数据中心风侧直接自然冷却节能潜力分析

摘　要：自然冷却技术是数据中心最有效的节能技术，各自然冷却技术的节能效果与全年自然冷却时长息息相关，同种自然冷却技术，一般全年自然冷却时间越长，节能潜力越大。风侧直接自然冷却是最有效的自然冷却技术，文章通过对风侧直接自然冷却技术进行分析，确定自然冷却切换点，并统计全国各气象站点全年室外逐时气象参数，确定各气象站点风侧直接自然冷却方式的全年完全自然冷却时长，并通过空间插值的方法，得到全国各地区该种自然冷却方式的全年自然冷却时长分布图及自然冷却地图。从地图上能直观看出全年该种自然冷却的全国各地区自然冷却时长，从而为数据中心业主和设计师提供选址参考。

关键词：数据中心  风侧直接自然冷却  空间插值  自然冷却地图

01

引　言

自然冷却技术是数据中心最有效的节能技术，数据中心常用的自然冷却技术有水侧自然冷却技术，风侧间接自然冷却技术，风冷冷机自然冷却技术和风侧直接自然冷却技术。水侧自然冷却技术是国内数据中心最常用的自然冷却技术，在室外空气湿温度较低时，利用低温的冷却水与冷冻水换热，使冷冻水达到供水温度要求或降低冷冻水温度，从而减少冷机的开启时间和强度。风侧间接自然冷却技术是国内新兴的自然冷却技术，在室外空气温度较低时或室外空气湿球温度较低时，利用室外低温空气与数据中心机房回风换热，使机房送风到达温度要求或降低回风温度，从而减少机械制冷的开启时间和强度。风冷冷机自然冷却技术特别适用于缺水地区的数据中心，当室外空气温度较低时，干冷器产生的低温冷媒与冷冻水换热，使冷冻水达到供水温度要求或降低冷冻水温度，从而减少冷机的开启时间和强度。风侧直接自然冷却技术是数据中心最有效的自然冷却技术，该技术直接利用室外低温空气给数据中心机房降温，减少了换热流程，在国内西北部地区已经有部分数据中心开始使用该自然冷却技术。

02

风侧直接自然冷却工作模式

如图1所示，风侧直接自然冷却直接利用室外低温空气给数据中心机房降温，该自然冷却可分为三种工作模式。

图1  风侧直接自然冷却原理图

（1）完全自然冷却模式

　　在该工况下风侧直接自然冷却系统完全利用室外自然冷源不用开启机械制冷；

　　（2）部分自然冷却模式

　　该工况下室外自然冷源不能满足数据中心送风要求，需要开启部分机械制冷；

　　（3）机械制冷模式

　　该工况为室外空气焓值大于机房回风空气焓值或室外空气质量较差的情况下，机房完全利用机械制冷满足降温要求。为实现风侧直接自然冷却最大限度的利用室外自然冷源，数据中心风侧直接自然冷却的完全自然冷却工作模式需设置不同的工作工况（见图2）。

图2  自然冷却区域焓湿图

（1）直接新风工况

　　当室外空气温湿度满足数据中心机房送风温湿度要求时，室外空气经过过滤后直接送入机房给IT设备降温，然后将温度升高的空气排出至室外；

　　（2）直接混合工况

　　室外空气温度低于数据中心机房送风温度要求，绝对湿度在数据中心送风湿度要求范围内时，室外低温空气经过过滤后与部分机房排风混合，温度达到机房送风温度要求，送入机房给IT设备降温，然后将部分温度升高的空气排出至室外，部分温度升高的空气再与室外低温空气混合；

　　（3）混合后加湿工况

　　当室外空气温湿度低于数据中心机房送风温湿度要求时，室外低温空气经过过滤后与机房排风混合，再对混合后的空气进行等焓加湿处理，温湿度达到机房送风温湿度要求后送入机房给IT设备降温，然后将部分温度升高的空气排出至室外，部分温度升高的空气再与室外低温空气混合；

