01引言

自然冷卻技術(shù)是數(shù)據(jù)中心最有效的節(jié)能技術(shù)，數(shù)據(jù)中心常用的自然冷卻技術(shù)有水側(cè)自然冷卻技術(shù)，風(fēng)側(cè)間接自然冷卻技術(shù)，風(fēng)冷冷機(jī)自然冷卻技術(shù)和風(fēng)側(cè)直接自然冷卻技術(shù)。水側(cè)自然冷卻技術(shù)是國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心最常用的自然冷卻技術(shù)，在室外空氣濕溫度較低時(shí)，利用低溫的冷卻水與冷凍水換熱，使冷凍水達(dá)到供水溫度要求或降低冷凍水溫度，從而減少冷機(jī)的開啟時(shí)間和強(qiáng)度。風(fēng)側(cè)間接自然冷卻技術(shù)是國(guó)內(nèi)新興的自然冷卻技術(shù)，在室外空氣溫度較低時(shí)或室外空氣濕球溫度較低時(shí)，利用室外低溫空氣與數(shù)據(jù)中心機(jī)房回風(fēng)換熱，使機(jī)房送風(fēng)到達(dá)溫度要求或降低回風(fēng)溫度，從而減少機(jī)械制冷的開啟時(shí)間和強(qiáng)度。風(fēng)冷冷機(jī)自然冷卻技術(shù)特別適用于缺水地區(qū)的數(shù)據(jù)中心，當(dāng)室外空氣溫度較低時(shí)，干冷器產(chǎn)生的低溫冷媒與冷凍水換熱，使冷凍水達(dá)到供水溫度要求或降低冷凍水溫度，從而減少冷機(jī)的開啟時(shí)間和強(qiáng)度。風(fēng)側(cè)直接自然冷卻技術(shù)是數(shù)據(jù)中心最有效的自然冷卻技術(shù)，該技術(shù)直接利用室外低溫空氣給數(shù)據(jù)中心機(jī)房降溫，減少了換熱流程，在國(guó)內(nèi)西北部地區(qū)已經(jīng)有部分?jǐn)?shù)據(jù)中心開始使用該自然冷卻技術(shù)。

02風(fēng)側(cè)直接自然冷卻工作模式

如圖1所示，風(fēng)側(cè)直接自然冷卻直接利用室外低溫空氣給數(shù)據(jù)中心機(jī)房降溫，該自然冷卻可分為三種工作模式。

圖1 風(fēng)側(cè)直接自然冷卻原理圖

（1）完全自然冷卻模式

在該工況下風(fēng)側(cè)直接自然冷卻系統(tǒng)完全利用室外自然冷源不用開啟機(jī)械制冷；

（2）部分自然冷卻模式

該工況下室外自然冷源不能滿足數(shù)據(jù)中心送風(fēng)要求，需要開啟部分機(jī)械制冷；

（3）機(jī)械制冷模式

該工況為室外空氣焓值大于機(jī)房回風(fēng)空氣焓值或室外空氣質(zhì)量較差的情況下，機(jī)房完全利用機(jī)械制冷滿足降溫要求。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)側(cè)直接自然冷卻最大限度的利用室外自然冷源，數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)直接自然冷卻的完全自然冷卻工作模式需設(shè)置不同的工作工況（見圖2）。

圖2 自然冷卻區(qū)域焓濕圖

（1）直接新風(fēng)工況

當(dāng)室外空氣溫濕度滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)溫濕度要求時(shí)，室外空氣經(jīng)過過濾后直接送入機(jī)房給IT設(shè)備降溫，然后將溫度升高的空氣排出至室外；

（2）直接混合工況

室外空氣溫度低于數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)溫度要求，絕對(duì)濕度在數(shù)據(jù)中心送風(fēng)濕度要求范圍內(nèi)時(shí)，室外低溫空氣經(jīng)過過濾后與部分機(jī)房排風(fēng)混合，溫度達(dá)到機(jī)房送風(fēng)溫度要求，送入機(jī)房給IT設(shè)備降溫，然后將部分溫度升高的空氣排出至室外，部分溫度升高的空氣再與室外低溫空氣混合；

（3）混合后加濕工況

當(dāng)室外空氣溫濕度低于數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)溫濕度要求時(shí)，室外低溫空氣經(jīng)過過濾后與機(jī)房排風(fēng)混合，再對(duì)混合后的空氣進(jìn)行等焓加濕處理，溫濕度達(dá)到機(jī)房送風(fēng)溫濕度要求后送入機(jī)房給IT設(shè)備降溫，然后將部分溫度升高的空氣排出至室外，部分溫度升高的空氣再與室外低溫空氣混合；

（4）直接加濕工況

當(dāng)室外空氣焓值低于數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)焓值要求且溫度高于機(jī)房送風(fēng)溫度要求時(shí)，室外空氣經(jīng)過過濾后進(jìn)行等焓降溫加濕處理，空氣溫濕度達(dá)到送風(fēng)溫度要求后送入機(jī)房給IT設(shè)備降溫，然后將溫度升高的空氣排出至室外。

