溫差下的電子設備散熱，且計算中熱流密度為定值[72-75]。對于機房空調自然冷卻用熱管來說，一般兩側均為風冷，傳熱溫差和熱流密度較小，熱流密度也不是定值。基于這些考慮，針對其性能的仿真研究十分必要，但目前相關研究較少。Zhang P等[76]針對小熱流密度的分離式重力熱管建立了分布參數仿真模型，將分離式熱管的工作狀態分為下降管部分液柱和下降管滿液兩種情況，分別用于較小熱流密度和較大熱流密度下的性能仿真。仿真結果表明，傳熱量隨充液率的增大先增加后減小，隨室內外溫差的增大首先線性增加，進而增加幅度有所減緩。

3.2 機械制冷/回路熱管一體式自然冷卻

由于熱管自然冷卻系統需要一定的室內外溫差才能工作，因此在室外溫度較高的季節無法運行。此時機房需要機械制冷系統進行制冷，這就需要兩套系統，無疑增加了機房空調系統的復雜性和投資。所以研究開發同時具有機械制冷和熱管冷卻功能的系統成為必然趨勢。目前，已有一些學者對這種一體式空調系統進行了研究。

一體式熱管空調的實際產品最早由日本學者Suenaga T等[77]提出并開發樣機，如圖14所示。該系統采用一套分離式熱管對室內空氣進行預冷，預冷后的空氣被蒸氣壓縮式制冷系統冷卻至所需的溫度。根據室外溫度的不同，機組全年有三種運行模式：低溫區熱管單獨運行模式，中溫區熱管運行模式和蒸氣壓縮系統聯合運行模式以及高溫區蒸氣壓縮系統單獨運行模式。

1冷凝器及風機(熱虹吸系統)2室內機(共用)3蒸發器(熱虹吸系統)4室內機風機(共用)5蒸發器(蒸氣壓縮系統)6壓縮機 7冷凝器及風機(蒸氣壓縮系統)8膨脹閥圖14 采用熱管預冷的一體式空調[77]Fig.14 Integrated air conditioner using heat pipe for precooling[77]

金鑫等[78-79]研發了一種復合型熱管空調系統，如圖15所示。機械制冷和熱管共用冷凝器和蒸發器風道。實驗結果表明，在室外環境為20 ℃時，室內環境溫度可以僅依靠熱管換熱維持，系統COP在4.66～13.90之間，平均COP為9.05。吳銀龍等[80]針對類似的分離式熱管結構形式進行了研究，獲得了較好的節能效果。

圖15共用風道的一體式空調[78]Fig.15 Integrated air conditioner with shared air ducts[78]

以上系統中的熱管與空調機組共用風側風道，會造成蒸氣壓縮制冷模式下風側阻力的增加，降低蒸氣壓縮式制冷系統的能效。另外，公用風側風道雖然在一定程度上簡化了系統構成，但不包含制冷劑管路的復合結構，并不是嚴格意義上的一體式空調。真正意義上的機械制冷與熱管一體式制冷技術最先在上世紀90年代由日本學者Okazaki T等[81-82]提出并研發出樣機，其技術方案如圖16所示。該系統在原有蒸氣壓縮空調器的基礎上，在氣液分離器前加設電磁閥，并設置單向閥，同時保證蒸發器低于冷凝器一定垂直距離。在室外溫度較低時，電磁閥關閉，由于蒸發器所在室內環境溫度高于冷凝器所在的室外溫度，所以蒸發壓力高于冷凝壓力，單向閥開啟，系統在熱管模式下運行。當室外溫度較高時，機組切換至蒸氣壓縮制冷模式，此時電磁閥和壓縮機開啟，其前后形成較高的壓差，使單向閥關閉。

1壓縮機 2冷凝器及風機 3電子膨脹閥 4蒸發器及風機 5電磁閥 6氣液分離器 7單向閥圖16 采用單向閥旁通壓縮機的一體式空調[81]Fig.16 Integrated air conditioner with check valve to bypass compressor[81]

韓國大學Lee S等[83-84]提出了一種復合式空調系統，如圖17所示。該系統的結構與運行原理基本與Okazaki的相同，不同之處在于采用四個電磁閥進行熱管與蒸氣壓縮的模式切換。他們通過實驗測試了制冷劑充液量、換熱器流程和兩器高差對系統性能的影響規律，并據此總結了充液量、換熱器流程和高差的設計方法。然而, Okazaki T等[81-82]和Lee S等[83-84]研發的樣機，結構上主要是按照蒸氣壓縮式制冷循環設計，缺少對兩種模式的綜合考慮與優化。在室內外20 ℃溫差下，熱管模式的制冷量不足機械制冷模式的50%。在這種情況下，熱管模式很難發揮節能優勢。

