据能源圈了解到，

摘要：数据中心的高能耗和碳排放对环境造成了巨大影响，降低数据中心能耗是实现国家碳中和战略的客观要求，充分利用室外自然冷源是降低数据中心能耗的有效途径。旨在分析数据中心空调系统主流自然冷却技术特点及应用条件，阐明自然冷源对于降低数据中心能耗、实现节能的重要性。

关键词：数据中心；空调系统；自然冷源；自然冷却技术；蒸发冷却

随着互联网的全面普及，在大数据、云计算、5G通信、物联网、人工智能等新兴产业快速发展的推动下，国家经济政策将数据中心建设纳入新基建范畴。截至2021年底，中国在用数据中心机架规模达到5.20106架，数据中心耗电量占全社会发电量的2%以上。随着数据中心的大发展，其总耗电量及耗电占比还将不断增大。数据中心占有大量电力资源和实际耗电量巨大的特点催生出对数据中心的绿色化要求，数据中心的节能俨然被提升到一个新高度。

1 数据中心节能技术

数据中心能耗主要来源于IT设备和空调制冷设备，两者能耗之和超过了数据中心总能耗的85%。在采用传统制冷方式的数据中心中，空调制冷系统能耗占整个数据中心总能耗的30%～45%。

国家政策及规范对数据中心PUE(Power Usage Effectiveness，电源使用效率）值要求愈加严格，新建大型及超大型数据中心都必须按照PUE1.3进行设计。PUE是数据中心总耗电量与IT设备耗电量之比。其中，总耗电量是IT设备耗电量、空调制冷系统耗电量、供配电系统耗电量、照明及其他耗电量之和。空调制冷系统耗电量是PUE值的主要可变量，实现空调制冷系统节能是降低PUE值最主要的途径。

主流数据中心空调制冷系统节能措施主要有以下几点：

1）普遍采用水冷式冷水机组，比风冷式冷水机组能效比高；

2）利用自然冷源，电制冷机组低负荷运行甚至不运行，从而降低甚至无冷机电耗；

3）采用高能效制冷机组，包括磁悬浮制冷机组、变频制冷机组，降低冷机电耗；

4）提高冷冻水供回水温度，延长自然冷源利用时间，提高冷机能效比；

5）水泵变频，采用变流量系统，降低水泵电耗；

6）冷却塔风机变频，降低冷却塔电耗；

7）末端精密空调采用EC(Electrical Commutation，电子换相电机）风机，降低风机电耗；

8）冷热通道封闭，避免冷热空气混合。

目前，数据中心空调制冷系统基本呈现同质化现象，除自然冷源利用时间因建设地点气候环境不同而有较大差异外，其他节能措施基本上为标准配置。制冷机组电耗占整个空调制冷系统电耗的70%以上，因此利用自然冷源缩短制冷机组开启时间是降低空调制冷能耗最直接、有效的技术手段。自然冷却技术在设计规范中多次被重点提出，自然冷源的应用对于降低空调系统能耗、实现空调系统节能的重要性不言而喻。自然冷却技术主要包括水侧自然冷却技术、风侧自然冷却技术和氟侧自然冷却技术。

2 水侧自然冷源的应用

水侧自然冷却系统包括直接水侧自然冷却系统2和间接水侧自然冷却系统。直接水侧自然冷却系统直接利用低温的湖水、海水等自然水源对数据中心进行冷却；而间接水侧自然冷却系统是在自然冷源（包括自然冷风和自然冷水源）与机房高温回水之间增加风水或水水换热器实现热交换，冷却机房的高温回水以实现机房制冷。间接水侧自然冷却系统最常见的应用体现在水冷空调系统中，在冷水机组旁并联设置自然冷却板式换热器，冷却水和冷冻水先分别进入板式换热器，后进入冷水机组。有完全自然冷源使用条件时，仅板式换热器运行；部分自然冷源可用时，先板式换热器预冷，后冷水机组补冷；无自然冷源时，板式换热器脱离系统，仅冷水机组运行。

冷冻水温度不同，自然冷源可利用时间也不同。根据各地全年气象信息统计和对已建成运营数据中心的调研，现举例介绍以下3种不同工况的自然冷源资源量对比情况。

1）冷冻水供回水温度12℃/18℃。全国除海口、广州、福州、南宁、重庆以外，其余城市自然冷源利用时间均超过4个月，北京达到6.5个月，乌鲁木齐、呼和浩特、哈尔滨达到或超过8个月。

