數(shù)據(jù)中心的核心計(jì)算機(jī)房是需要常年供冷的。在過渡季節(jié)和冬季，有很長一段時間室外環(huán)境溫度低于室內(nèi)機(jī)房溫度，通過相應(yīng)的技術(shù)手段直接或間接將室外低溫空氣引入建筑物內(nèi)將熱量帶走，以達(dá)到降溫的目的，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的自然冷卻。

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，服務(wù)器熱密度的不斷增大，數(shù)據(jù)中心的能耗在能源消耗中所占的比例不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)制冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的能耗高達(dá)40%，將自然冷卻技術(shù)引入到數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，可大幅降低制冷的能耗。

一、自然冷卻方案

自然冷卻技術(shù)方案根據(jù)應(yīng)用冷源的方式又可以分為直接自然冷卻和間接自然冷卻。

直接自然冷卻又稱為新風(fēng)自然冷卻，直接利用室外低溫冷風(fēng)作為冷源引入室內(nèi)，為數(shù)據(jù)中心提供免費(fèi)的冷量。新風(fēng)自然冷卻節(jié)能有很多的優(yōu)點(diǎn)：相對于間接自然冷卻，新風(fēng)自然冷卻無需冷液作為媒介，無需水泵及室外風(fēng)機(jī)的功耗，節(jié)能效果更佳顯著。

間接自然冷卻，利用循環(huán)液（水、制冷劑、乙二醇水溶液等）為媒介，用泵作為動力驅(qū)動循環(huán)液循環(huán)，將數(shù)據(jù)中心的熱量帶到室外。間接自然冷卻應(yīng)用解決方案主要有：

• 機(jī)房精密空調(diào)解決方案：帶有自然冷卻盤管的水冷型機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組 干冷器等配件（DX系統(tǒng)的自然冷卻技術(shù)在節(jié)能白皮書中）；

• 風(fēng)冷冷水機(jī)組解決方案：帶有自然冷卻盤管的風(fēng)冷冷水機(jī)組 冷凍水型機(jī)房精密空調(diào)；

• 水冷冷水機(jī)組解決方案：利用冷卻塔、板式換熱器 冷凍水型機(jī)房精密空調(diào)。

風(fēng)冷冷水機(jī)組的自然冷卻可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是整體式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組，通過在風(fēng)冷冷水主機(jī)冷凝器上增加自然冷卻水盤管，實(shí)現(xiàn)低環(huán)境溫度下的自然冷卻，此系統(tǒng)專一內(nèi)置Free cooling控制算法，三種制冷模式智能切換，完全無需人工干預(yù)。第二種是在水路系統(tǒng)上增加干冷器，實(shí)現(xiàn)冬季和過渡季節(jié)的節(jié)能運(yùn)行。第二種配置靈活但需額外配置干冷器和水泵及自控系統(tǒng)。

1、帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水系統(tǒng)

內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組工作原理:

內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組夏季工作模式

在夏季，機(jī)組運(yùn)行在壓縮機(jī)循環(huán)制冷模式，和常規(guī)風(fēng)冷冷水機(jī)組相同，完全由壓縮機(jī)循環(huán)制冷，此時自然冷卻盤管不工作，如圖所示。

內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組過渡季節(jié)工作模式

春秋過渡季節(jié)和晚上，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低2℃或以上時，開啟自然冷卻預(yù)冷冷凍水，此部分為自然冷卻制冷。自然冷卻不夠的部分，再由壓縮制冷接力（有壓縮機(jī)功耗）達(dá)到需求冷量，如圖所示。

內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組冬季工作模式

在冬季，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到比冷凍水供水溫度低8℃或以上時，自然冷卻運(yùn)行達(dá)到100%，壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)完全停止運(yùn)行，機(jī)組無壓縮機(jī)功耗，僅有很少量的風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)功率。如圖所示。

（1）內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組分類:

當(dāng)系統(tǒng)載冷劑為防凍液（如乙二醇）時，可將防凍液系統(tǒng)與自然冷卻盤管串聯(lián)，此時防凍液通過進(jìn)入自然冷卻盤與外界低溫空氣進(jìn)行熱交換。如圖所示。

