数据中心自然冷却系统
张小琳 周峰 马国远
（北京工业大学环境与能源工程学院 北京100124）
摘要
针对数据中心的环境要求，提出降低数据中心空调能耗的诸多措施，总结并比较分析各种利用外界自然冷源对数据中心进行冷却降温的方案，计算分析我国5个典型城市全年应用自然冷却系统的时长，为选择合适的数据中心自然冷却方案提供依据。 关键词 数据中心 自然冷却 节能
FREE-COOLING SYSTEM APPLIED IN DATA CENTER
Zhang Xiaolin Zhou Feng Ma Guoyuan
(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, China, 100124)
Abstract The energy-saving measures were introduced for cooling data centers in which the indoor air quality was required strictly. Among all the equipment in a data center, the energy consumption of cooling system took a big share of whole energy consumption. In this paper, several free-cooling systems were analyzed and compared, which make full use of the ambient energy to cool data centers. The operation time of several free-cooling systems were calculated and analyzed for five typical cities in China in order to choose a suitable free-cooling management. Keywords data center free-cooling energy-saving
0前言
近些年来，数据中心数量增加，电子设备的功率趋势也逐年攀升，花费在新服务器和基站建设的费用成为一笔巨大的消耗，而维持数据中心的电力消耗也成为一笔不可忽视的费用,如图1所示。
影响节能的因素上存在设计缺陷，导致 PUE 值偏高。数据中心作为全年8760小时不间断使用电力的特殊场所，其能耗主要集中在服务器设备和制冷设备方面，图
2显示了数据中心的大致能耗分布[6]
,其中制冷系统的能耗占到了整个数据中心运行能耗的大约40%，意味着数据中心全年在空调制冷方面将投入巨大的能源和资金消耗。
图2 数据中心能耗分布[6]
2数据中心气流管理 2.1 机柜布置
随着服务器的小形化、高密度化以及刀片式服务器的产生，使服务器摆放的位置越来越不容管理者忽视。将功率设备和高密度服务器均分在每个机柜内，这样就会减少数据中心的热点和制冷难点，制冷设备的运行费用和采购费用也随之降低。
另外在现代数据中心的机柜布局中，将服务器机柜面对面或背对背的方式摆放，在机柜前设出风口，使之
形成“冷”通道和“热”通道[7]
。这样机柜之间的冷风和热风就不会混合在一起形成短路气流，将提高制冷效果。
在高功率密度数据中心，适当铺装活动地板和调节出风口的出风速度。增加静压在总压中的比例，使冷风在地板下均匀分布。再通过送风口上设置的风量调节阀，调节每个机柜前风口地板的通风面积和风速，从而达到机柜需求供给合适的风量，以此提高空调的效率。在数据中心地板的铺设时，尽量加大架空地板的高度，使地板风口出风更加均匀，提高精密空调制冷效率，同样有利于数据中心节能。架空地板有效净空高度应控制在高
度350-500mm 范围内[8]
。
2.2 气流分配
高热流密度数据中心的气流组织分配直接影响空调系统的制冷效果，目前常见的送风方式为架空地板送风和顶部送风方式。图3和4为两种常见的送风方式。机架正面进风，背面出风，两排机架的背面相对，形成热通
道。模拟研究表明，架空地板送风是较好的送风方式[9，
-11]
。针对架空地板送风，可在数据中心吊顶上安装回风口，并在热通道上方设置回风口。可以更有效地减少热
空气回流，使数据中心内上下温度平均。
图3
数据中心架空地板送风方式
图4 数据中心顶部送风
为阻绝冷热通道的热交换，还可以在冷/热通道上设置盲板。一方面保证冷空气限制在机架的入风口处；另一方面阻止热空气通过机架上方进入冷通道，形成短路，如图5所示[7]。
图5 架空地板送风盲板隔断冷/热通道混合
图6所示为服务器的进/出风口包围引流的风箱，实际使用中已经出现类似的装置，甚至会在风箱内装风扇来帮助机柜降温。