2）冷冻水供回水温度15℃/21℃。全国除海口、广州、福州、南宁、重庆以外，其余城市自然冷源利用时间均超过5个月，北京达到7.5个月，乌鲁木齐、呼和浩特、哈尔滨达到或超过9个月，重庆超过4.4个月，福州达到3.5个月。

3）冷冻水供回水温度18℃/24℃。全国除海口、广州、福州、南宁、重庆以外，其余城市自然冷源利用时间均超过6个月，北京达到8.5个月，乌鲁木齐、呼和浩特、哈尔滨达到或超过10个月，其中乌鲁木齐达到11个月，重庆、福州超过5个月，广州接近4个月，南宁达到3.5个月。

可见，全国绝大部分城市均有大量自然冷源利用时间，而提高冷冻水供回水温度可大幅度延长自然冷源利用时间。实践表明，水冷空调系统增加自然冷却板式换热器，仅能部分利用自然冷源，自然冷源利用率普遍较低。全国范围内总体看，自然冷源利用率仅有40%～50%。

造成水冷空调系统自然冷源利用率不高的主要原因如下。

1）客观气候原因。因气温波动，湿球温度也随之上下波动，导致完全自然冷源与部分自然冷源交替出现。例如根据对武汉全年8760h湿球温度的分解，在冷冻水供回水温度12℃/18℃时，完全自然冷源与部分自然冷源交替150多次，而其中连续24h以上完全自然冷源的次数只有10次，其余为几个小时、十几个小时的碎片。

2）制冷主机设备原因。当完全自然冷源过渡到部分自然冷源时，需要启动冷水机组补冷。此时系统为板式换热器与冷水机组串联运行。冷却水进主机冷凝器温度为16℃，冷冻水出蒸发器设定温度为12℃，两者之间温差仅4℃，温差小，主流品牌的冷水机组均无法正常启动。需要采取变流量等技术进行调节，但由于对自控要求高、风险大，一般实际运行很少采用。其次，冷水机组补冷量低于20%以下时，易发生喘振。

3）人员因素。从安全稳定运行出发，运维人员不太愿意冒险去不断地切换或启停冷机。

3 风侧自然冷源的应用

风侧自然冷却是一种利用室外低温空气对数据中心进行冷却的技术，适用于环境空气质量好、气候凉爽的地区，在中国大部分严寒地区、寒冷地区及部分夏热冬冷地区、温和地区适用。该技术主要分为直接新风自然冷却、间接新风自然冷却、蒸发冷却。

3.1 直接新风自然冷却技术

直接新风自然冷却技术，即当室外环境空气满足数据中心的温度要求时，直接引进满足温度条件的外部环境空气对数据中心进行冷却。考虑到数据中心对湿度、洁净度的要求，系统除了要求室外空气满足温度要求，还需要添加加湿、除湿和过滤装置实现对送风湿度及洁净度的控制。该技术的工作原理是直接利用室外低温新风给数据中心机房降温，减少了换热流程，整个送风过程中间没有换热环节，因此它是自然冷却技术中效率最高、全年自然冷却时间最长的技术。

直接新风自然冷却技术虽然具有诸多优势，但也存在一些限制因素：

1）一些地区空气污染比较严重，而数据中心机房对空气洁净度要求较高，因此必须对直接引入的新风进行除硫、除尘和过滤净化，这增加了运维成本；

2）直接引入新风会引入新的湿负荷，需要对新风的湿度进行控制，这也增加了系统的复杂性和运行成本。因此，在数据中心的实际工程项目中极少采用直接新风自然冷却方案。

3.2 间接新风自然冷却技术

间接新风自然冷却技术是在室外低温空气与机房内高温回风之间增加空气换热器实现热交换，通过冷却机房内高温回风实现机房制冷。间接新风自然冷却过程中，机房内的冷却循环风与室外新风仅进行热交换，不进行质交换，室外新风不会直接进入机房。间接新风自然冷却技术对室外空气质量要求降低，适用范围更广，且能有效杜绝室外新风直接进入机房所带来的风险，利用自然冷源的时间也有可能多于直接新风自然冷却技术。同时，间接新风自然冷却技术在节能效果、安装设计灵活性、快速启动等方面也具有优势。

间接新风自然冷却技术虽然在很多方面具有优势，但也存在一些不足。由于增加了热交换环节，相比直接新风自然冷却技术，其换热效率可能会有所降低，可利用的室外新风温度要求更低，这反而缩短了自然冷源可利用时间。而且在某些情况下，为保证热交换效果，可能需要更复杂的设备和控制系统，这也会提高成本和维护难度。此外，虽然间接新风自然冷却技术对室外空气质量要求降低，但在一些污染较为严重的地区，仍需对空气进行一定程度的过滤和处理，以确保空气热交换器的正常运行和机房内的空气质量。