內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組

（載冷劑與自然冷卻盤管串聯(lián)，直接進(jìn)行熱交換）

當(dāng)系統(tǒng)載冷劑為普通的水時，為防止自然冷卻盤管在極端低溫環(huán)境下凍裂，機(jī)組內(nèi)需增加一套換熱器，此時自然冷卻盤管通過外界低溫空氣制取低溫水，而系統(tǒng)冷凍水則通過換熱器與自然冷卻盤管的低溫水進(jìn)行熱交換。如圖所示。

內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組

（載冷劑通過換熱器與自然冷卻盤管進(jìn)行熱交換）

（2）內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組特點(diǎn):

• 隨著環(huán)境溫度的降低，自然冷卻的比例越來越大，機(jī)組的功耗越來越低，直至完全自然冷卻，僅有少量風(fēng)扇功耗，從而大幅降低機(jī)組用電量；

• 冬季壓縮機(jī)無需運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性；

• 春秋過渡季節(jié)和晚上，開啟自然冷卻預(yù)冷冷凍水，同時開啟壓縮機(jī)，由于自然冷卻盤管和機(jī)組原有冷凝盤管一體化設(shè)計(jì)，室外低溫空氣先經(jīng)過自然冷卻盤管，空氣溫度有所上升后再經(jīng)過機(jī)組原有冷凝盤管，熱交換效果受影響；

• 與外置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組相比，將冷卻盤管與冷凝器一體化設(shè)計(jì)，可使機(jī)組更加緊湊，從而節(jié)省占地面積；

• 與外置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組相比，內(nèi)置自然冷卻盤管式自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的自然冷卻和冷水機(jī)組運(yùn)行程序已經(jīng)全部由生產(chǎn)廠商在機(jī)組自身集成，無需另外進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，且程序成熟度高，控制成本低，可靠性高。

2、水冷冷水系統(tǒng)間接自然冷卻

（1）水冷冷水機(jī)組間接自然冷卻原理

水冷冷水主機(jī)本身無法利用室外自然冷卻節(jié)能，該系統(tǒng)的自然冷卻主要通過系統(tǒng)集成來實(shí)現(xiàn)的：在冷卻水與冷凍水之間增加換熱器，在室外溫度較低時，通過控制冷卻水部分或全部流向新增換熱器，直接利用低溫冷卻水冷卻冷凍水，以減少壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要注意冷卻水低溫防凍問題防止管路凍裂暴管。由于在系統(tǒng)級別上集成，設(shè)計(jì)方案及控制邏輯通常由設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，而設(shè)備由不同的廠家提供，控制程序由第三方提供，故需要充分考慮切換時的應(yīng)急方案避免風(fēng)險。其原理示意圖如圖所示：

水冷冷水機(jī)組的自然冷卻

（2）水冷冷水機(jī)組間接自然冷卻控制

該系統(tǒng)跟據(jù)室外溫度和負(fù)載，由集中控制平臺自動進(jìn)行運(yùn)行模式的切換，具體運(yùn)轉(zhuǎn)模式如下：

• 冷水機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行模式

當(dāng)室外溫度不滿足系統(tǒng)自然冷卻模式或混合模式運(yùn)行條件時，制冷系統(tǒng)將啟動冷水機(jī)組壓縮機(jī)制冷運(yùn)行，為數(shù)據(jù)中心提供冷源。按照負(fù)載需求，機(jī)組自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)制冷量輸出。

• 混合模式

當(dāng)室外溫度低于某設(shè)定溫度，或低于室內(nèi)設(shè)定溫度一定值時，制冷系統(tǒng)將進(jìn)入混合制冷模式。

此模式下壓縮機(jī)按照負(fù)荷需求調(diào)節(jié)制冷量輸出，自然冷卻換熱器提供的冷水繼續(xù)為機(jī)房空調(diào)提供冷源，為機(jī)房提供部分冷量?；旌夏Ｊ皆谌曛兴急壤^大，混合模式可以最大程度上減少壓縮機(jī)運(yùn)行的時間或減少壓縮機(jī)制冷輸出比例，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

