自然冷却技术在数据中心的应用探讨

自然冷却技术在数据中心的应用探讨

摘要：将当前中央空调节能技术的应用背景作为基础，来分析兰州地区数据中心机房的自然冷却技术的应用，直接引入新风式节能系统相比较隔离式新风热交换系统，再结合兰州的室外气象条件以及数据中心机房的空调负荷情况来看，采用室外新风的方式为机房降温是可以实施的，并且将会带来较好的经济以及社会效益。

关键词：发展现状；自然冷却；可行性

1.数据中心节能技术的应用发展现状

1.1数据中心能耗现状

随着中国经济的快速发展，建设节能环保型社会成为发展进步的新方向，越来越多的企业也逐步承担起节能环保的社会责任。节能环保是各行各业必须要达到的目标。工业和信息化部门发布的我国工业节能在“十二五”阶段的四大约束性指标如下：单位工业增加值能耗、二氧化碳排放量和用水量分别要比“十一五”末降低18％、18％以上和30％，工业固体废物综合利用率要提高到72％左右。所以企业想要节能减排或者降低运营成本的重中之重就是数据中心要怎么节能降耗。

当前，数据中心的规模不断扩大，其设备运行的耗电量已经成为不断增加的重要成本。据调查，数据中心中空调、送风系统等机房环

境调节设备的耗电量占总用电量的45%以上；IT设备耗电量第二，基本占据了数据中心的30%的用电总量；UPS供电设备耗电量是18%，是第三位。而这三类数据中心的耗电大户，耗电总量加一起就占据了数据中心总电能的93%，而数据中心的IT设备仅消耗了总用电量的三成。因此，应该把机房制冷或者送风作为机房节能减排的主要方面，而辅助部分则是IT设备、UPS供电系统节能。

1.2数据中心节能技术应用背景

对于数据中心这类几乎全年都需要向外排热的特殊场所，全年运行空调能耗很大，目前国内存在以下几种节能手段：（1）变频技术；（2）机房空调机组自适应控制技术；（3）自然冷却技术；（4）合理设计及组织机房制冷的送回风系统、防止跑冒滴漏等节能措施。采用正确、合理的综合解决方案可以有效的减少空调的运行时间，在节约空调用电的同时延长空调的使用寿命，提高能源的利用率。保护环境，更大的减轻国家能源的供需压力。

众所周知，评价数据中心节能最重要的指标是PUE 值( Power Usage Effectiveness 电能利用效率)其公式如下:PUE= 机房总能耗/IT设备总能耗。目前，国外数据中心PUE值通常在1.2 ～1.8范围内，最先进的已达1.06,而国内机房PUE值多在2.0以上。而国外数据中心的PUE值之所非常低,和大量采用先进的节能技术有关,其中自然冷源冷却技术是重要的节能措施。自然冷源冷却技术是将室外的自然环境作为冷源，当室外空气温度低于室内空气温度且达到一定程度

时，通过通风将机房内的热量带走，达到降低机房内部温度的目的。

目前发展现状的研究表明，利用自然冷源实现数据中心空调节能越来越引起了广泛的关注，已有的研究成果仍然处在试验和探索阶段。利用自然界天然冷源来降低数据中心温度的方式已经受到高度重视。例如布莱恩特发着，它位于美国罗德岛，就利用该地区出现的冰雪天气来将数据中心的能耗降低，如果气温降低到寒冷的时候，该大学数据中心制冷系统就会自动利用室外的冷空气来降低冷却剂温度，而这种将室外天然冷源等免费资源加以利用是一种经济节能的方式。该大学称，这种方式制冷的数据中心机房，所消耗的电能比之前降低了20%~30%。

因此提高制冷效率、降低制冷系统能耗，使用外部冷源等方式制冷将成为今后机房制冷的主流。

2．数据中心节能降耗的可行性

2.1数据中心运行环境要求

随着计算机技术的快速发展，数据中心的建设越来越多，其运行环境的要求比较严格，主要体现在对温度、湿度和洁净度的控制，这些因素直接影响IT设备的运行可靠性和使用寿命。

通常数据中心的环境温度范围是21℃～27℃，湿度范围40%～60%，洁净度的要求为空气中的含尘小于50μg/m3。

为保证数据中心环境的温湿度和清洁度要求，需要合理的配备机房专用空调的设备，以保证机房设备安全可靠的运行。

2.2数据中心应用新风降温的可行性

数据中心机房内IT设备的发热量非常大，就需要精密空调产生冷气为其降温，精密空调的耗电量比较大，而在北方地区冬季室外却有丰富的自然冷源——冷空气。一方面，空调压缩机通过消耗能源制冷；另一方面，有效利用室外的自然冷源。如果能充分利用自然冷源给机房降温，将有效的降低能耗，节约能源。

由表1可以看出，兰州地区2012年气象资料。全年约有6个月的时间月平均最高温度低于15℃。假如可以使用自然冷却源来降低机房温度，将会缩短空调压缩机6个月的运行时间。这样的话不仅可以达到降低电能耗损的目的，还能延长空调寿命的，降低空调机的维修耗损，进而大大减少了空调的维护成本。由此可见，可以利用室外冷源来冷却兰州数据中心机房温度。

2.3 数据中心空调节能自然冷却方式

应用室外冷源进行机房降温，在技术实现上主要有直接引入新风式节能系统和隔离式空气换热器系统。隔离式又包括热管式换热器和板式换热器。三种不同新风冷却方式的性能比较（见表2）。

直接引入新风式节能系统是直接将室外新风送入机房内，当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，通过冷空气为室内降温。当室外温度低于室内温度，不足以带走室内热量时，则仍然需要开启空调工作。

兰州地区的大气污染比较严重，可吸入颗粒物PM2.5严重超标，当送风温度低于机房空气的露点温度，需对室外空气经行加热；冬季兰州地区的空气比较干燥，需对室外空气进行加湿；这将需要一定的设备投资，而加热和加湿都要消耗电能，就会抵消因自然冷却而得到的成本节约。因此，建议不选用直接引入新风式节能系统。根据以上功能分析比较，扳式换热器应为首要考虑的设备。

热交换器在完全隔离内部、外部空气的前提下，利用外界冷源，对内部环境进行冷却，达到减少空调运行时间以实现节能的目的。两组风机分别抽吸外部的冷空气(外循环)和内部的热空气(内循环)，冷、热空气在热交换芯体中进行热量交换，通过热交换芯体膜片，内部热空气放出热量，温度降低。由于机房保持密闭，还能保证室内空气洁净度不下降。

3.结论

数据中心机房发热量较大，为了保证机房环境，空调设备需全年运行，耗电量大。气象数据分析表明，兰州地区全年有五个月最高平均气温低于15℃，可充分利用室外空气作为自然冷源来满足机房降