基于自然冷却技术应用的数据中心空调系统节能分析

司智华 徐凤富

摘要：随着科技的不断发展，互联网、电子商务、物联网的迅猛发展产生了海量的数据，作为数据存储、交换的数据中心也成为不可缺少的基础设施。数据中心往往需要面临多台电子设备、存储设备的高速、长时间运行，电能的不完全转化会使得数据中心温度不断上升，高温对于设备的影响是十分明显的，因此数据中心安装空调系统已经成为常态，但空调系统的长时间运行所消耗的电量和成本也成为数据中心经济效益提升的阻碍，本文将对自然冷却技术进行分析，探讨自然冷却技术在数据中心空调节能方面的作用，为数据中心的进一步发展提供思路。

关键词：自然冷却技术;技术应用;数据中心;空调节能系统

科技的发展，使得数据技术不断发展与进步，数据中心空调系统的节能设计需要数据技术的支持。自然冷却技术是通过热传递方式将数据中心向环境外排除热量，以此来降低数据中心温度，其优点是在过渡季节又或者是冬季，制冷技术能够自动调换成免费的自然冷源，无需压缩机运转，进而实现了数据中心空调系统节能的设计目标。

1数据中心空调系统的组成

数据中心空调系统主要是由三部分组成，分别是降温系统、散热系统以及制冷系统，能源消耗量较大的两部分是制冷与散热系统。降温系统主要依靠水蒸发将设备运行中产生的热量进行散除，干燥的北方地区湿度偏低，数据中心的空调散热比较适合引用该系统，该系统的工作原理是利用冷却塔与喷头通过换热效率散除热量。散热系统主要依靠设备运行产生的水量与风量，通过风机将热量从设备内部输送到外部环境，完成设备运行的散热工作[1]。制冷系统是确保数据中心运行温度正常的基础性系统，主要是借助制冷剂的高、低压形态通过冷水机组完成散热工作。

2数据中心空调系统节能分析之自然冷却技术

2.1水侧自然冷却技术

水侧自然冷却技术的应用原理是在串联电路中将板式换热器连接在冷却水系统及冷水之中，设计冷却水的水温在13℃--17℃范围内。如若冷却水系统水温大于15℃，制冷系统将全面开启制冷功能;如若冷却水系统水温在10℃--15℃范围内时，自然冷却技术将会发挥部分作用，使得系统开启部分免费制冷功能;如若冷却系统水温小于10℃，冷水机组将会停止工作，自然冷却技术完全发挥作用使得系统开启全免费制冷功能。水侧自然冷却技术的应用能够在一定的季节内减少空调压缩机的运行时间，从而为制冷系统的运作节省了部分能源消耗。谷歌企业是使用水侧自然冷却技术的代表，其数据中心多半在沿海地区，使用海水做制冷能量。

2.2风侧自然冷却技术

风侧自然冷却技术细分包括直接式、间接式以及蒸发式三种，其制冷原理是将外部环境的自然冷空气输送到混风机房当中，借助混风室进行室内外回风混合、过滤及加湿，之后传输到蒸发盘管进行待冷却，最后输送至机房发挥制冷作用，此冷空气运输环节在降低回风温度的同时有利于空调系统实现节能减排的目标，该技术一般适合应用于天气较为寒冷的地区，北方的冬天比较适合引用。黑龙江省哈尔滨市某企业的数据中心采用的是风侧自然冷却技术，该地区冬季空气寒冷，数据中心机房值冬季一般是在1.25-1.30范围内，非冬季机房值一般是在1.4-1.5之间，冷却技术效率能够获得充分发挥[2]。

3自然冷却技术应用的数据中心空调系统节能分析

3.1数据中心空调系统能源损耗分析

为响应国家节能减排的方针政策，各企业开始应用先进的科学技术对生产设备进行更新、升级，使得生产全过程环保又节能。数据中心属于耗电集成体，全年不停歇的工作性质使其运转需要消耗大量的能量与资源，并且会产生大量的废气污染物以及水污染，不利于企业环保事业的开展，更不利于国家青山、绿水的建设。数据中心是企业成本投资的重大项目，

降低其对能源的消耗，有利于减少企业投资成本，使得企业获得更多的净营利润[3]。在数据中心系统中，空调系统的能量消耗最多，大致可以占到总消耗量的90%以上，其他辅助设备能量消耗仅占10%以下。为此，进行空调系统节能设计是有必要的。

3.2数据中心空调系統节能技术应用

数据中心的运作性质使得自然冷却技术的应用势在必行，借助自然冷却技术有利于减少空调系统的能源消耗，空调系统的节能技术有很多种，如变频技术、制冷回风技术、自然冷却技术以及机房空调控制技术等，不同地区不同的使用环境，可以选择相适应的技术型空调制冷系统，在环境恶劣，天气多变的地区可以考虑选择技术的综合性应用，有利于缩短空调运行时间，降低空调运行的耗电量，延长空调系统的使用寿命[4]。自然冷却技术在数据中心应用的节能效果显著，利用环境中的自然冷空气将系统内部热量进行调换，实现空调系统的散热功能，进而驱散数据中心工作时产生的大部分热量。

3.3自然冷却节能技术应用的可行性

计算机技术的普遍应用，使得数据中心的技术操作要求更加严谨，设备运行的温度、湿度都要控制在合理的范围内，以便于提高数据中心运行的可靠性。合理控制数据中心的温度及湿度，需要自然冷却技术的支持，需要机房设备的安全运转，通过调节空调系统确保数据设备正常运行[5]。北方冬季寒冷，空调系统中的压缩机能够将外部自然的冷空气与内部热量进行回调，减少空调系统的制冷运作时间，科学引用可再生的自然资源，有利于不可再生能源损耗的降低。

结束语：

数据中心运行需要自然冷却技术的支持，空调系统的节能设计能够保障无论是何种季节，何种室内外温度差，空调都能发挥温度调控功能平衡数据中心与环境间的温度。信息技术时代，充分利用数据技术降低数据中心的能量消耗，响应国家政策实现节能减排运营模式，减少空调系统的耗电量，有利益企业运行成本的降低，响应国家发展的环保政策。

参考文献：

[1]王飞.自然冷却技术应用于数据中心的方案分析[J].制冷与空调，2020，20（02）：25-30.

[2]陈广闯，张军.数据中心自然冷却技术研究综述[J].建筑热能通风空调，2020，39（07）：46-51.

[3]耿志超.干燥地区数据中心间接蒸发自然冷却空调系统的应用研究[D].西安工程大学，2018.

[4]任飞.重庆某数据中心冷却塔自然冷却技术应用方案及其节能潜力研究[A].中国建筑学会建筑热能动力分会.中国建筑学会建筑热能动力分会第二十一届学术交流大会论文集[C].中国建筑学会建筑热能动力分会：，2019：5.

[5]刘宏宇.基于辐射对流耦合高效换热的节能新型数据中心机房空调系统研究[D].太原理工大学，2019.