还有一种就是局部配置，以弥补高密度机柜的负荷要求。在临近机柜处安装蒸发器或者热交换器，如图7所示[7]。此装置也可以安装在机柜的进风处或者出风处辅助冷却数据中心空气，但为了防止冷凝水的出现，建议
安装在机柜的出风口处或顶部。
图
6 进/出风箱体包围机架
图7头顶换热器与地板送风联合
3自然冷却的应用
2009 年，我国数据中心总耗电量达364亿千瓦时，已经占到全社会用电量的1%[12]。为推动数据中心的节能减排，工业和信息化部在《工业节能“十二五”规划 》提出，“到2015年，数据中心PUE 值需下降8%”的目标。国家发改委等组织的“云计算示范工程”也要求示范工程建设的数据中心PUE 要达到1.5以下。对北方地区而言，一年中有四到六个月处于10-30℃，如果能利用自然冷源来降低数据中心温度，势必将节约大量能源并减少维护的工作量。
自然冷却指的是一个过程，即冬季及过渡季节，如果室外温度低于数据中心回风温度时，可利用室外自然冷源（空气或水），在不开启或部分开启压缩机的情况下，将数据中心温度降低到指定温度。夏季当室外温度较高，使用自然冷源无法满足冷却要求时，则开启压缩机进行制冷。自然冷却方式分为水侧冷却和空气侧冷却。
3.1空气侧自然冷却 3.1.1直接新风自然冷却系统
直接新风自然冷却系统，即当外界空气满足数据中心的温度要求时，直接引进外界满足温度条件的外界空气对数据中心进行冷却，此系统要求外界空气满足温湿度要求，因此需要添加过滤装置和加湿设备满足数据中心环境对湿度、洁净度及污染物浓度的要求。也可以考虑当环境温度过低或相对湿度过大或过小时，将数据中心回风与新风混合达到温度和湿度要求，增加自然冷却系统的使用时间[13]。但是直接新风自然冷却系统最大的缺点就是，需要增加严格的过滤设备，这给此系统的经济运行带来了最大的不足。
3.1.2间接新风自然冷却系统
系统加入换热器，就意味着不用直接引入外界空气，这就省去了过滤装置的使用。间接换热换热器类型主要有转轮换热器、板式换热器[14]和热管换热器[15]。这些换热器，换热效率较高，且不用考虑水系统的冬天防冻问题[16]，通常用在中小型的数据中心内，对于大型数据中心，此类换热器的安装要占据较大的建筑空间限制。 热管作为一种换热元件，其与数据中心空调机组的合理搭配，是数据中心冷却的一种重要趋势。目前已经出现热管和数据中心空调联合制冷系统[17]，分离式热管与蒸汽压缩式制冷技术有机融合，当室外温度较低时，机组进入热管模式，此时机组的能耗部件仅为蒸发器和冷凝器的风机。低于室内环境的室外温度下，蒸发器内的制冷剂将不断蒸发吸热，气态制冷剂上升至冷凝器中冷
凝放热成为冷凝液，并在重力作用下回流至蒸发器，完成一个热管循环。如此往复进行，机组便处于有效的热管供冷状态，通过热管自然循环将室内热量转移到室外环境。室内外温差越大，热管自然循环的制冷剂循环量越大，由室内向室外的散热量即热管供冷量越大。当室外温度较高或室内负荷过大时，热管模式的供冷量无法满足室内的降温要求，数据中心空调将通过组合阀门的切换至制冷模式。此技术运用于数据中心的最大优势即热管的无水运行，保证了数据中心的可靠性、安全性。
较脏的冷凝水对洁净的冷冻水造成污染。
3.2.2间接水冷自然冷却系统 1）闭式循环冷却塔系统
自然冷却中闭式冷却塔的应用很普遍。它解决了在开式系统中污染等的问题。夏季，冷却装置运行，来自冷却塔的冷凝水在冷凝器中闭式循环。冬季，当只有自然冷却运行时，来自冷却塔的水在冷冻水环路中闭式循3.1.3氟泵循环系统
氟泵循环系统即制冷剂直接蒸发系统，系统原理简单，由泵驱动制冷剂在蒸发器和冷凝器之间循环，制冷剂在室内蒸发器内蒸发吸热，实现室内的制冷要求，再进入冷凝器在室外换热，经过冷凝的制冷剂再回到蒸发器内循环吸热，整个过程的循环动力由泵驱动实现。已有学者[18]进行氟泵系统的实验，室内外温差在15℃时，已能满足系统的制冷要求，在10℃或以下，系统也均能正常运行。
3.2水侧自然冷却
3.2.1直接水冷自然冷却系统
直接水冷自然冷却系统当环境温度降到低于冷却系统中的水温，冷却机组不再使用。来自冷却塔的冷凝水
直接用于系统。
图8 直接水冷自然冷却系统
图8为系统图，此系统应用开式冷却塔，开式冷却塔应用于此系统的优势在于，所需冷冻水温度近似等于环境的湿球温度，自然冷却得到了最大的利用。过渡季节及夏季的晚上，当外界环境温度较低但又不能独立满足室内制冷能力要求时，也可以考虑将冷凝水与冷冻水串联，达到一定的预冷效果[19]。但是此系统的最大缺点是
环。闭式循环冷却塔自然冷却系统中，可以考虑冷却水回水在进入蒸发器之前经历冷却塔的预冷。这一应用减轻了冷却装置的负荷。提高了过渡季节系统的效率。水冷冷却塔冷却水可以通过设计达到湿球温度以上3-6℃。闭式循环冷却塔温度可以达到开式冷却塔以上2-3℃。理想条件下，增大冷却塔尺寸可以达到湿球温度；与此同时，投资费用也大大增加。
2）附加热交换器系统
