數(shù)據(jù)中心是信息行業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)數(shù)據(jù)中心的年用電量約1000億kW?h，超過(guò)全社會(huì)用電量的1.5%，相當(dāng)于三峽水電站一年的發(fā)電量。未來(lái)幾年，隨著5G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的快速發(fā)展，我國(guó)數(shù)據(jù)中心電耗將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，2020年我國(guó)數(shù)據(jù)中心年耗電量將超過(guò)2500億kW?h，占全社會(huì)用電量比例將超過(guò)3%。

目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率（powerusageeffectiveness,PUE）約為1.8，其先進(jìn)數(shù)據(jù)中心PUE達(dá)到1.2以下。而我國(guó)數(shù)據(jù)中心平均PUE大于2.2，部分高耗能數(shù)據(jù)中心PUE甚至高達(dá)3.0，能效水平遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，節(jié)能性亟待提升。

政府相關(guān)主管部門(mén)對(duì)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能非常重視，先后出臺(tái)多項(xiàng)政策文件，部署和推進(jìn)數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)推廣應(yīng)用、綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)和相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定，2017年工信部在《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確提出：到2020年，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的能耗效率（PUE）值在1.4以下。

數(shù)據(jù)中心能耗中約40%是冷卻系統(tǒng)的能耗，所以開(kāi)展數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要意義。

1.自然冷卻的分類(lèi)

自然冷卻技術(shù)是目前學(xué)界普遍認(rèn)可的節(jié)能效果較好的技術(shù)，自然冷卻即利用天然的冷空氣或者冷水源對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行冷卻的方式，該技術(shù)無(wú)需開(kāi)啟機(jī)械制冷，因此具有顯著的節(jié)能效果。自然冷卻主要分為風(fēng)側(cè)自然冷卻和水側(cè)自然冷卻兩大類(lèi)，詳細(xì)分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 自然冷卻技術(shù)分類(lèi)

2.風(fēng)側(cè)自然冷卻

2.1直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻是指直接將室外溫濕度適宜（或通過(guò)蒸發(fā)冷卻）的冷空氣引入計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)信息設(shè)備進(jìn)行冷卻，如圖1。當(dāng)室外空氣質(zhì)量不佳時(shí)，空氣中的塵埃、氣體污染物等會(huì)給信息設(shè)備的可靠運(yùn)行帶來(lái)隱患，因此直接風(fēng)側(cè)自然冷卻主要應(yīng)用于氣候條件和空氣質(zhì)量較好的地區(qū)。

圖1 直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

國(guó)外Google、Facebook、Yahoo等公司在北歐、美國(guó)等地建設(shè)了采用直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的數(shù)據(jù)中心，PUE接近1.07，其所采用的風(fēng)機(jī)墻形式見(jiàn)圖2。國(guó)內(nèi)如美利云中衛(wèi)數(shù)據(jù)中心、阿里巴巴張北數(shù)據(jù)中心等也采用直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻。

圖2 風(fēng)機(jī)墻單元

為了提高直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的效果和可靠性，一些學(xué)者開(kāi)展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、節(jié)能效果、控制策略、差異化氣候適用性等方面的研究。

韓玉等認(rèn)為直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

1. 低溫風(fēng)和降溫風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新回風(fēng)混合防結(jié)露設(shè)計(jì)；

