彭精立，陳樹旺

（廈門工學(xué)院）

1 引言

人工智能、5G、大數(shù)據(jù)等信息產(chǎn)業(yè)不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心得到空前發(fā)展。隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)量的不斷增加，其耗電量引起業(yè)內(nèi)人士的高度關(guān)注。2019年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心年耗電量為600 億kW·h～700 億kW·h，而且還以每年約10%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2030 年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心的總規(guī)模將是2019年的2～3倍，占全社會(huì)用電量的1.5%～2.0%[1]。目前，全球能源問題日趨嚴(yán)重，綠色清潔能源利用及降低碳排放成為目前的重要課題。為減少碳排放，達(dá)到“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)，降低數(shù)據(jù)中心能耗尤為重要。

數(shù)據(jù)中心耗電量最大的為IT設(shè)備，降低IT設(shè)備的能耗，就犧牲了數(shù)據(jù)中心的核心作用，因此降耗不考慮IT 設(shè)備。耗能的第2 大戶為空調(diào)系統(tǒng)，約占30%-50%[2]，即數(shù)據(jù)中心減能降耗重要途徑是降低冷卻系統(tǒng)的能耗[3]。

2 數(shù)據(jù)中心自然冷源制冷方式

隨著發(fā)熱密度高的大型數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，單使用常規(guī)制冷方式，雖能滿足制冷需求，但存在室外機(jī)布置集中、形成熱島，夏季存在高壓告警等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)將引起宕機(jī)、能耗居高不下等諸多問題，不能滿足相關(guān)要求[2]。因此，自然冷源利用受到高度關(guān)注。

隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備對(duì)環(huán)境的要求不斷變化。ASHRAE TC 9.9 分別在2008 年、2011 年和2015 年更新了《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南》[4-6]，持續(xù)擴(kuò)大進(jìn)風(fēng)狀態(tài)參數(shù)的推薦范圍。對(duì)ASHRAE TC 9.9 三次數(shù)據(jù)中心環(huán)境參數(shù)推薦值更新對(duì)比分析得出，推薦范圍的擴(kuò)大將使自然冷源在越來越多的地區(qū)、在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行制冷[7]，提高自然冷源利用率。

2.1 空氣側(cè)自然冷卻

自然冷源制冷不再通過常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中的制冷機(jī)組生產(chǎn)低溫冷媒對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行降溫，可顯著降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗，其節(jié)能效果已在歐洲、美國(guó)、中國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)得到證明[8-9]。目前，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能的自然冷源冷卻方式主要有空氣側(cè)和水側(cè)兩大類，其中空氣側(cè)又分為直接空氣冷卻和間接空氣冷卻；水側(cè)分為直接水冷卻和間接水冷卻。

顧小杰等對(duì)我國(guó)多個(gè)地區(qū)采用空氣側(cè)直接自然冷卻空調(diào)性能的研究表明，其節(jié)能效果明顯[11]，但是需要重點(diǎn)考慮當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量和含濕量，高的含濕量影響數(shù)據(jù)中心室內(nèi)濕度，污染物濃度超標(biāo)將損害IT設(shè)備，影響其使用可靠性及壽命等。因此在使用直接空氣側(cè)自然冷卻技術(shù)時(shí)，要考慮空氣質(zhì)量等因素，在保證IT設(shè)備不被損害的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

空氣側(cè)直接冷卻方式中的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)是通過水分蒸發(fā)吸熱降低周圍空氣的溫度制冷的技術(shù)。因其綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)寧夏、東北等干燥地區(qū)的節(jié)能效果明顯，可達(dá)80%以上[12-13]。直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)需要增加空氣含濕量，潔凈度受到影響，因此在使用時(shí)受到地區(qū)限制明顯，主要在干燥地區(qū)使用。

空氣側(cè)間接自然冷卻通過空氣—空氣換熱器，利用室外冷空氣冷卻數(shù)據(jù)中心的熱回風(fēng)，可以有效避免室外空氣對(duì)室內(nèi)環(huán)境及IT設(shè)備的影響。文獻(xiàn)[14]中詳細(xì)介紹了已投入使用的、節(jié)能效果良好的板翅式間接蒸發(fā)冷、管式間接蒸發(fā)冷卻、板管式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組在國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用?？諝鈧?cè)間接自然冷卻相較空氣側(cè)直接自然冷卻系統(tǒng)中，因應(yīng)用空氣—空氣換熱器，換熱阻力增加，在室外溫度較高時(shí)，不輔助機(jī)械制冷，需要足夠大的換熱面積才能達(dá)到制冷效果。

空氣側(cè)間接冷卻方式中熱管自然冷卻技術(shù)對(duì)室內(nèi)空氣濕度和空氣質(zhì)量沒有影響，通過相變傳熱，高度利用自然冷源。熱管自然冷卻系統(tǒng)的分離式、復(fù)合式、蓄冷式等方式在國(guó)內(nèi)外得到應(yīng)用研究，研究表明，節(jié)能效果各不相同，但節(jié)能明顯[2]。

2.2 水側(cè)自然冷源制冷方式

水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)是水，主要方式為直接利用地表水作為冷源和冷卻塔自然冷卻。目前，已有數(shù)據(jù)中心利用湖水作為自然冷源循環(huán)降溫，節(jié)能效果顯著，并且能在生態(tài)友好的前提下安全運(yùn)行[15]。利用水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)需要考慮自然條件及環(huán)境保護(hù)等因素，大量應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。冷卻塔自然冷卻分多種形式，在文獻(xiàn)[16]中詳細(xì)介紹其適用性和優(yōu)缺點(diǎn)。自然冷源的利用受室外環(huán)境的影響較大，在選擇使用自然冷源時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)及地理環(huán)境合理選擇。

