數(shù)據(jù)中心自然冷源利用研究

何智光，李震，施峻，林燁敏，項(xiàng)敏

（1. 清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084；2. 河北清華發(fā)展研究院，廊坊 065000；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，麗水 323000）

數(shù)據(jù)中心是一類(lèi)特殊建筑，用于集中放置和管理各類(lèi)IT設(shè)備以及配套設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能，為不同需求的用戶(hù)提供實(shí)時(shí)高效的信息處理平臺(tái)。隨著信息技術(shù)的普及，整個(gè)社會(huì)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)處理量和處理速度的需求與日劇增，伴隨著功能的擴(kuò)展和用戶(hù)群體的擴(kuò)大，信息機(jī)房的規(guī)模和容量不斷擴(kuò)大。近年來(lái)隨著信息化和工業(yè)化融合指導(dǎo)思想的不斷深入，我國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)進(jìn)入了高速發(fā)展期，2012年至2016年數(shù)據(jù)中心耗電量保持12%以上的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)數(shù)據(jù)中心年耗電量將超過(guò)2000億度［1］。

數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成主要由IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及照明等其他用電等組成，其中IT設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)耗電量比例相當(dāng)，共計(jì)約占到總能耗的90%（如圖1［2］所示）?？照{(diào)系統(tǒng)能耗過(guò)高是數(shù)據(jù)中心能耗居高不下的重要因素，研究顯示全球數(shù)據(jù)中心的平均PUE（Power Usage Effectiveness）［3］約為2.0，而我國(guó)80%以上的數(shù)據(jù)中心PUE大于2.0，有的甚至高達(dá)3.0。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成

為了保證數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的正常工作，其空調(diào)系統(tǒng)通常需要全年處于運(yùn)行狀態(tài)。目前的數(shù)據(jù)中心一般采用機(jī)械制冷的方式對(duì)機(jī)房進(jìn)行溫度控制，缺乏對(duì)于自然冷源的有效利用，本文將分別討論直接自然冷源利用技術(shù)、間接自然冷源利用技術(shù)以及復(fù)合冷源利用技術(shù)，比較三種不同自然冷源利用形式的優(yōu)劣，并給出適用范圍。

1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)

持續(xù)供冷和嚴(yán)格的熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)提出了特殊的要求。相比于其他類(lèi)型建筑的空調(diào)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心空調(diào)具備以下特點(diǎn)：

1. 運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備發(fā)熱密度大，且連續(xù)運(yùn)行，為了保證IT設(shè)備的正常使用，數(shù)據(jù)中心需要全年不間斷供冷。

2. 送風(fēng)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。由于機(jī)房IT設(shè)備連續(xù)運(yùn)行且發(fā)熱密度高，通過(guò)機(jī)房維護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞到室外的熱量相對(duì)較少，可以認(rèn)為機(jī)房冷負(fù)荷全年基本不變；而IT設(shè)備要求的冷卻空氣參數(shù)區(qū)間相對(duì)固定，因此機(jī)房空調(diào)送風(fēng)參數(shù)比較穩(wěn)定。

3. 高顯熱潛熱比。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房人為活動(dòng)的情況較少，機(jī)房空調(diào)的主要任務(wù)是將IT設(shè)備散發(fā)的顯熱排到室外，其顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)荷之比通常大于0.95。

4. 大風(fēng)量小焓差模式。由于機(jī)房服務(wù)器發(fā)熱密度高，集中式送風(fēng)冷卻方式為了避免送風(fēng)溫度過(guò)低導(dǎo)致不必要的冷凝除濕，通常會(huì)減小送回風(fēng)溫差，運(yùn)行在大風(fēng)量，小焓差模式下。

從數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)可以看出，由于機(jī)房需要全年不間斷供冷并且運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，在寒冷季節(jié)當(dāng)室外溫度低于機(jī)房環(huán)境溫度時(shí)，通過(guò)合理利用室內(nèi)外溫差換熱不但能滿(mǎn)足機(jī)房空調(diào)要求，還能減少冷機(jī)能耗，起到節(jié)能效果。

2 自然冷源利用

數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)的任務(wù)是在一定的傳熱驅(qū)動(dòng)溫差下，將IT設(shè)備散發(fā)的熱量從室內(nèi)搬運(yùn)到室外。在冬季和過(guò)渡季節(jié)室外溫度較低的情況下，機(jī)房室內(nèi)外溫差就可形成傳熱驅(qū)動(dòng)溫差，通過(guò)自然冷源設(shè)備可實(shí)現(xiàn)在不開(kāi)冷機(jī)的情況下將機(jī)房散發(fā)的熱量傳遞到室外。

2.1 直接自然冷源利用技術(shù)

