基于自然冷卻技術應用的數據中心空調系統節能分析

司智華 徐鳳富

摘要：隨著科技的不斷發展，互聯網、電子商務、物聯網的迅猛發展產生了海量的數據，作為數據存儲、交換的數據中心也成為不可缺少的基礎設施。數據中心往往需要面臨多臺電子設備、存儲設備的高速、長時間運行，電能的不完全轉化會使得數據中心溫度不斷上升，高溫對于設備的影響是十分明顯的，因此數據中心安裝空調系統已經成為常態，但空調系統的長時間運行所消耗的電量和成本也成為數據中心經濟效益提升的阻礙，本文將對自然冷卻技術進行分析，探討自然冷卻技術在數據中心空調節能方面的作用，為數據中心的進一步發展提供思路。

關鍵詞：自然冷卻技術;技術應用;數據中心;空調節能系統

科技的發展，使得數據技術不斷發展與進步，數據中心空調系統的節能設計需要數據技術的支持。自然冷卻技術是通過熱傳遞方式將數據中心向環境外排除熱量，以此來降低數據中心溫度，其優點是在過渡季節又或者是冬季，制冷技術能夠自動調換成免費的自然冷源，無需壓縮機運轉，進而實現了數據中心空調系統節能的設計目標。

1 數據中心空調系統的組成

數據中心空調系統主要是由三部分組成，分別是降溫系統、散熱系統以及制冷系統，能源消耗量較大的兩部分是制冷與散熱系統。降溫系統主要依靠水蒸發將設備運行中產生的熱量進行散除，干燥的北方地區濕度偏低，數據中心的空調散熱比較適合引用該系統，該系統的工作原理是利用冷卻塔與噴頭通過換熱效率散除熱量。散熱系統主要依靠設備運行產生的水量與風量，通過風機將熱量從設備內部輸送到外部環境，完成設備運行的散熱工作[1]。制冷系統是確保數據中心運行溫度正常的基礎性系統，主要是借助制冷劑的高、低壓形態通過冷水機組完成散熱工作。

2 數據中心空調系統節能分析之自然冷卻技術

2.1水側自然冷卻技術

水側自然冷卻技術的應用原理是在串聯電路中將板式換熱器連接在冷卻水系統及冷水之中，設計冷卻水的水溫在13℃--17℃范圍內。如若冷卻水系統水溫大于15℃，制冷系統將全面開啟制冷功能;如若冷卻水系統水溫在10℃--15℃范圍內時，自然冷卻技術將會發揮部分作用，使得系統開啟部分免費制冷功能;如若冷卻系統水溫小于10℃，冷水機組將會停止工作，自然冷卻技術完全發揮作用使得系統開啟全免費制冷功能。水側自然冷卻技術的應用能夠在一定的季節內減少空調壓縮機的運行時間，從而為制冷系統的運作節省了部分能源消耗。谷歌企業是使用水側自然冷卻技術的代表，其數據中心多半在沿海地區，使用海水做制冷能量。

2.2 風側自然冷卻技術

風側自然冷卻技術細分包括直接式、間接式以及蒸發式三種，其制冷原理是將外部環境的自然冷空氣輸送到混風機房當中，借助混風室進行室內外回風混合、過濾及加濕，之后傳輸到蒸發盤管進行待冷卻，最后輸送至機房發揮制冷作用，此冷空氣運輸環節在降低回風溫度的同時有利于空調系統實現節能減排的目標，該技術一般適合應用于天氣較為寒冷的地區，北方的冬天比較適合引用。黑龍江省哈爾濱市某企業的數據中心采用的是風側自然冷卻技術，該地區冬季空氣寒冷，數據中心機房值冬季一般是在1.25-1.30范圍內，非冬季機房值一般是在1.4-1.5之間，冷卻技術效率能夠獲得充分發揮[2]。

3 自然冷卻技術應用的數據中心空調系統節能分析

3.1 數據中心空調系統能源損耗分析

為響應國家節能減排的方針政策，各企業開始應用先進的科學技術對生產設備進行更新、升級，使得生產全過程環保又節能。數據中心屬于耗電集成體，全年不停歇的工作性質使其運轉需要消耗大量的能量與資源，并且會產生大量的廢氣污染物以及水污染，不利于企業環保事業的開展，更不利于國家青山、綠水的建設。數據中心是企業成本投資的重大項目，降低其對能源的消耗，有利于減少企業投資成本，使得企業獲得更多的凈營利潤[3]。在數據中心系統中，空調系統的能量消耗最多，大致可以占到總消耗量的90%以上，其他輔助設備能量消耗僅占10%以下。為此，進行空調系統節能設計是有必要的。

3.2 數據中心空調系統節能技術應用

數據中心的運作性質使得自然冷卻技術的應用勢在必行，借助自然冷卻技術有利于減少空調系統的能源消耗，空調系統的節能技術有很多種，如變頻技術、制冷回風技術、自然冷卻技術以及機房空調控制技術等，不同地區不同的使用環境，可以選擇相適應的技術型空調制冷系統，在環境惡劣，天氣多變的地區可以考慮選擇技術的綜合性應用，有利于縮短空調運行時間，降低空調運行的耗電量，延長空調系統的使用壽命[4]。自然冷卻技術在數據中心應用的節能效果顯著，利用環境中的自然冷空氣將系統內部熱量進行調換，實現空調系統的散熱功能，進而驅散數據中心工作時產生的大部分熱量。

3.3 自然冷卻節能技術應用的可行性

計算機技術的普遍應用，使得數據中心的技術操作要求更加嚴謹，設備運行的溫度、濕度都要控制在合理的范圍內，以便于提高數據中心運行的可靠性。合理控制數據中心的溫度及濕度，需要自然冷卻技術的支持，需要機房設備的安全運轉，通過調節空調系統確保數據設備正常運行[5]。北方冬季寒冷，空調系統中的壓縮機能夠將外部自然的冷空氣與內部熱量進行回調，減少空調系統的制冷運作時間，科學引用可再生的自然資源，有利于不可再生能源損耗的降低。

結束語：

數據中心運行需要自然冷卻技術的支持，空調系統的節能設計能夠保障無論是何種季節，何種室內外溫度差，空調都能發揮溫度調控功能平衡數據中心與環境間的溫度。信息技術時代，充分利用數據技術降低數據中心的能量消耗，響應國家政策實現節能減排運營模式，減少空調系統的耗電量，有利益企業運行成本的降低，響應國家發展的環保政策。

參考文獻：

[1]王飛. 自然冷卻技術應用于數據中心的方案分析[J]. 制冷與空調，2020，20（02）：25-30.

[2]陳廣闖，張軍. 數據中心自然冷卻技術研究綜述[J]. 建筑熱能通風空調，2020，39（07）：46-51.

[3]耿志超. 干燥地區數據中心間接蒸發自然冷卻空調系統的應用研究[D].西安工程大學，2018.

[4]任飛. 重慶某數據中心冷卻塔自然冷卻技術應用方案及其節能潛力研究[A]. 中國建筑學會建筑熱能動力分會.中國建筑學會建筑熱能動力分會第二十一屆學術交流大會論文集[C].中國建筑學會建筑熱能動力分會：，2019：5.

[5]劉宏宇. 基于輻射對流耦合高效換熱的節能新型數據中心機房空調系統研究[D].太原理工大學，2019.