韓林俊等[85-87]研發了一種一體式空調系統，如圖18所示。針對一體式熱管空調研發了能耗模型并進行了實驗驗證，并開發了適合于兩種模式性能特點的三通閥、蒸發器入口分液器和連接管等部件，使得熱管模式的流動阻力有所降低，制冷量大幅改善。對此系統在通信基站的現場測試結果表明，此系統與普通空調系統相比節能約34.3%～36.9%。

1冷凝器 2電子膨脹閥 3電磁閥 4壓縮機 5蒸發器圖17 采用四個電磁閥的一體式空調[83]Fig.17 Integrated air conditioner with four solenoid valves[83]

圖18 采用三通閥的一體式空調[85]Fig.18 Integrated air conditioner with 3-way valves[85]

王鐵軍等[88-91]在重力回路熱管循環中增加了一個換熱器，同時作為熱管循環的冷凝器和機械制冷循環的蒸發器，得到了一種新的熱管復合式空調，如圖19所示。該系統實現了熱管與機械制冷同時運行。模擬分析表明，在北京地區應用這一熱管復合制冷技術，相比常規的壓縮制冷技術節能率達40%。但增加換熱器導致熱管回路流阻增加，使熱管回路難以自然循環，需要采用制冷劑泵驅動強制循環，因此并不是嚴格意義上的熱管回路，制冷劑泵的功耗也在一定程度上降低了節能效果。

以上的一體式空調系統均依賴電磁閥進行模式切換，對電磁閥的要求較高，系統長時間運行的可靠性無法保證。而機房空調系統一旦工作失常，所造成的軟硬件損失往往十分巨大，因此這一問題制約了目前系統的實用價值，一些學者研發了不依賴電磁閥進行模式切換的一體式自然冷卻系統。

張海南等[92-94]提出了一種基于三介質換熱器的機械制冷/回路熱管一體式空調，在避免使用電磁閥的同時實現了三種模式：熱管、制冷和雙啟的自由切換，如圖20所示。通過建立系統的仿真模型，對三種模式下的性能特點進行了模擬。三個工作模式均具備良好的制冷能力，熱管模式EER值在室內外溫差20 ℃下達20.8。另外，研究了制冷回路和熱管回路的相互影響規律，以及雙啟模式的合理工作區間。由于三介質換熱器是影響系統性能的關鍵部件，也對三介質換熱器進行了仿真研究，確定了最優結構并對不同工況下的性能進行了仿真。

1室內換熱器 2主電磁閥 3風冷換熱器 4旁通電磁閥 5壓縮機組6冷凝器 7節流機構 8板式換熱器 9儲液器 10液泵圖19 增加換熱器的一體式空調[88]Fig.19 Integrated air conditioner with added heat exchanger[88]

圖20 基于三介質換熱器的一體式空調[92]Fig.20 Integrated air conditioner based on three-fluid heat exchanger[92]

Wang Z等[95]提出了一種不依賴電磁閥的一體式熱管自然冷卻空調，如圖21所示。熱管回路有兩個循環通道，熱管工質可以通過室內側的中間換熱器與蒸氣壓縮制冷回路換熱冷凝，也可以進入室外風冷冷凝器冷凝。室外側2臺冷凝器共用風道。實驗數據顯示，對于北京、哈爾濱等寒冷地區，采用這一系統的機房PUE可以下降0.3左右。

圖21 采用兩個熱管循環通道的一體式空調[95]Fig.21 Integrated air conditioner with two heat pipe circulation passages[95]

4 結論

空氣側自然冷卻分為直接式空氣側自然冷卻和間接式空氣側自然冷卻，其中間接式占地面積和投資較大，自然冷卻時間有限，目前更多采用直接式空氣側自然冷卻。目前已有的研究表明直接式自然冷卻的節能效果比較理想，尤其是在空氣潔凈的地區。但直接式自然冷卻的應用要以室內污染物和濕度的合理控制為前提。

水側自然冷卻是大中型數據中心最為普遍的自然冷卻形式，并且方便在原有的普通冷水機組的基礎上改造。雖然其節能效果不如空氣側自然冷卻，但不會影響室內環境，是數據中心節能的有效手段。

熱管式自然冷卻與空氣側自然冷卻相比，不影響室內空氣質量和濕度；與水側自然冷卻相比，由于內部為相變傳熱，傳熱效果及自然冷源利用率更高。因此，熱管自然冷卻技術是最有潛力的數據機房自然冷卻方法之一。

機械制冷/回路熱管一體式空調，解決了單一熱管自然冷卻設備在炎熱季節無法滿足機房供冷的問題，無電磁閥并且可以實現蒸氣壓縮和熱管冷卻同時運行的一體式空調具有更好的應用前景。

本文受中科院國際合作項目(CAS-DOE, 1A1111KYSB20150014)資助。(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

簡介

邵雙全，男，博士，副研究員，中國科學院理化技術研究所，(010)82543433-8，E-mail：shaoshq@mail.ipc.ac.cn。研究方向： 高效熱濕環境控制、復雜制冷系統仿真、復合能源熱泵、數據中心與大功率電子器件冷卻、冷鏈技術和噪聲控制。