隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展，客戶對數(shù)據(jù)中心全生命周期成本越來越關(guān)注，對精密空調(diào)的節(jié)能需求與意識越來越強。同時各地PUE新政的推出，更是把數(shù)據(jù)中心節(jié)能推向了必然之地。那么作為能耗大戶的精密空調(diào)而言，節(jié)能技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要。行業(yè)的發(fā)展，客戶的訴求，出現(xiàn)了全時自然冷解決方案。

1、數(shù)據(jù)中心自然冷卻的定義

數(shù)據(jù)中心行業(yè)自然冷（Free-Cooling），是指利用室外的低溫冷源，達(dá)到降低能耗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷卻散熱的技術(shù)方法。

2、什么是數(shù)據(jù)中心自然冷

首先，自然冷的目的，是以較小的能源消耗為代價，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的散熱，因此其目標(biāo)就是降低數(shù)據(jù)中心能耗。

其次，自然冷的表現(xiàn)形式，利用室外自然低溫冷源（低溫的空氣、海水、湖水、外太空的真空低溫等）實現(xiàn)降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗。

再者，自然冷的意義，自然冷方式必須降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗，才具有實際意義。

從目的、形式、意義三個角度出發(fā)，能夠真正實現(xiàn)利用外部自然低溫冷源降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗的方法，不管其采用何種方式、方法和形式，都是數(shù)據(jù)中心自然冷技術(shù)。

3、數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)要素

• A、相同參數(shù)制冷量不變

• B、能耗降低

• C、溫度波動不超出設(shè)計范圍

4、數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)介紹

自然冷具有巨大的經(jīng)濟價值。數(shù)據(jù)中心行業(yè)致力于這方向的探索，多年來已經(jīng)有了不同方案。較為成熟的自然冷利用方案有以下前四種，第五種是今年來的新趨勢。

4.1、冷凍水自然冷

冷凍水自然冷系統(tǒng)是冷凍水系統(tǒng)通過增加換熱器，在室外溫度較低時關(guān)?；虿糠株P(guān)停壓縮機，利用冷卻塔制取低溫冷水的系統(tǒng)，是傳統(tǒng)的自然冷方案。

方案優(yōu)點：

• a.系統(tǒng)集成度高，集中控制；

• b.不受高差管長影響；

• c.持續(xù)制冷配電成本較低；

方案缺點：

• a.防凍問題，系統(tǒng)需要增加乙二醇或者電伴熱；

• b.受限于空氣飽和濕度，濕度較大效果就比較差；

• c.耗水量較大，缺水地區(qū)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性受影響；

• d.需要專業(yè)維護(hù)團隊，運維成本較高，運能能力影響節(jié)能性；

• e.冷水主機房占地較大，蓄冷罐占地較大；

• f.初投資大，分期建設(shè)、擴容較困難；

4. 2、氟泵智能雙循環(huán)自然冷

氟泵智能雙循環(huán)自然冷系統(tǒng)，普通風(fēng)冷系統(tǒng)通過增加氟泵，在低溫時代替壓縮機制冷的系統(tǒng)。

圖1  氟泵智能雙循環(huán)原理圖

方案優(yōu)點：

• a.系統(tǒng)具有三種運行模式，壓縮機運行模式、純氟泵自然冷模式、壓泵混合模式。自然冷時間長；

• b.單點故障率低；

• c.分期建設(shè)容易；

• d.初投資較低；

• e.維護(hù)簡單；

方案缺點：

• a.受高差管長影響；

• b.南方地區(qū)節(jié)能率較低；

4.3、直接新風(fēng)冷卻自然冷

直接新風(fēng)冷卻也就是全新風(fēng)系統(tǒng)，直接利用新風(fēng)給機房冷卻的方式。

方案優(yōu)點：

• a.能耗低，節(jié)能率高；

• b.不加表冷器，初投資低；

• c.滿灌式送風(fēng)，氣流組織較優(yōu)；

方案缺點：

• a.除硫、防沙等運維成本很高；

• b.可靠性低；

• c.受地域、氣候影響大，大部分地區(qū)不能采用本方案；

• d.需要前期建筑配合較大，后期改造擴容困難；

• e.占地面積較大；

4.4、間接蒸發(fā)冷卻自然冷

間接蒸發(fā)冷卻自然冷系統(tǒng)是指通過非直接接觸式換熱器將直接蒸發(fā)冷卻得到的濕空氣(二次空氣)的冷量傳遞給待處理空氣(一次空氣)實現(xiàn)空氣等濕降溫的一種解決方案。