根據(jù)室外冷空氣的溫度高低，將室外冷空氣直接引入數(shù)據(jù)中心完全或部分替代空調(diào)送風(fēng)稱(chēng)為直接自然冷源利用技術(shù)，其系統(tǒng)示意圖如圖2［3］所示。直接自然冷源利用技術(shù)開(kāi)啟與否取決于室外溫度與機(jī)房空調(diào)送回風(fēng)溫度的關(guān)系：當(dāng)室外溫度高于機(jī)房空調(diào)回風(fēng)溫度時(shí)，直接冷源利用系統(tǒng)關(guān)閉，機(jī)房由空調(diào)系統(tǒng)完成供冷；當(dāng)室外溫度低于機(jī)房空調(diào)回風(fēng)溫度但高于機(jī)房空調(diào)送風(fēng)溫度時(shí)，直接冷源利用系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)啟，共同完成供冷；當(dāng)室外溫度低于機(jī)房空調(diào)送風(fēng)溫度時(shí)，直接冷源利用系統(tǒng)開(kāi)啟，完全替代空調(diào)系統(tǒng)完成供冷。

圖2 直接自然冷源利用技術(shù)示意圖

由于直接自然冷源利用技術(shù)采用將室外冷空氣直接引入機(jī)房的方式進(jìn)行機(jī)房制冷，因此為了滿(mǎn)足送風(fēng)狀態(tài)達(dá)到機(jī)房服務(wù)器設(shè)備所要求的潔凈度和濕度要求，通常需要在引入前對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行吸附過(guò)濾、除塵和去腐蝕性氣體操作。并在送入機(jī)房之前進(jìn)行濕度測(cè)試，并根據(jù)需要進(jìn)行加濕或者除濕以使送風(fēng)狀態(tài)達(dá)到IT設(shè)備要求的濕度范圍。

直接自然冷源利用技術(shù)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，且僅以空氣作為制冷載體，適用于缺水、室外空氣質(zhì)量較好的地區(qū)。此外，直接自然冷源利用技術(shù)在小型通信基站的應(yīng)用也較為廣泛。

2.2 間接自然冷源利用技術(shù)

將室外冷空氣和機(jī)房空調(diào)回風(fēng)通過(guò)熱交換設(shè)備進(jìn)行熱量交換實(shí)現(xiàn)機(jī)房制冷的方式稱(chēng)為間接自然冷源利用技術(shù)。由于沒(méi)有直接引入室外空氣，該項(xiàng)技術(shù)能保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)部的氣流潔凈度和濕度在合適范圍內(nèi)，同時(shí)能降低循環(huán)氣流的溫度，將熱量排到室外大氣。

間接自然冷源利用技術(shù)主要依靠室內(nèi)外空氣的熱量交換實(shí)現(xiàn)自然冷源利用，因此如何高效地實(shí)現(xiàn)熱交換是間接自然冷源技術(shù)的關(guān)鍵。目前主要有兩種方式，空-空換熱器和熱管換熱模式。其中空-空換熱器因?yàn)閾Q熱器的單位面積換熱量較小，往往設(shè)備體積較大，在實(shí)際安裝使用過(guò)程中存在較多困難。圖3為間壁式空-空換熱器的間接自然冷源利用示意圖［3］。

圖3 間接自然冷源利用技術(shù)示意圖

熱管換熱模式是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的間接自然冷源利用技術(shù)，由于熱管本身具有極高的換熱性能，換熱器的體積可以大幅減小，設(shè)備更加緊湊，安裝也更加靈活。江億和李震等人［4-6］提出了一種基于分離式熱管的數(shù)據(jù)機(jī)房排熱系統(tǒng)，采用分離式熱管，除了保留普通熱管的高熱量傳遞能力外，還具有安裝靈活、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱以及工質(zhì)循環(huán)完全依靠重力，無(wú)需提供額外泵功等優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，其工作原理為機(jī)房回風(fēng)與低溫制冷劑換熱后達(dá)到送風(fēng)條件送到機(jī)柜入口，完成室內(nèi)氣體循環(huán)。低溫制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收機(jī)房回風(fēng)的熱量蒸發(fā)成為氣態(tài)制冷劑，沿著上升管到在壓差作用下進(jìn)入室外冷凝器，與室外冷空氣換熱重新冷凝成液態(tài)制冷劑，在重力作用下沿著下降管流回室內(nèi)蒸發(fā)器，完成循環(huán)。在環(huán)境條件具備的情況下，通過(guò)利用室外自然冷源替代或部分替代精密空調(diào)制冷，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。

圖4 分離式熱管排熱系統(tǒng)示意圖

2.3 復(fù)合冷源利用技術(shù)

目前數(shù)據(jù)中心的自然冷源利用系統(tǒng)通常與機(jī)械制冷獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)室外環(huán)境溫度切換運(yùn)行模式。當(dāng)室外環(huán)境溫度足夠低時(shí)，開(kāi)啟自然冷源利用系統(tǒng)關(guān)閉冷機(jī)，從機(jī)械制冷切換到自然冷卻。這種運(yùn)行模式不僅需要配備兩套不同的換熱器、輸配系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，而且操作復(fù)雜，不適合頻繁切換，只能在長(zhǎng)時(shí)間低溫天氣下使用，減少了自然冷源的利用時(shí)長(zhǎng)。加上受換熱器和輸配能耗的限制，很多自然冷源利用設(shè)備的供冷能力和調(diào)節(jié)能力有限，進(jìn)一步限制自然冷源的利用時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì)［7］實(shí)際使用的全年自然冷源時(shí)間比理論時(shí)間少了近1/2，利用率低下。