• 自然冷卻模式

此模式下冷水機(jī)組壓縮機(jī)不工作。冷卻塔運(yùn)行，風(fēng)機(jī)根據(jù)需求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，水泵（冷凍水泵及冷卻水泵）持續(xù)運(yùn)行，冷凍水在自然冷卻換熱器與冷卻水交換熱量，冷凍水溫度降低，為室內(nèi)側(cè)精密空調(diào)提供冷源。室內(nèi)側(cè)精密空調(diào)，則按照智能備機(jī)管理模式運(yùn)行，根據(jù)機(jī)房負(fù)荷需求調(diào)節(jié)EC 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及冷液流量。

（3）水冷冷水機(jī)組間接自然冷卻優(yōu)勢

水冷冷水機(jī)組間接自然冷卻的應(yīng)用，具備以下優(yōu)勢：

• 環(huán)境適用性更好：由于無新風(fēng)制冷，間接自然冷卻對室外空氣的質(zhì)量要求降低，適用范圍更廣；

• 節(jié)能效果顯著：尤其是北方地區(qū)；

• 安裝、設(shè)計(jì)更加靈活方便：冷卻塔可放在屋頂或地面均可，應(yīng)用更加方便；

（4）冷卻塔的冬季運(yùn)行與配置

• 冷卻塔系統(tǒng)的冬季防凍和冷卻水溫控制，避免水溫過低影響水冷冷水機(jī)組的運(yùn)行安全;

• 水冷冷水機(jī)組需要考慮低溫冷卻水運(yùn)行的影響，需要采用滿足低溫冷卻水型機(jī)組;

• 為了冬季的更節(jié)能運(yùn)行，考慮到冷卻塔在冬季散熱能力的衰減，通常需要加大冷卻塔，和常規(guī)冷卻水系統(tǒng)相比相應(yīng)需要放大。

（5）水冷冷水機(jī)組應(yīng)用間接自然冷卻區(qū)域

• 間接自然冷卻適用于中國大部分區(qū)域;

• 間接自然冷卻對室外空氣要求降低，適合更復(fù)雜的安裝環(huán)境;

• 以應(yīng)用規(guī)模來講，水冷冷水機(jī)組自然冷卻系統(tǒng)適用于大規(guī)模及超大規(guī)模的數(shù)據(jù)機(jī)房。

自然冷卻技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)中心規(guī)模、所在地理位置、氣候條件、周圍環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)、實(shí)施成本等選擇自然冷卻方式。

三、變頻方案

數(shù)據(jù)中心在全年24小時不間斷運(yùn)行過程中，空調(diào)負(fù)荷及室外環(huán)境溫度都在不斷的變化，冷水機(jī)組將近99%的時間運(yùn)行在非額定工況，只有1%的時間運(yùn)行在額定工況。因此這給變頻系統(tǒng)創(chuàng)造了節(jié)能空間。數(shù)據(jù)中心在應(yīng)用變頻系統(tǒng)時，建議冷水機(jī)組及對應(yīng)的水泵和冷塔都可采用變頻控制（系統(tǒng)示意圖）。其中冷機(jī)變頻主要由空調(diào)負(fù)荷或室外環(huán)境溫度的變化實(shí)現(xiàn)節(jié)能；水泵變頻由水系統(tǒng)流量或揚(yáng)程的變化實(shí)現(xiàn)節(jié)能；冷卻塔風(fēng)扇變頻由空調(diào)負(fù)荷或室外環(huán)境溫度的變化實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

水冷冷水機(jī)組的自然冷卻

四、余熱回收

數(shù)據(jù)中心在全年運(yùn)行中，隨著服務(wù)器等相關(guān)設(shè)備的不間斷工作，將有大量的熱量排出?？照{(diào)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供冷源的同時，也是一個良好的熱源，通過余熱回收技術(shù)，可為數(shù)據(jù)中心或周邊建筑提供空調(diào)供熱或者生活熱水。