以上四種工作狀態(tài)系統(tǒng)均不用開啟機(jī)械制冷,完全實(shí)現(xiàn)了利用室外自然冷源給IT設(shè)備降溫。

風(fēng)側(cè)直接自然冷卻系統(tǒng)的工作模式切換點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)參數(shù)息息相關(guān)，本研究的各參數(shù)為一般工程設(shè)計(jì)參數(shù)，在不同的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中都有得到實(shí)際應(yīng)用，從而具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范要求數(shù)據(jù)中心冷通道或機(jī)柜進(jìn)風(fēng)區(qū)域溫度在18～27℃范圍內(nèi)，露點(diǎn)溫度為5.5℃～15℃范圍內(nèi)，且相對(duì)濕度不大于60%[1]，考慮送風(fēng)溫度精度與現(xiàn)國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度，取送風(fēng)溫度為25℃，數(shù)據(jù)中心機(jī)房送風(fēng)回風(fēng)溫差一般在8℃～15℃之間[1]，根據(jù)送風(fēng)溫度與服務(wù)器循環(huán)風(fēng)量的匹配關(guān)系，確定空調(diào)送回風(fēng)溫差為13℃。

通過上文分析，如圖2所示，室外空氣焓值小于等于52.4kJ/kg且露點(diǎn)溫度小于等于15℃，該系統(tǒng)可進(jìn)入完全自然冷。

以上分析基于平原地區(qū)及大氣壓力約為一個(gè)大氣壓地區(qū)。對(duì)于海拔較高地區(qū)，由于大氣壓力不同，送風(fēng)溫度25℃，露點(diǎn)溫度15℃，空氣狀態(tài)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的焓值不同。如表1所示，列出了國(guó)內(nèi)部分城市，送風(fēng)干球溫度為25℃，露點(diǎn)溫度為15℃，送風(fēng)空氣狀態(tài)的焓值，其中大氣壓力根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012查得[2]。當(dāng)大氣壓力變低時(shí)，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的空氣焓值增大。從而具體地點(diǎn)的自然冷卻切換點(diǎn)需要具體分析。

表1 部分城市送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)表

03數(shù)據(jù)處理

在上文中分析確定了各地區(qū)風(fēng)側(cè)直接自然冷卻系統(tǒng)的工作模式切換點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)典型年逐時(shí)氣象參數(shù)很容易統(tǒng)計(jì)出全國(guó)各氣象站點(diǎn)風(fēng)側(cè)直接自然冷卻系統(tǒng)的自然冷卻時(shí)間[3]，如表2所示列出了部分城市風(fēng)側(cè)直接自然冷卻全年完全自然冷卻時(shí)間，圖3為中國(guó)氣象站點(diǎn)分布圖。

表2 部分城市全年風(fēng)側(cè)直接自然冷卻時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

空間插值是將離散點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，以便與其它空間現(xiàn)象的分布模式進(jìn)行比較，它包括了空間內(nèi)插和外推兩種算法。反距離權(quán)重插值法適用于整體樣本點(diǎn)的密度較大且樣本點(diǎn)的分布比較均勻的數(shù)據(jù)。因此兩種自然冷卻時(shí)間分布圖采用反距離權(quán)重插值法插值。

圖3 中國(guó)各氣象站點(diǎn)

圖4 插值結(jié)果

反距離權(quán)重插值是一種常用而簡(jiǎn)單的空間插值法，它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。已知各氣象站點(diǎn)值為圖片，根據(jù)周圍離散點(diǎn)的值，通過距離加權(quán)值求點(diǎn)的值，則

式中：圖片表示統(tǒng)計(jì)；圖片為氣象站自然冷卻時(shí)間；圖片為計(jì)算點(diǎn)的估計(jì)值；圖片為氣象站點(diǎn)；圖片與計(jì)算點(diǎn)0的距離；圖片為指定的冪。

根據(jù)上文流程，制作中國(guó)風(fēng)側(cè)直接自然冷卻地圖，并通過裁剪和顏色替換得到圖5。

圖5 中國(guó)風(fēng)側(cè)直接自然冷卻地圖

04結(jié)　語(yǔ)

（1）自然冷卻地圖反應(yīng)了各地區(qū)風(fēng)側(cè)直接自然冷卻的節(jié)能潛力，自然冷卻時(shí)間越長(zhǎng)的地區(qū)，節(jié)能潛力越高。在中國(guó)西北部地區(qū)風(fēng)側(cè)直接自然冷卻的自然冷卻全年自然冷卻時(shí)長(zhǎng)一般能達(dá)到7000h以上，部分地區(qū)，甚至全年都處于自然冷卻狀態(tài)，無需開啟機(jī)械制冷，具有巨大的節(jié)能潛力。

（2）風(fēng)側(cè)直接自然冷卻系統(tǒng)的全年自然冷卻時(shí)長(zhǎng)分布，基本滿足從南到北，自然冷卻時(shí)長(zhǎng)越來越長(zhǎng)；從東向西，自然冷卻時(shí)長(zhǎng)越來越長(zhǎng)。

（3）在四川盆地風(fēng)側(cè)直接自然冷卻系統(tǒng)的全年自然冷卻時(shí)長(zhǎng)明顯低于周邊地區(qū)。

（4）各地區(qū)的自然冷卻時(shí)長(zhǎng)與設(shè)計(jì)參數(shù)息息相關(guān)，如提高送風(fēng)溫度，則自然冷卻時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)，從而有效的減少機(jī)械制冷時(shí)間，降低空調(diào)能耗。

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)直接自然冷卻節(jié)能潛力分析

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