如何將自然冷源與機(jī)械制冷有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自由切換，是延長(zhǎng)數(shù)據(jù)中心自然冷源利用時(shí)間的關(guān)鍵。復(fù)合冷源利用技術(shù)是將自然冷源與機(jī)械制冷結(jié)合起來(lái)的一種制冷技術(shù)，在保證兩套系統(tǒng)可以相互獨(dú)立運(yùn)行、不產(chǎn)生相互干擾的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自然冷源與機(jī)械制冷的自由切換。目前常見(jiàn)的該類(lèi)復(fù)合冷源利用設(shè)備一般通過(guò)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)的切換，存在兩套系統(tǒng)不能同時(shí)運(yùn)行或者換熱設(shè)備個(gè)數(shù)過(guò)多，成本和能耗過(guò)高等問(wèn)題。此外閥門(mén)屬于易損部件，實(shí)際應(yīng)用效果往往不佳，安全系數(shù)較低，運(yùn)維成本較高。

清華大學(xué)李震、張曉彤等人［8］提出了新型熱管-蒸氣壓縮聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)閥條件下的系統(tǒng)切換，并能在過(guò)渡季節(jié)實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)的雙循環(huán)運(yùn)行。其系統(tǒng)原理圖如圖5所示。從室內(nèi)蒸發(fā)器流出的氣態(tài)制冷劑可以部分流入空調(diào)冷凝器，部分流入熱管冷凝器，根據(jù)室內(nèi)外溫差自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，可充分利用自然冷源。延長(zhǎng)自然冷源利用時(shí)間。

圖5 熱管-蒸氣壓縮聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)

這種新型熱管-蒸汽壓縮聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較少，系統(tǒng)較簡(jiǎn)潔，它的主要優(yōu)勢(shì)有：

1. 兩臺(tái)室外冷凝器共用一臺(tái)風(fēng)機(jī)，降低輸配能耗；

2. 采用無(wú)閥的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)需額外增加控制系統(tǒng)，減少維護(hù)費(fèi)用，增加運(yùn)行安全性；

3. 可實(shí)現(xiàn)自然冷源、機(jī)械制冷以及復(fù)合制冷的無(wú)縫切換，更加充分利用自然冷源，節(jié)能效果顯著。

3 不同自然冷源利用形式的比較

三種形式的自然冷源利用技術(shù)在自然冷源的利用率上存在差異，直接自然冷源的降溫效果最好，但是由于受到的機(jī)房潔凈度和濕度要求的影響，適用范圍并不廣泛，只適用于對(duì)環(huán)境潔凈度要求較低的小型基站。此外可通過(guò)增加空氣處理裝置的方法擴(kuò)大直接自然冷源的適用范圍，但投資規(guī)模將加大。間接自然冷源利用技術(shù)和復(fù)合冷源利用技術(shù)均能在保證數(shù)據(jù)中心機(jī)房潔凈度和濕度要求的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)自然冷源的利用。在自然冷源利用率上，復(fù)合冷源技術(shù)由于可自由切換自然冷源與機(jī)械制冷，延長(zhǎng)了自然冷源利用時(shí)間，比間接自然冷源技術(shù)更好，且減少了設(shè)備數(shù)量、不必額外配置輸配系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，投資和維護(hù)成本降低。因此復(fù)合冷源利用技術(shù)更加適合于新建數(shù)據(jù)中心，而間接自然冷源利用技術(shù)更適合于舊數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造，且熱管換熱模式由于空-空換熱器模式。三種不同形式的自然冷源比較見(jiàn)表1所示。

表1 不同自然冷源利用技術(shù)比較

4 總結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心在規(guī)模和數(shù)量上也與日俱增，其能耗量也逐步提高，數(shù)據(jù)中心正逐漸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的能用大戶(hù)。其中制冷系統(tǒng)能耗過(guò)高是數(shù)據(jù)中心能耗巨大的主要因素。自然冷源利用技術(shù)為數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)節(jié)能提供了一條思路。根據(jù)自然冷源利用的形式不同分為直接自然冷源利用技術(shù)、間接自然冷源利用技術(shù)和復(fù)合冷源利用技術(shù)。三種不同的自然冷源利用技術(shù)都能在一定程度上減少數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)能耗，達(dá)到20%～50%的節(jié)能率，具有極大的節(jié)能和應(yīng)用前景。由于不同的自然冷源利用技術(shù)原理不同，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心地理位置和數(shù)據(jù)中心制冷要求合理選擇不同的自然冷源利用技術(shù)。