數據中心自然冷源利用研究

何智光，李震，施峻，林燁敏，項敏

（1. 清華大學 航天航空學院，北京 100084；2. 河北清華發展研究院，廊坊 065000；3. 國網浙江省電力有限公司緊水灘水力發電廠，麗水 323000）

數據中心是一類特殊建筑，用于集中放置和管理各類IT設備以及配套設施，以實現對大量數據的存儲、運算、通信和網絡服務等功能，為不同需求的用戶提供實時高效的信息處理平臺。隨著信息技術的普及，整個社會對各類數據處理量和處理速度的需求與日劇增，伴隨著功能的擴展和用戶群體的擴大，信息機房的規模和容量不斷擴大。近年來隨著信息化和工業化融合指導思想的不斷深入，我國數據中心市場進入了高速發展期，2012年至2016年數據中心耗電量保持12%以上的速度增長，預計到2020年我國數據中心年耗電量將超過2000億度［1］。

數據中心的能耗構成主要由IT設備、空調系統、電源系統以及照明等其他用電等組成，其中IT設備和空調系統耗電量比例相當，共計約占到總能耗的90%（如圖1［2］所示）。空調系統能耗過高是數據中心能耗居高不下的重要因素，研究顯示全球數據中心的平均PUE（Power Usage Effectiveness）［3］約為2.0，而我國80%以上的數據中心PUE大于2.0，有的甚至高達3.0。

圖1 數據中心能耗構成

為了保證數據中心服務器的正常工作，其空調系統通常需要全年處于運行狀態。目前的數據中心一般采用機械制冷的方式對機房進行溫度控制，缺乏對于自然冷源的有效利用，本文將分別討論直接自然冷源利用技術、間接自然冷源利用技術以及復合冷源利用技術，比較三種不同自然冷源利用形式的優劣，并給出適用范圍。

1 數據中心空調系統特點

持續供冷和嚴格的熱環境標準對數據中心空調系統提出了特殊的要求。相比于其他類型建筑的空調系統，數據中心空調具備以下特點：

1. 運行時間長。數據中心IT設備發熱密度大，且連續運行，為了保證IT設備的正常使用，數據中心需要全年不間斷供冷。

2. 送風參數相對穩定。由于機房IT設備連續運行且發熱密度高，通過機房維護結構傳遞到室外的熱量相對較少，可以認為機房冷負荷全年基本不變；而IT設備要求的冷卻空氣參數區間相對固定，因此機房空調送風參數比較穩定。

3. 高顯熱潛熱比。由于數據中心機房人為活動的情況較少，機房空調的主要任務是將IT設備散發的顯熱排到室外，其顯熱負荷與潛熱負荷之比通常大于0.95。

4. 大風量小焓差模式。由于機房服務器發熱密度高，集中式送風冷卻方式為了避免送風溫度過低導致不必要的冷凝除濕，通常會減小送回風溫差，運行在大風量，小焓差模式下。

從數據中心空調系統的運行特點可以看出，由于機房需要全年不間斷供冷并且運行狀態相對穩定，在寒冷季節當室外溫度低于機房環境溫度時，通過合理利用室內外溫差換熱不但能滿足機房空調要求，還能減少冷機能耗，起到節能效果。

2 自然冷源利用

數據中心機房空調的任務是在一定的傳熱驅動溫差下，將IT設備散發的熱量從室內搬運到室外。在冬季和過渡季節室外溫度較低的情況下，機房室內外溫差就可形成傳熱驅動溫差，通過自然冷源設備可實現在不開冷機的情況下將機房散發的熱量傳遞到室外。

2.1 直接自然冷源利用技術

根據室外冷空氣的溫度高低，將室外冷空氣直接引入數據中心完全或部分替代空調送風稱為直接自然冷源利用技術，其系統示意圖如圖2［3］所示。直接自然冷源利用技術開啟與否取決于室外溫度與機房空調送回風溫度的關系：當室外溫度高于機房空調回風溫度時，直接冷源利用系統關閉，機房由空調系統完成供冷；當室外溫度低于機房空調回風溫度但高于機房空調送風溫度時，直接冷源利用系統與空調系統同時開啟，共同完成供冷；當室外溫度低于機房空調送風溫度時，直接冷源利用系統開啟，完全替代空調系統完成供冷。

圖2 直接自然冷源利用技術示意圖

由于直接自然冷源利用技術采用將室外冷空氣直接引入機房的方式進行機房制冷，因此為了滿足送風狀態達到機房服務器設備所要求的潔凈度和濕度要求，通常需要在引入前對室外新風進行吸附過濾、除塵和去腐蝕性氣體操作。并在送入機房之前進行濕度測試，并根據需要進行加濕或者除濕以使送風狀態達到IT設備要求的濕度范圍。

直接自然冷源利用技術設備相對簡單，且僅以空氣作為制冷載體，適用于缺水、室外空氣質量較好的地區。此外，直接自然冷源利用技術在小型通信基站的應用也較為廣泛。

2.2 間接自然冷源利用技術

將室外冷空氣和機房空調回風通過熱交換設備進行熱量交換實現機房制冷的方式稱為間接自然冷源利用技術。由于沒有直接引入室外空氣，該項技術能保證數據中心機房內部的氣流潔凈度和濕度在合適范圍內，同時能降低循環氣流的溫度，將熱量排到室外大氣。