2. 新風(fēng)過(guò)濾處理；

3. 氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)；

4. 空氣處理系統(tǒng)邏輯判斷及智能控制。

韓正林等對(duì)國(guó)內(nèi)外采用自然冷卻的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)比分析，指出干式冷卻器等基于干球溫度的自然冷卻技術(shù)更成熟、穩(wěn)定性更好，蒸發(fā)冷卻等基于濕球溫度的自然冷卻方式自然冷源利用率更高。針對(duì)多個(gè)地區(qū)的通信機(jī)房的節(jié)能改造，分析采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)（直接式蒸發(fā)冷卻）進(jìn)行降溫時(shí)室內(nèi)外溫濕度、蒸發(fā)式冷氣機(jī)運(yùn)行時(shí)間以及凈化過(guò)濾系數(shù)等影響因素的修正方法。通過(guò)介紹蒸發(fā)式冷氣機(jī)的技術(shù)要點(diǎn)，分析了蒸發(fā)冷卻技術(shù)在機(jī)房空調(diào)中的應(yīng)用形式、運(yùn)行原理。蒸發(fā)式冷氣機(jī)用于通信機(jī)房在冬季不能很好地控制濕度，以ASHRAETC9.9所推薦運(yùn)行區(qū)為控制目標(biāo)，提出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化方案和運(yùn)行模式。

分析了溫和地區(qū)（昆明）數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造后的運(yùn)行效果，發(fā)現(xiàn)昆明的氣候條件非常適合采用新風(fēng)自然冷卻，針對(duì)某數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造效果明顯，PUE由原來(lái)的1.9降至1.56。

2.2間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

（1）基于空氣?空氣換熱器的間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的送風(fēng)質(zhì)量受到室外空氣質(zhì)量的影響，解決有害氣體腐蝕威脅的另一種思路是采用間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻，如圖3。其原理是通過(guò)交叉流換熱器、轉(zhuǎn)輪換熱器等空氣?空氣換熱器實(shí)現(xiàn)室外冷風(fēng)與室內(nèi)高溫回風(fēng)的間接換熱。

圖3 利用換熱器的間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

借助建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包（Designer’sSimulationToolkit,DeST）對(duì)全國(guó)不同氣候區(qū)采用間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的節(jié)能效果進(jìn)行了對(duì)比研究，得出不同氣候區(qū)的節(jié)電率高低依次為：溫暖地區(qū)＞嚴(yán)寒地區(qū)＞寒冷地區(qū)＞夏熱冬冷地區(qū)＞夏熱冬暖地區(qū)。開(kāi)發(fā)出一種基于空氣?空氣換熱器的自然冷卻技術(shù)，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的填料具有蓄冷功能，通過(guò)讓轉(zhuǎn)輪在兩個(gè)隔離且封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，利用被室外冷空氣冷卻的填料來(lái)冷卻機(jī)房?jī)?nèi)的高溫回風(fēng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)房的冷卻，如圖4。

圖4 一種典型風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)

基于空氣?空氣換熱器的間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)設(shè)備體積龐大、與建筑物耦合程度很高，應(yīng)用范圍受到限制，目前應(yīng)用案例并不多，但間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻針對(duì)自然冷源的利用率較高，節(jié)能效果很好，是一種有應(yīng)用潛力的技術(shù)。

（2）基于熱管或制冷劑循環(huán)的風(fēng)側(cè)自然冷卻

指利用熱管或制冷劑循環(huán)將機(jī)房?jī)?nèi)熱量傳遞至室外，相變傳熱方式帶來(lái)很強(qiáng)的熱量傳遞能力，該種方式利用自然冷源的效果很好，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

• 這里介紹一種分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)熱管系統(tǒng)換熱器局限性，提出采用單級(jí)熱管變多級(jí)熱管的方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如圖5；針對(duì)R22和R134a兩種工質(zhì)的平均換熱能力進(jìn)行對(duì)比分析，提出熱管系統(tǒng)的最佳充液率為80%；針對(duì)新型背板式熱管系統(tǒng)換熱量影響因素進(jìn)行分析，得到風(fēng)量與換熱量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并提出通過(guò)增大風(fēng)量的方式解決熱管故障問(wèn)題。

圖5 分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)

• 另一種用泵驅(qū)動(dòng)的回路熱管機(jī)組，系統(tǒng)中增加制冷劑泵能夠克服復(fù)雜系統(tǒng)的管路阻力，比傳統(tǒng)分離式熱管系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)，并且制冷劑循環(huán)流量的增加提高了換熱器換熱量。盡管制冷劑泵增加了系統(tǒng)能耗，但該系統(tǒng)在室外溫度低于15℃時(shí)，節(jié)能率仍能達(dá)到36.57%。