圖2  間接蒸發(fā)冷卻三種工況

方案優(yōu)點：

• a.具有干工況換熱、噴淋蒸發(fā)換熱、壓縮機運行三種模式，自然冷時間較長，可靠性高；

• b.節(jié)能性較好；

• c.初投資較低；

• d.單機容量較大；

• e.運營成本較低；

方案缺點：

• a.南方地區(qū)，相對濕度較大的區(qū)域節(jié)能性很低；

• b.需要前期建筑配合較大，后期改造擴容困難；

• c.空間要求較大，占地面積較大；

• d.受地域、氣候影響大；

4.5、全變頻風(fēng)冷自然冷

全變頻風(fēng)冷自然冷系統(tǒng)就是除了壓縮機變頻之外，系統(tǒng)其它核心部件如室內(nèi)風(fēng)機、室外風(fēng)機、電子膨脹閥等全部采用變頻技術(shù)的方案。

方案優(yōu)點：

• a . 全變頻，可以始終讓壓縮機工作在正常壓力區(qū)間，從而在節(jié)能的同時，大大提高了系統(tǒng)可靠性；

• b. 全變頻技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)機房負(fù)載上架率的不均勻性問題，部分負(fù)載時能效很高，實現(xiàn)全年綜合能效高；

• c.全風(fēng)冷系統(tǒng)，無復(fù)雜工程和大量工程材料，初投資低；

• d. 運營成本低、維護(hù)量小 

• e.室內(nèi)外占地面積??；

• f.適合分期建設(shè)，分期投入項目；

• g.工期短，交付快；

• h . 全變頻自然冷技術(shù)，大幅增加節(jié)能效果，成就最佳TCO的目標(biāo)；

圖3  全變頻風(fēng)冷自然冷系統(tǒng)高能效

方案缺點：

• a.受高差管長影響；

• b.持續(xù)制冷成本稍大；

• c. 管道豎井需分散

表1 各自然冷卻方案比較

5、自然冷卻技術(shù)發(fā)展方向

數(shù)據(jù)中心自然冷方案是當(dāng)下數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展，客戶訴求的產(chǎn)物。自然冷技術(shù)隨著時代的發(fā)展也不斷改善與調(diào)整，但宗旨始終是盡量延長自然冷時間，來提高系統(tǒng)能效。全時自然冷（Natural cooling 24/ 7）是行業(yè)的呼聲，也是技術(shù)發(fā)展的必然方向。

5.1、全時自然冷定義

全時自然冷就是每個時刻都在利用自然冷。全時自然冷技術(shù)是融合變頻壓縮機風(fēng)控技術(shù)、送風(fēng)控制技術(shù)、蒸發(fā)壓力控制技術(shù)、熱備群控分配負(fù)載技術(shù)、遠(yuǎn)程溫度控制技術(shù)、氟泵變流控制技術(shù)、霧化蒸發(fā)噴淋技術(shù)等多項技術(shù)，且通過智能控制實時利用室外溫度變化和室內(nèi)負(fù)載變化來降低能耗的制冷技術(shù)。

5. 2、全時自然冷三大技術(shù)

A.高溫自然冷

傳統(tǒng)的自然冷方案中，不管是冷凍水自然冷、氟泵智能雙循環(huán)自然冷、還是直接新風(fēng)冷卻自然冷，都存在一個切換溫度點，而理論上，這個溫度點越高，自然冷可利用的時間也就越長。以中國三大緯度典型城市，同時也是數(shù)據(jù)中心最熱點三大城市北京、上海、廣州氣象參數(shù)為例。

表2 全國主要城市氣象參數(shù)

從上表中可以發(fā)現(xiàn)，自然冷切換工作溫度點越高，自然冷時間越長。如果提高到30度為切換點，北上廣所跨越的緯度區(qū)，接近90%的時間都可以利用自然冷源。因此，高溫自然冷技術(shù)顯得尤為重要。