1、熱回收機(jī)組應(yīng)用

熱回收機(jī)組在結(jié)構(gòu)上比常規(guī)冷水機(jī)組增加了一個熱回收換熱器。夏天不需供熱時，熱回收機(jī)組開啟常規(guī)制冷模式，蒸發(fā)器出冷凍水供數(shù)據(jù)中心制冷，冷凝器排出的熱量通過冷卻塔散熱排向室外；冬天及過渡季節(jié)需要供熱時，熱回收機(jī)組開啟熱回收模式，此時蒸發(fā)器側(cè)水溫不變，機(jī)組的熱量優(yōu)先進(jìn)入熱回收冷凝器，滿足供熱需求。如果機(jī)組排熱超出系統(tǒng)供熱需求，可開啟冷卻塔輔助散熱。

水冷型冷熱源熱回收機(jī)組示意圖

風(fēng)冷型冷熱源熱回收機(jī)組示意圖

空氣源熱回收冷熱聯(lián)供示意圖

水地源熱回收冷熱聯(lián)供示意圖

由于是在機(jī)組內(nèi)部實(shí)現(xiàn)熱回收，系統(tǒng)大大簡化。冷熱聯(lián)供，12/7℃冷凍水和40/45℃熱水時，一個kW的輸入功率，能得到4kW供冷，同時得到5kW供熱。冷熱綜合能效比在9左右，總體效率顯著提升，基本是常規(guī)機(jī)組的雙倍能效。

2、熱回收機(jī)組優(yōu)點(diǎn)：

• 熱回收系統(tǒng)充分利用制冷系統(tǒng)的廢排熱，將系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量有效地利用起來，機(jī)組效率高，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況、熱回收加熱熱水到45℃時其冷熱綜合能效比在9左右，達(dá)到了綜合利用能源和節(jié)約高效使用能源的目的；

• 使用熱回收冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，可以取消或減少加熱器的配置；熱回收系統(tǒng)利用廢熱來加熱生活熱水、供暖或其它熱需求，基本上是免費(fèi)使用熱副產(chǎn)品，大大節(jié)省了相應(yīng)費(fèi)用。沒有燃燒，減少了二氧化碳等氣體排放；

• 熱回收冷熱聯(lián)供制冷機(jī)組在機(jī)組內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱回收冷熱聯(lián)供，提供的熱水溫度相對系統(tǒng)熱回收更高，熱水溫度能到60度左右，可替代大部分其他熱源；

• 熱回收冷熱聯(lián)供制冷機(jī)組與常規(guī)機(jī)組相比，在機(jī)組內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱回收冷熱聯(lián)供，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡便，使用維護(hù)更方便。

3、熱回收機(jī)組缺點(diǎn)：

• 熱回收機(jī)組在冬天需要運(yùn)行，此時無法開啟自然冷卻模式；

• 熱回收機(jī)組產(chǎn)生的熱量大于供熱需求時，需要開啟冷卻塔輔助散熱，此時系統(tǒng)控制較復(fù)雜；

• 因?yàn)橹评錂C(jī)組有一個最小循環(huán)水量的限制，對熱水進(jìn)行大溫升加熱時需要采用二級循環(huán)加熱，混水加熱，不能像鍋爐那樣一級直接加熱；

• 在夏季全部熱回收時，熱回收加熱的熱水比冷卻塔的冷卻水溫度高很多，選型需要考慮冷凝溫度升高后對制冷量的修正。

五、熱泵的應(yīng)用

數(shù)據(jù)中心可以利用冷凍水回水或者冷卻水回水作為低位熱源，利用熱泵機(jī)組進(jìn)行制熱，滿足供熱需求。夏天，熱泵機(jī)組可開啟制冷模式為辦公等區(qū)域提供冷量；冬天及過渡季節(jié)，熱泵機(jī)組可開啟制熱模式，為辦公等區(qū)域提供供熱。