3.3 蒸发冷却技术

蒸发冷却技术利用水蒸发吸热的物理现象，使外界环境空气温度降低至更低的湿球温度，从而实现无压缩机制冷，延长自然冷源利用时间。

3.3.1 利用蒸发冷却技术制备冷风

利用直接或间接蒸发冷却技术实现制冷的空气处理设备，通常分为3种类型：直接蒸发冷却空调机组、间接蒸发冷却空调机组和露点间接蒸发冷却空调机组。蒸发冷却空调机组的冷却性能一般与环境空气的湿球温度、干湿球温度差，换热芯体的换热面积，换热芯体中干通道与湿通道之间的气流配置以及空气流量比等因素有关。

蒸发冷却空调机组适合在环境空气具有较低湿球温度和较大干湿球温度差的地区使用，如中国西北干燥地区。直接蒸发冷却空调机组在数据中心自然冷却系统中应用时，通常需要与机房精密空调或冷水机组联合使用，互为备份，以保障数据中心冷却系统的连续可靠运行。间接蒸发冷却空调机组在数据中心自然冷却系统中应用时，一般与直接膨胀式制冷单元联合使用，当机房热回风由间接蒸发冷却换热单元冷却处理后未能达到机房送风要求时，则需要利用直接膨胀式制冷单元对机房回风进行补充制冷。

3.3.2 利用蒸发冷却技术制备冷水

利用直接蒸发冷却制备冷水就是人们所熟悉的利用冷却塔制备冷水，通过冷水对机房回风降温。利用冷却塔制备冷水的极限温度为室外空气的湿球温度，当湿球温度和露点温度相差较大时，即室外空气的相对湿度较低时，其相比间接蒸发冷却制备冷水的方式出水温度高、自然冷却时间短，并不占优势。

利用间接蒸发冷却技术可制备接近室外露点温度的冷水，在空气和水直接接触进行直接蒸发冷却之前先对空气进行等湿降温，从而降低空气的湿球温度，制备低于室外湿球温度、极限为室外露点温度的冷源。相比直接蒸发冷却技术，间接蒸发冷却技术能进一步延长自然冷却时间。而在大型数据中心应用间接蒸发冷却技术，核心是利用间接蒸发冷却制备冷水，在干燥地区替代电制冷机作为数据中心冷却系统的独立冷源，或者在夏季湿度高一些的地区在过渡季和冬季替代电制冷机实现数据中心的自然冷却。

4 氟侧自然冷源的应用

氟侧自然冷却节能技术利用室外低温空气冷却室内高温氟利昂冷媒实现制冷。

1）动力型氟侧自然冷却节能技术是在氟利昂冷媒系统管道中增加氟泵循环动力，以增加室外自然冷源的利用时长，不受室内外机之间距离和高度差限制，拓宽了应用范围。

2）重力型氟侧自然冷却节能技术纯粹利用氟利昂冷媒物理性质变化产生的自然循环动力进行循环，循环动力偏小，冷媒流量偏小，室外气温必须低到由冷媒物理性质变化产生的循环动力能克服管道阻力后才能正常循环供冷。其对室外低温的要求较高，室外低温空气利用时间短；对室内外机之间的距离、高差及管道安装阻力有很多要求；由于冷媒循环量少，能利用的室外冷量也偏少。

目前，氟侧自然冷源比较主流的节能设备是氟泵多联式自然冷却系统。该系统采用一次循环，室内末端与散热冷源直接连接，无中间换热环节，降低室外温度要求，实现超长自然冷却时间，采用氟泵及小压比气泵，利用逆卡诺循环，建立全冷媒过程，实现热管高效换热。以广东省一大数据中心项目为例，其应用氟泵多联式自然冷却系统，CLF(Cooling Load Factor，冷却负载因子）低至0.15，节能效果明显。

5 结束语

充分利用室外自然冷源，减少使用机械制冷，是降低数据中心空调制冷系统能耗最有效的技术手段，也是空调制冷系统节能的主要趋势。自然冷源的充分利用主要从3个方面实现：

1）全面考虑当地气候、空气品质、水源、初投资等因素，合理选择自然冷源；

2）优化设计制冷架构，除了冬季外，在过渡季实现自然冷源与机械制冷的叠加使用，大幅延长全年自然冷源的使用时间；

3）通过优选制冷设备，实现更小的传热温差，从而更高效地利用自然冷源。