• 還可以采用微通道換熱器的分離式熱管性能，微通道換熱器具有更強(qiáng)的換熱能力，分析不同工況和風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)最佳充液率的影響，研究了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)換熱特性，分析制冷量受各運(yùn)行參數(shù)影響的敏感性。

• 由于傳統(tǒng)分離式熱管主要采用的R22或R134a等工質(zhì)的使用逐漸受到限制，采用環(huán)保工質(zhì)的熱管研究逐漸受到了人們的重視。開(kāi)發(fā)出基于CO2工質(zhì)的多蒸發(fā)器回路熱管系統(tǒng)的性能研究，考察了多蒸發(fā)器在均勻、非均勻、變制冷功率條件下的系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)功能。

• 由于數(shù)據(jù)中心用自然冷卻熱管的兩端傳熱溫差和熱流密度均較小，熱流密度隨室外環(huán)境變化而變化，開(kāi)展相關(guān)的非穩(wěn)態(tài)研究十分必要。針對(duì)數(shù)據(jù)中心用小熱流密度的分離式熱管進(jìn)行了模擬仿真研究，發(fā)現(xiàn)熱管傳熱量隨充液率的增大先增加后減小，隨室內(nèi)外溫差的增大先線性增加，而后增長(zhǎng)速度減緩。

• 一種利用整體式熱管的風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)房上方設(shè)有增壓風(fēng)道，機(jī)柜上方的熱管穿過(guò)計(jì)算機(jī)房的天花板，與風(fēng)道內(nèi)的室外冷空氣進(jìn)行換熱，該系統(tǒng)的熱管結(jié)構(gòu)和布置更為簡(jiǎn)單，降低了熱管設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生損壞的概率，如圖6。

圖6 整體式熱管自然冷卻系統(tǒng)

基于熱管和制冷劑循環(huán)的風(fēng)側(cè)自然冷卻方式是一種較好的利用自然冷源的方式，但由于熱管的循環(huán)驅(qū)動(dòng)力受機(jī)房?jī)?nèi)外溫差限制，無(wú)法應(yīng)用于復(fù)雜的大型管路系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)比較適用于中小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的自然冷卻。

3水側(cè)自然冷卻

3.1直接水冷式自然冷卻

直接水冷式自然冷卻是指利用室外自然低溫水源（海水、湖水、江河水等）引入數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻。

國(guó)外最早進(jìn)行這一技術(shù)的嘗試，Google芬蘭數(shù)據(jù)中心靠近北極圈，使用附近芬蘭灣的低溫海水冷卻整個(gè)數(shù)據(jù)中心；微軟公司啟動(dòng)名為“Natick”的計(jì)劃，將數(shù)據(jù)中心置于蘇格蘭奧克尼群島附近水域的海底，距離海面117英尺（約36m），流動(dòng)的低溫海水帶走了數(shù)據(jù)中心的熱量，實(shí)現(xiàn)完全自然冷卻，如圖7；

圖7 微軟“Natick”海底數(shù)據(jù)中心

國(guó)內(nèi)近幾年也在有條件的地區(qū)開(kāi)始進(jìn)行直接水冷式自然冷卻的嘗試，國(guó)內(nèi)第一個(gè)采用湖水作為自然冷源的數(shù)據(jù)中心是阿里巴巴/華通千島湖數(shù)據(jù)中心，千島湖湖水水位較高、水溫較低、水質(zhì)好，非常適合應(yīng)用湖水冷卻，90%的時(shí)間無(wú)需開(kāi)啟機(jī)械制冷，可實(shí)現(xiàn)年平均PUE為1.3（在亞熱帶環(huán)境中，該數(shù)值已經(jīng)極低）。湖南東江湖數(shù)據(jù)中心采用了東江湖湖水對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻，設(shè)計(jì)PUE值能達(dá)到1.2以下。