間接自然冷源利用技術主要依靠室內外空氣的熱量交換實現自然冷源利用，因此如何高效地實現熱交換是間接自然冷源技術的關鍵。目前主要有兩種方式，空-空換熱器和熱管換熱模式。其中空-空換熱器因為換熱器的單位面積換熱量較小，往往設備體積較大，在實際安裝使用過程中存在較多困難。圖3為間壁式空-空換熱器的間接自然冷源利用示意圖［3］。

圖3 間接自然冷源利用技術示意圖

熱管換熱模式是近年來才發展起來的間接自然冷源利用技術，由于熱管本身具有極高的換熱性能，換熱器的體積可以大幅減小，設備更加緊湊，安裝也更加靈活。江億和李震等人［4-6］提出了一種基于分離式熱管的數據機房排熱系統，采用分離式熱管，除了保留普通熱管的高熱量傳遞能力外，還具有安裝靈活、能實現遠距離傳熱以及工質循環完全依靠重力，無需提供額外泵功等優點。如圖4所示，其工作原理為機房回風與低溫制冷劑換熱后達到送風條件送到機柜入口，完成室內氣體循環。低溫制冷劑在蒸發器內吸收機房回風的熱量蒸發成為氣態制冷劑，沿著上升管到在壓差作用下進入室外冷凝器，與室外冷空氣換熱重新冷凝成液態制冷劑，在重力作用下沿著下降管流回室內蒸發器，完成循環。在環境條件具備的情況下，通過利用室外自然冷源替代或部分替代精密空調制冷，可實現數據機房空調系統的節能。

圖4 分離式熱管排熱系統示意圖

2.3 復合冷源利用技術

目前數據中心的自然冷源利用系統通常與機械制冷獨立運行，根據室外環境溫度切換運行模式。當室外環境溫度足夠低時，開啟自然冷源利用系統關閉冷機，從機械制冷切換到自然冷卻。這種運行模式不僅需要配備兩套不同的換熱器、輸配系統和控制系統，而且操作復雜，不適合頻繁切換，只能在長時間低溫天氣下使用，減少了自然冷源的利用時長。加上受換熱器和輸配能耗的限制，很多自然冷源利用設備的供冷能力和調節能力有限，進一步限制自然冷源的利用時間。據統計［7］實際使用的全年自然冷源時間比理論時間少了近1/2，利用率低下。

如何將自然冷源與機械制冷有機結合，實現自由切換，是延長數據中心自然冷源利用時間的關鍵。復合冷源利用技術是將自然冷源與機械制冷結合起來的一種制冷技術，在保證兩套系統可以相互獨立運行、不產生相互干擾的基礎上實現自然冷源與機械制冷的自由切換。目前常見的該類復合冷源利用設備一般通過閥門實現兩套系統的切換，存在兩套系統不能同時運行或者換熱設備個數過多，成本和能耗過高等問題。此外閥門屬于易損部件，實際應用效果往往不佳，安全系數較低，運維成本較高。

清華大學李震、張曉彤等人［8］提出了新型熱管-蒸氣壓縮聯合循環系統，實現了無閥條件下的系統切換，并能在過渡季節實現兩套系統的雙循環運行。其系統原理圖如圖5所示。從室內蒸發器流出的氣態制冷劑可以部分流入空調冷凝器，部分流入熱管冷凝器，根據室內外溫差自動調節運行模式，可充分利用自然冷源。延長自然冷源利用時間。

圖5 熱管-蒸氣壓縮聯合循環系統

這種新型熱管-蒸汽壓縮聯合循環系統設備數量較少，系統較簡潔，它的主要優勢有：

1. 兩臺室外冷凝器共用一臺風機，降低輸配能耗；

2. 采用無閥的設計思路，系統可實現自動調節，無需額外增加控制系統，減少維護費用，增加運行安全性；

3. 可實現自然冷源、機械制冷以及復合制冷的無縫切換，更加充分利用自然冷源，節能效果顯著。

3 不同自然冷源利用形式的比較

三種形式的自然冷源利用技術在自然冷源的利用率上存在差異，直接自然冷源的降溫效果最好，但是由于受到的機房潔凈度和濕度要求的影響，適用范圍并不廣泛，只適用于對環境潔凈度要求較低的小型基站。此外可通過增加空氣處理裝置的方法擴大直接自然冷源的適用范圍，但投資規模將加大。間接自然冷源利用技術和復合冷源利用技術均能在保證數據中心機房潔凈度和濕度要求的前提下實現對自然冷源的利用。在自然冷源利用率上，復合冷源技術由于可自由切換自然冷源與機械制冷，延長了自然冷源利用時間，比間接自然冷源技術更好，且減少了設備數量、不必額外配置輸配系統和控制系統，投資和維護成本降低。因此復合冷源利用技術更加適合于新建數據中心，而間接自然冷源利用技術更適合于舊數據中心的節能改造，且熱管換熱模式由于空-空換熱器模式。三種不同形式的自然冷源比較見表1所示。

表1 不同自然冷源利用技術比較

4 總結

隨著信息技術的發展，數據中心在規模和數量上也與日俱增，其能耗量也逐步提高，數據中心正逐漸成為國民經濟的能用大戶。其中制冷系統能耗過高是數據中心能耗巨大的主要因素。自然冷源利用技術為數據中心制冷系統節能提供了一條思路。根據自然冷源利用的形式不同分為直接自然冷源利用技術、間接自然冷源利用技術和復合冷源利用技術。三種不同的自然冷源利用技術都能在一定程度上減少數據中心制冷系統能耗，達到20%～50%的節能率，具有極大的節能和應用前景。由于不同的自然冷源利用技術原理不同，使用時應根據數據中心地理位置和數據中心制冷要求合理選擇不同的自然冷源利用技術。