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器耐受溫度在提高，精密空調(diào)行業(yè)技術(shù)在發(fā)展，高溫自然冷已經(jīng)變成可能。風(fēng)冷系統(tǒng)壓縮機頻率可在2- 80Hz之間自由工作，壓縮機轉(zhuǎn)速也可以在0 -7200rpm之間自由調(diào)節(jié)，電子膨脹閥開度從0 -100%，室外機轉(zhuǎn)速也可以在0 -100%之間精確調(diào)節(jié)，從而使得制冷系統(tǒng)壓力可以根據(jù)需要實時調(diào)整。機組可采用回風(fēng)、送風(fēng)、壓差控制等多種控制邏輯，送風(fēng)溫度可在12-30℃之間調(diào)節(jié)，熱通道溫度可在22-45 ℃調(diào)節(jié)，因此，當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時，即可開啟自然冷，達(dá)到全時利用“自然冷”的效果。

B.無死區(qū)精確調(diào)節(jié)

系統(tǒng)不受制于地理位置、溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)向等條件，也不受制于室外空氣質(zhì)量，風(fēng)沙、一氧化碳、二氧化硫等對服務(wù)器芯片元器件會產(chǎn)生腐蝕。

同時系統(tǒng)宜采用渦旋式壓縮機，單個壓縮機僅有45-60 kW，最小轉(zhuǎn)速在33%下，因此單臺機組的制冷量可在15 -120 kW之間自由調(diào)節(jié)，多臺機組聯(lián)動工作時，冷量的組合范圍更可擴大到15-N×120 kW的范圍，之間無模式的切換，僅需調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速即可。系統(tǒng)調(diào)節(jié)的顆粒度極小，調(diào)節(jié)曲線平滑，無死區(qū)，真正實現(xiàn)無死區(qū)精確調(diào)節(jié)。

圖4  適應(yīng)不同負(fù)載 不同室外溫度

C. 全自動調(diào)節(jié)

隨著對成本降低和提高運營效率的要求，未來的數(shù)據(jù)中心，必然會越來越智能化、自動化。目前DC IM解決方案正成為數(shù)據(jù)中心炙手可熱的關(guān)注點。智慧的管控方案，離不開智能的基礎(chǔ)設(shè)施，只有基礎(chǔ)設(shè)備全部實現(xiàn)遠(yuǎn)程可控，智能化系統(tǒng)才有用武之地。因此，空調(diào)系統(tǒng)的全自動化也是節(jié)能的必然方向。

系統(tǒng)需有高級的熱備群控自動均分負(fù)載的功能。根據(jù)變頻節(jié)能的原理，當(dāng)N+1臺機組共同工作制冷時，每臺機組分配的冷量將從1/N變?yōu)?/(N+1)，功率變化公式：

可得采用熱備智能群控技術(shù)之后,采用不同N+1數(shù)量機組時可得到的節(jié)能比例如下表所示。

表3 不同機組數(shù)量熱備群控節(jié)能理論效果

圖5  熱備群控負(fù)載分配效果圖

6、全時自然冷實現(xiàn)價值

隨著智慧化數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，全時自然冷技術(shù)將會獲得更大的應(yīng)用，尤其在傳統(tǒng)自然應(yīng)用困難的南方區(qū)域，也可以實現(xiàn)低PUE。全變頻風(fēng)冷自然冷的基礎(chǔ)上升級為全變頻風(fēng)冷全時自然冷已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)掀起了熱潮。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心能耗與機架數(shù)預(yù)測，以普通風(fēng)冷、冷凍水自然冷、全變頻風(fēng)冷全時自然冷綜合分析：

圖6  數(shù)據(jù)中心能耗預(yù)測

圖7  數(shù)據(jù)中心機架數(shù)預(yù)測

表4 三種系統(tǒng)綜合分析表

新建及改造數(shù)據(jù)中心均采用全時自然冷技術(shù)全國每年可實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能815 . 2億千瓦時，比目前全國平均水平實現(xiàn)節(jié)能68 . 8%。實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心行業(yè)整體30. 56%節(jié)能，比傳統(tǒng)離心機自然冷方案節(jié)能收益率高57%。

7、結(jié)論

隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展，客戶對數(shù)據(jù)中心全生命周期成本越來越關(guān)注、對精密空調(diào)的節(jié)能需求與意識越來越強，同時各地PUE新政的推出。冷凍水自然冷、全新風(fēng)自然冷等傳統(tǒng)的自然冷系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了市場的訴求。全時自然冷（Natural cooling 24/ 7）已成為數(shù)據(jù)中心熱管理解決方案的目標(biāo)，也是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。它將逐步替代傳統(tǒng)的自然冷方案，成為行業(yè)的主流。

來源：網(wǎng)絡(luò)

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