浅析自然冷却在数据中心的应用

在当今的数据中心中，数据中心整体输入功率的40%是被制冷设备所消耗的，在极恶劣的情况下，这个数会达到60%。电力正在成为一种紧缺资源，应该用于极大程度地发挥服务器的效能，而不是浪费在对制冷设备的非必要驱动上。除了降低成本、实现更高效的电力管理之外，业界一直有关于采用节能型制冷系统的低单位面积碳排放的“ 绿色” 数据中心的讨论。

数据中心需要使用空调系统来降低由服务器和其他热源产生的热量，且空调系统需要冗余配置，实现每天7×24小时的高可靠性和高可用性。温度、湿度和空气洁净度必须符合IT设备制造商的设计规范。数据中心关键制冷系统中的风机、压缩机、水泵等设备的压缩机能耗占比较高。理论上讲，只有在外界环境温度高于数据中心内部温度时才需要空调系统内的机械制冷。如果环境温度较低，则无需制冷压缩机工作，室外的冷源可以通过直接或间接的方式引入室内，从而减少压缩机的使用时间，达到节约电能的目的。这种直接或间接利用外界冷源对数据中心进行冷却，缩短压缩机运行时间的做法，业内称之为自然冷却方式。

应用自然冷却的精密空调产品解决方案主要有以下四种方式：

直接自然冷却：当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，为室内降温。当室外温度高，不足以带走室内热量时，则开启机械制冷。

间接自然冷却：室外侧冷源通过某种热换工质将机房热量转移到室外侧，可分为乙二醇干冷器式间接自然冷却、氟泵式间接自然冷却和风冷冷水机组间接自然冷却。

间接自然冷却的三种方式，对比如下：

运行模式：氟泵式间接自然冷却系统只有压缩机运行和自然冷却运行两种模式，在5摄氏度以下才能实现自然冷却功能；乙二醇干冷器式和风冷冷水机组式系统除了这两种模式外，还具备混合模式，大大延长了自然冷却的运行时间，在20摄氏度以下就能实现自然冷却功能。

换热能力：氟泵式间接自然冷却系统换热效果较差，水泵和室内外风机能耗较大。即使在冬季进行自然制冷，虽然压缩机不启动，但是因为氟利昂的比热容较水小，约为水的比热容的1/3，室外机组和室内机组盘管走的都是氟利昂，要达到和以水为工质相同的散热量，流量至少要增加3倍以上，泵和风机功耗都将大大增加。间接自然冷却风冷冷水机组系统换热效果中等，主要受制于风冷冷水机组结构空间限制，自然冷却盘管换热面积较小。

在以上三种自然冷却方式中，乙二醇干冷器式间接自然冷却系统换热效果较理想。水的比热是氟利昂的约3倍，在冬季进行自然制冷，水泵以及室内外风机运行消耗也少很多，同时还有多种灵活的运行模式以及动态水温控制管理等功能，比自然蒸发式氟泵机组和自然制冷的冷水主机进一步节能。

可靠性：氟泵式间接自然冷却系统的可靠性低，主要原因是系统核心部件压缩机液击及氟泵气蚀的频率较高。压缩机故障率较高的主要原因是机组在两种模式之间切换时，无法保证蒸发器的冷媒全部为气态，压缩机液击的风险较大。频繁的液击易导致压缩机损坏，氟泵气蚀是由于泵的吸入段可能存在气液态混合的氟利昂。

乙二醇干冷器式自然冷却系统和风冷冷水机组系统的可靠性高：室外机组和室内机房空调都采用成熟的技术，稳定可靠。

综合考虑各项因素，乙二醇干冷器式间接自然冷却方式在可靠性、节能性方面是一种较理想的解决方案。当数据中心处于较低温度地域，空气环境条件较好，建筑等客观条件具备的情况下，新风直接自然冷却是节能方面的极佳选择。

（本文由世图兹（STULZ）集团提供。该集团于1947年在德国汉堡建立，是全球化的精密空调设备生产制造商，也是全球IT应用领域领先的精密空调品牌。STULZ于1986年进入中国，于2005年在上海建立生产基地，目前拥有7800平方米的厂房，300余名员工，年产量10000台机组。在快速发展自身规模的同时，STULZ中国生产基地秉承德国严谨的专业技术，确保为中国市场提供极高端、优质的精密空调。）