　　（4）直接加湿工况

　　当室外空气焓值低于数据中心机房送风焓值要求且温度高于机房送风温度要求时，室外空气经过过滤后进行等焓降温加湿处理，空气温湿度达到送风温度要求后送入机房给IT设备降温，然后将温度升高的空气排出至室外。

　　以上四种工作状态系统均不用开启机械制冷,完全实现了利用室外自然冷源给IT设备降温。

　　风侧直接自然冷却系统的工作模式切换点与数据中心设计参数息息相关，本研究的各参数为一般工程设计参数，在不同的数据中心项目中都有得到实际应用，从而具有很强的实际意义。

　　数据中心设计规范要求数据中心冷通道或机柜进风区域温度在18～27℃范围内，露点温度为5.5℃～15℃范围内，且相对湿度不大于60%^[1]，考虑送风温度精度与现国内数据中心设计送风温度，取送风温度为25℃，数据中心机房送风回风温差一般在8℃～15℃之间^[1]，根据送风温度与服务器循环风量的匹配关系，确定空调送回风温差为13℃。

　　通过上文分析，如图2所示，室外空气焓值小于等于52.4kJ/kg且露点温度小于等于15℃，该系统可进入完全自然冷。

　　以上分析基于平原地区及大气压力约为一个大气压地区。对于海拔较高地区，由于大气压力不同，送风温度25℃，露点温度15℃，空气状态点所对应的焓值不同。如表1所示，列出了国内部分城市，送风干球温度为25℃，露点温度为15℃，送风空气状态的焓值，其中大气压力根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012查得^[2]。当大气压力变低时，送风状态点的空气焓值增大。从而具体地点的自然冷却切换点需要具体分析。

表1  部分城市送风状态点参数表

03

数据处理

在上文中分析确定了各地区风侧直接自然冷却系统的工作模式切换点。在此基础上，根据典型年逐时气象参数很容易统计出全国各气象站点风侧直接自然冷却系统的自然冷却时间^[3]，如表2所示列出了部分城市风侧直接自然冷却全年完全自然冷却时间，图3为中国气象站点分布图。

表2  部分城市全年风侧直接自然冷却时间统计表

空间插值是将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。反距离权重插值法适用于整体样本点的密度较大且样本点的分布比较均匀的数据^[4]。因此两种自然冷却时间分布图采用反距离权重插值法插值。

图3^[5]  中国各气象站点

图4  插值结果

反距离权重插值是一种常用而简单的空间插值法，它以插值点与样本点间距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。已知各气象站点值为，根据周围离散点的值，通过距离加权值求点的值，则

　　式中：表示统计；为气象站自然冷却时间；为计算点的估计值；为气象站点；与计算点0的距离；为指定的幂。

　　根据上文流程，制作中国风侧直接自然冷却地图，并通过裁剪和颜色替换得到图5。

图5  中国风侧直接自然冷却地图

04

结　语

（1）自然冷却地图反应了各地区风侧直接自然冷却的节能潜力，自然冷却时间越长的地区，节能潜力越高。在中国西北部地区风侧直接自然冷却的自然冷却全年自然冷却时长一般能达到7000h以上，部分地区，甚至全年都处于自然冷却状态，无需开启机械制冷，具有巨大的节能潜力。

　　（2）风侧直接自然冷却系统的全年自然冷却时长分布，基本满足从南到北，自然冷却时长越来越长；从东向西，自然冷却时长越来越长。

　　（3）在四川盆地风侧直接自然冷却系统的全年自然冷却时长明显低于周边地区。

　　（4）各地区的自然冷却时长与设计参数息息相关，如提高送风温度，则自然冷却时长更长，从而有效的减少机械制冷时间，降低空调能耗。

参考文献

[1] GB 50174-2017数据中心设计规范[s].

[2] GB 50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[3] 中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版,2005.

[4] 刘光孟.空间分析中几种插值方法的比较研究[J].地理信息世界,2011(3)41-46.

[5] 邓晓斌.基于Arc GIS两种空间插值方法的比较[J].地理信息世界,2008(6):90-92.

来源：《智能建筑与智慧城市》