隨著數(shù)據(jù)中心中IT 功率密度的不斷提高，對(duì)制冷的要求也隨之增加。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，得出多種數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的方式方法。學(xué)者們大多突出某種制冷方式以個(gè)別數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)作為研究成果，得到的結(jié)論值得參考，但是缺乏普遍性。

3 自然冷源制冷方式在我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)適用性

本文針對(duì)自然冷卻對(duì)我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)制冷方面節(jié)能效果進(jìn)行分析。我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)地處華南沿海地區(qū)，空氣濕度大，單獨(dú)使用空氣側(cè)直接冷卻系統(tǒng)在含濕量較高的地區(qū)，需要輔助設(shè)備降低含濕量，并且需要不同程度的過濾，節(jié)能效果不理想，在空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的情況下，肖新文通過數(shù)學(xué)建模分析出當(dāng)量自然冷卻時(shí)間及相應(yīng)的制冷時(shí)間占比，得出在夏熱冬暖的廈門地區(qū)，年當(dāng)量完全自然冷卻時(shí)間為3446h，不宜單獨(dú)全年使用[17]?？諝鈧?cè)間接冷卻系統(tǒng)，不需要過濾部分，相對(duì)節(jié)能，但在回風(fēng)溫度低且高濕工況下單獨(dú)使用仍然受到限制?？諝鈧?cè)自然冷卻系統(tǒng)在特定的室外參數(shù)情況下（室外空氣位于露點(diǎn)溫度5.5℃及露點(diǎn)溫度15℃的等含濕量線、27℃等干球溫度線及100%等相對(duì)濕度線包圍區(qū)域內(nèi)[17]），不需要機(jī)械制冷為數(shù)據(jù)中心制冷，此情況在我國(guó)濕熱的福州地區(qū)，全年可達(dá)四千多小時(shí)，空氣側(cè)自然冷卻系統(tǒng)與機(jī)械制冷組合使用，減少機(jī)械制冷時(shí)間，達(dá)到節(jié)能目的[18-19]。目前，大多數(shù)直接（間）蒸發(fā)冷卻的空氣側(cè)自然制冷方式的節(jié)能效果缺少對(duì)用水量的考慮，水消耗引發(fā)電能利用效率PUE。綜合考慮電能利用效率和水利用效率問題，才能設(shè)計(jì)真正節(jié)能高效的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)。

水側(cè)直接水冷卻方式的節(jié)能效果在東江湖數(shù)據(jù)中心、阿里巴巴千島湖數(shù)據(jù)中心得到驗(yàn)證[20]，但在我國(guó)華南地區(qū)的應(yīng)用還有待驗(yàn)證。

水側(cè)自然冷卻的冷卻塔制冷，在夏熱冬暖地區(qū)，因?yàn)槭彝鉁囟热贻^高，免費(fèi)供冷和部分免費(fèi)供冷方式的時(shí)間只有幾十個(gè)小時(shí)，因此單獨(dú)使用水側(cè)自然冷卻模式，其節(jié)能效果不理想。文獻(xiàn)[21]通過理論建模仿真同樣證實(shí)冷卻塔+板換間接式自然供冷系統(tǒng)形式，全年需要機(jī)械供冷時(shí)長(zhǎng)為7973h，不適用于夏熱冬暖地區(qū)。

我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)全年使用免費(fèi)的制冷方式是不現(xiàn)實(shí)的，需要自然冷卻與機(jī)械制冷結(jié)合的復(fù)合冷源制冷方式。復(fù)合冷源制冷并不是兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立的簡(jiǎn)單疊加，增加閥門切換不同制冷系統(tǒng)，這樣存在兩個(gè)系統(tǒng)不能同時(shí)工作，增加換熱設(shè)備等問題，增加運(yùn)維成本，降低自然冷源的利用率，綜合節(jié)能效果變差。復(fù)合冷源制冷需要兩種制冷系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自由切換。清華大學(xué)李震、張曉彤等人提出的新型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)室外氣象參數(shù)自然冷卻、機(jī)械制冷以及復(fù)合制冷的無縫切換，自然冷源利用充分，達(dá)到高效節(jié)能目的，方式值得參考[22]。在注重制冷方式的同時(shí)，也要看到，信息技術(shù)不斷發(fā)展，人工智能技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心制冷可提高制冷系統(tǒng)的智能化水平。通過大數(shù)據(jù)的檢測(cè)分析，根據(jù)能耗影響因素，建立預(yù)測(cè)、調(diào)優(yōu)模型，針對(duì)性地調(diào)控冷量輸出，在遇到突發(fā)情況時(shí)，調(diào)整制冷系統(tǒng)運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、節(jié)能運(yùn)行。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)中心利用自然冷源空氣或水對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷的方式，能夠替代或部分替代機(jī)械制冷的可行性和節(jié)能性受室外氣象參數(shù)影響較大。在我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)，空氣側(cè)間接冷卻方式相較其他冷卻方式更具優(yōu)越性。隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，在自然冷源與機(jī)械制冷組合時(shí)，利用智能控制技術(shù)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外氣象參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同制冷模式的自由切換，提高效率，也將成為又一研究重點(diǎn)。我國(guó)地域遼闊，自然冷卻在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用還需要大量的工程實(shí)際實(shí)踐支持。