直接水冷式自然冷卻技術(shù)的節(jié)能效果是有目共睹的，但其阿受限于自然和地理?xiàng)l件的限制，目前僅有幾個(gè)數(shù)據(jù)中心采用了該技術(shù)，由于該技術(shù)的難復(fù)制性，難以得到大面積推廣，更多數(shù)據(jù)中心采用浸沒(méi)式液冷，可以輕松將PUE值降低到1.2以下，比直接水冷自然冷卻節(jié)約成本。

3.2冷卻塔式自然冷卻

冷卻塔式自然冷卻是指利用室外較低的空氣溫度通過(guò)冷卻塔制取低溫冷水，代替機(jī)械制冷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷卻的技術(shù)。冷卻塔自然冷卻是目前數(shù)據(jù)中心采用最多的自然冷卻技術(shù)之一。

冷卻塔自然冷卻包括：

1. 開(kāi)式冷卻塔直接自然冷卻，冷卻塔制取的冷水直接供機(jī)房精密空調(diào)使用；

2. 開(kāi)式冷卻塔間接自然冷卻，冷卻塔制取的冷水通過(guò)板式換熱器與機(jī)房精密空調(diào)高溫回水換熱，實(shí)現(xiàn)向機(jī)房的供冷；

3. 閉式冷卻塔自然冷卻，采用閉式冷卻塔制取低溫水或低溫乙二醇溶液直接供機(jī)房精密空調(diào)使用；

4. 干式冷卻器自然冷卻，干冷器是將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過(guò)外界流通的低溫冷空氣冷卻管內(nèi)來(lái)自機(jī)房精密空調(diào)的循環(huán)水或者乙二醇溶液。

開(kāi)式冷卻塔直接自然冷卻方式的循環(huán)冷水容易受到污染造成水質(zhì)下降，進(jìn)而影響機(jī)房精密空調(diào)換熱器的換熱性能和運(yùn)行可靠性，因此實(shí)際中采用這種方式進(jìn)行自然冷卻的數(shù)據(jù)中心很少。

開(kāi)式冷卻塔間接自然冷卻方式是在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用較多的一種形式，其通過(guò)板式換熱器實(shí)現(xiàn)水?水間接換熱，由于開(kāi)式冷卻塔的冷卻效率較高，該種自然冷卻方式整體的自然冷源利用率較高，得到了普遍應(yīng)用，但是在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，開(kāi)式冷卻塔的防凍問(wèn)題非常關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)引起重視。

閉式冷卻塔和干式冷卻器在應(yīng)用中常常結(jié)合使用，也有學(xué)者稱之為混合型冷卻塔?；旌闲屠鋮s塔循環(huán)水不存在水質(zhì)下降的風(fēng)險(xiǎn)，但是其間接換熱方式的換熱效率有所降低，如何提高混合型冷卻塔的熱質(zhì)傳遞效率是目前面臨的主要問(wèn)題。

自然冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用受多方面因素的影響：

1. 數(shù)據(jù)中心所在地的氣候和地理位置條件；

2. 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的限制；

3. 自然冷卻技術(shù)本身與數(shù)據(jù)中心、氣候地理?xiàng)l件的匹配和適用性；

4. 自然冷卻技術(shù)節(jié)能效果、初投資增加值之間的經(jīng)濟(jì)性考量。

自然冷卻技術(shù)是數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)，但是自然冷卻分類(lèi)眾多，每種技術(shù)有其特性和適用范圍，在應(yīng)用中應(yīng)該充分考慮各種適用性條件（氣候、空氣質(zhì)量、水源、初投資等），選擇合適的自然冷卻技術(shù)。

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本文標(biāo)題：直接利用海水冷卻數(shù)據(jù)中心的自然冷卻技術(shù)

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