应用独立热交换器的系统。冬季，冷冻水的热负荷由冷却塔中的水承担通过附加的热交换器实现而无需冷
却装置。
图9 附加热交换器系统
3.2.3 集成盘管系统
水冷系统中应用壳管式热交换器的系统叫做干式冷却系统。基本原理就是通过包含盘管的热交换器的帮助将系统中回水负荷转移给空气。工作原理为风盘吸入的空气通过翅片时冷却管内液体。使用这种方法，换热器外面是干的。这种情况下，诸如结垢，锈蚀这类问题不会发生。干式系统冬季应该采取措施以防结冰。干式冷却器所得水温取决于环境干球温度；可以产生的是大约高于环境干球温度5℃的水。当需要更低温的冷却水时，就需要湿式冷却器来完成。
湿式盘管系统和干式运行原理相同。区别在于系统有一个水喷雾器根据要求提供附加冷量。喷出的水造成入口气流的绝热冷却。当系统中液体必须冷却至低于室外环境温度时，水压喷雾器开启，喷雾使入口空气饱和，
温度降至低于环境温度。水喷雾系统中所用水应该经过除垢和过滤；否则累积在换热器上的石灰和沉淀物会降低换热能力，缩短换热器使用寿命。
使入口空气流饱和的水量随使用的喷雾器和喷水压力变化，选取时取决于环境空气的相对湿度；必须注意要确保加湿空气的质量和数量足以使得相对湿度尽可能接近100%。基于此，需要喷射出比完全蒸发所需更多的水，未蒸发水分仍以液态存在于环境中。目前出现的有直接水喷雾系统和网孔喷淋系统，如图10所示，此系统包括安装在特殊位置的喷嘴，喷射所需水量到位于干式冷却器前面的细网孔上[20]。通过喷射水在热交换器表面的绝热蒸发降低入口空气温度，提高冷却效率。因为水不是直接喷淋到热交换器表面，而是网孔表面，翅片表面就不会生苔。这样就避免了热交换器效率的下
降。此系统也省去了软化水的过程。
图10 网孔喷淋系统湿式冷却
环境温度低时，所有风盘最大速率运行达到设计能力是多余和浪费的。可以使风盘低速运行或者停止运行以节省电量。
4 自然冷源利用时间
为了充分利用环境冷源，才出现了以上所述的各种自然冷却系统，选择自然冷却系统的重要因素就是系统建立地区的环境条件。根据Dest 软件提供的北京地区及其他典型城市的全年温度值，我们计算了各系统装置在
各不同气候下的运行时间。
图11 北京地区全年温度分布
数据数据中心全年8760小时不间断运行。根据我国电信数据中心推荐温度上限，设定数据中心温度为25℃。根据北京地区及我国其他典型城市的全年温度，
我们计算了各个系统的运行时间。
表2 各系统全年运行时间
设定
启动启动全年运自然冷方案
温温温行时间却系统问题
度℃
差℃ 度℃ h 运行时直接25
>0
25
7298
83.31%
过滤设备，初投新风资大
间接25
5-10
15
4773
54.49%
换热器占据较大新风面积，效率问题 氟泵25
5-10
15
4773
54.49%
运行稳定性
循环直接25
10-20
15
4773
54.49%
冷冻水系统污染
水冷间接25
10-20
10
3633
41.47%
考虑冬季防冻问水冷题 集成25
10-20
10
3633
41.47%
换热效率
盘管
图12 典型城市各个自然冷却系统全年运行时间
通过以上计算，可以看出自然冷却系统针对我国大部分地区的气候特点，的确有很大的运行优势，尤其在北方城市，如哈尔滨、北京，至少有1/3以上的时间满足系统运行条件。其中直接新风系统，即使在温度最高的广州也至少5000h 的运行时间，其系统节能水平有较大的潜力。间接新风系统，除广州地区之外，其他地区全年均有1/3以上的运行时间。对于北京、哈尔滨这两个北方城市，全年有一半的时间可以运行水冷系统和氟泵循环系统。
5结论
本文主要介绍了利用自然冷源对数据中心进行冷却的系统，包括空气侧和水侧冷却。通过设定数据中心25℃的温度，分析计算了我国5个典型城市各系统利用自然冷源的运行时间，水冷系统以及氟泵循环系统在我国北方地区，如北京、哈尔滨全年至少1/3以上的时间可以运行。而空气侧冷却系统更是存在巨大的应用潜力。
自然冷却还处于发展阶段，为评价其可能优势，了解全年各季节典型时间温度变化范围发生频率是重要的。10）刘成，陈乐天，王颖.通信机房空调气流组织合理化研究.建筑热能通风空调，2010,29（5）：80-84.
同时，做花费和运行分析，比较所需冷却水温和环境温度对于做出一项投资决定也是至关重要的。系统的选择需要同时考虑系统的冷却能力、运行时段及冷却装置运行时间、投资及回收期、其他辅助设备对系统的影响以及电、水等在系统所在地区的花费。 致谢
本研究获得国家自然科学基金(51076003)，北京市教委科技成果转化和产业化重点项目（PXM2013_014204_07_ 000071）和北京市科技计划项目（Z[**************]）的资助。 参考文献
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