数据中心自然冷却分析

为数据中心中IT设
备耗电。
[3]
据统计，国外许多数据中心的 PUE 值大约为 2.0 ，
国际上先进数据中心的 PUE 可以达到 1.7，更高效的先
[4]
进数据中心甚至于达到 1.2 .而我国的 PUE 平均值则在
[5]
2.5 以上 。特别是中小规模的数据中心，PUE 值更高，
测量数值普遍在 3 左右。国内数据中心Байду номын сангаас前期规划及设
计时没有充分考虑节能问题，在数据中心选址、数据中
心装修、空调制冷、UPS（不间断供电电源）、照明等
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
[6]
2 显示了数据中心的大致能耗分布 ,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。
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。
[13]
统的使用时间 。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
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
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
[2]
下表 1 所示 。
国内外数据中心普遍接受和采用的一种衡量数据中
心 基 础 设 施 能 效 的 综 合 指 标 为 PUE （ Power Usage
Effectiveness，电能利用效率），其计算公式为：
P P U E = Total
P IT
（1）
其中，
P Total
为数据中心总耗电，
P IT
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
[7]
示 。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。
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。
级别
AA A B C
表 1 数据中心环境指标要求
干球温度 ℃
相对湿度 不结露
21-25 21-25 18-28 18-28
3.2 水侧自然冷却
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 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。
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
[19]
联，达到一定的预冷效果 。但是此系统的最大缺点是
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
[7]
形成“冷”通道和“热”通道 。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
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
[9，
道。模拟研究表明，架空地板送风是较好的送风方式
-11]
。针对架空地板送风，可在数据中心吊顶上安装回风
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
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
[8]
度 350-500mm 范围内 。
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
[7]
路，如图 5 所示 。
2.2 气流分配
3 自然冷却的应用
图 5 架空地板送风盲板隔断冷/热通道混合
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。
[6]
图 2 数据中心能耗分布
2 数据中心气流管理
图 3 数据中心架空地板送风方式
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。
[14]
[15]
有转轮换热器、板式换热器 和热管换热器 。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
[16]
题 ，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
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
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
[18]
有学者 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。
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。
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 9 附加热交换器系统
3.2.3 集成盘管系统
[17]
现热管和数据中心空调联合制冷系统 ，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。
40%-70% 40%-70% 40%-70% 40%-70%
1 数据中心能耗指标 PUE
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图 1 数据中心数量，电费，新服务器耗费趋势图
在数据中心，尘埃能够影响数据通信设备的运行，腐 蚀性气体可以很快的腐蚀金属薄膜，此外尘埃和其他污 染物积聚在需要排热的表面，也会减弱排热装置的工作 能力。因此，要保证电子设备的正常运行，对环境的温 度、湿度及其洁净度都有一定的要求。表 1 为国内电信 数据中心空调环境规范，将数据中心分为 4 级工况。如
2009 年，我国数据中心总耗电量达 364 亿千瓦时，
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已经占到全社会用电量的 1% 。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。
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
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)