熱泵系統(tǒng)示意圖

1、熱泵機(jī)組優(yōu)點(diǎn)：

• 熱泵機(jī)組單獨(dú)設(shè)置，系統(tǒng)靈活，控制簡單;

• 制熱模式下，熱水溫度控制更精準(zhǔn)，熱水溫度波動小;

• 利用熱泵機(jī)組取代了鍋爐，沒有燃燒，減少了二氧化碳等氣體排放。

2、熱泵機(jī)組缺點(diǎn)：

• 熱泵機(jī)組單獨(dú)設(shè)置，設(shè)備投資高;

• 熱泵機(jī)組管路切換較復(fù)雜，控制和運(yùn)維難度較大。

六、蓄冷

蓄冷方案在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用主要有兩個方面。一是保障數(shù)據(jù)中心的連續(xù)供冷，當(dāng)系統(tǒng)斷電或故障時，備用的柴油發(fā)電機(jī)組可以緊急啟動提供后備電力，從柴油發(fā)電機(jī)組啟動至穩(wěn)定供電的過程一般需要3分鐘。冷水機(jī)組在正常供冷過程中遇到停電故障時會進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)，在電力供應(yīng)恢復(fù)后，離心式冷水機(jī)組的壓縮機(jī)導(dǎo)葉先恢復(fù)至正常開機(jī)的初始狀態(tài)，再經(jīng)過冷水機(jī)組控制系統(tǒng)對冷水循環(huán)水泵、冷卻水循環(huán)水泵、冷卻塔等相關(guān)部件進(jìn)行巡檢，并確認(rèn)正常運(yùn)行后，冷水機(jī)組才能正常啟動，這段恢復(fù)冷水機(jī)組系統(tǒng)恢復(fù)正常供冷過程一般需要1～10分鐘不等。在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中為了能很好地解決這一安全隱患，在空調(diào)系統(tǒng)中可通過設(shè)置蓄冷設(shè)施，儲備備用冷量來解決這一問題。配置的蓄冷設(shè)施提供的持續(xù)供冷時間一般為10～15分鐘。通過蓄冷系統(tǒng)繼續(xù)提供冷量，保障數(shù)據(jù)中心能正常運(yùn)行；另一方面是利用峰谷電價差，在電價低時蓄冷，在電價高時，關(guān)閉或少開空調(diào)制冷系統(tǒng)，優(yōu)先使用蓄冷冷量，達(dá)到節(jié)省電費(fèi)的目的。目前數(shù)據(jù)中心內(nèi)主要應(yīng)用是前者，利用峰谷電價差的蓄冷在商用建筑有一些應(yīng)用，在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用很少，主要原因在于商用建筑晚間基本不需要制冷，同時晚間又是電價的谷底，所以可以利用低電價時段和此時閑置的制冷系統(tǒng)來制冷蓄冷，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。但數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷全天比較穩(wěn)定，晚間仍然需要冷量，所以如果要采用蓄冷，就需要比常規(guī)方案多配置一倍以上的制冷機(jī)組，蓄冷裝置占地也非常龐大，經(jīng)濟(jì)效益較差。需要說明的是，利用電價差來降低電費(fèi)的蓄冷方案，耗電量是比普通方案增加的，所以是節(jié)費(fèi)不節(jié)能的方案。

另外，數(shù)據(jù)中心的空調(diào)冷負(fù)荷主要為機(jī)房內(nèi)設(shè)備的散熱負(fù)荷，在一天24小時中變化較小，屬于一個穩(wěn)定負(fù)荷。水蓄冷系統(tǒng)的冷水溫度與原系統(tǒng)的空調(diào)冷水溫度相近，可考慮直接使用，不需設(shè)額外的設(shè)備對冷水溫度進(jìn)行調(diào)整；水蓄冷系統(tǒng)控制簡單，運(yùn)行安全可靠，在出現(xiàn)緊急狀況可及時投入使用，水蓄冷系統(tǒng)更能適合數(shù)據(jù)中心冷量備份的需求。

(本文節(jié)選自《數(shù)據(jù)中心冷源技術(shù)白皮書》)