于洪爽

YU Hong-shuang

（紫光华山科技服务有限公司）

(Huashan Science and Technology Service Co., Ltd.)

1 概述

对于数据中心，制冷系统通常按照其满负载，高室外温、湿度的最恶劣情况进行设计。当数据中心负载较少且室外凉爽时，系统必须降低功率以减少向数据中心供冷。制冷机组的各种装置在这种情况下利用率相当不充分，工作效率极低。为了提高在这种情况下的工作效率，制冷装置经过改进，配置了变频调速驱动、分级控制或者其他功能。但是，仍然非常耗能。于是，工程师开始利用他们的知识与智慧，设法降低数据中心电力消耗，由此节能冷却模式应运而生。

采用节能冷却模式的制冷系统在节约能源和降低碳消耗方面具有很大的潜力。因为在这一模式下，冷水机组等一些高能耗的制冷组件便可以取消、关闭或者低容量运行。经过相关数据中心运维人员调查显示，节能冷却模式可平均降低20%左右的制冷成本和能源消耗。笔者根据近几年做的项目以及前辈们的经验，对数据中心的风侧自然冷却节能方案进行总结与探讨。风侧自然冷却方案包含直接风侧节能冷却模式和间接风侧节能冷却模式，其原理是在室外温度较低时利用室外空气对数据中心机房进行冷却，下文对其进行简述对比。

2 直接风侧节能冷却模式

当室外空气条件满足室内机房温度的设定值时，直接引进新风，新风经过初效和中效过滤器后，经风机送入数据中心。设有新风阀、回风阀和排风阀，通过控制这些风阀，混合风量，保证数据中心内机房的送风温度。但是，尽管送风口已经经过过滤，但是并不能完全消除微颗粒，例如一些烟雾和化学气体，仍然会进入数据中心，所以直接风侧冷却模式结合蒸发辅助，效果会更好些。如果与蒸发辅助合用时，室外新风在进入数据中心之前，首先要穿过湿膜，在一些干燥地区，这种做法能有效降低温度，大大延长了直接风侧冷却模式的可利用时间。

但是，结合蒸发辅助方法的利用，需要综合考虑投资回报率。因为利用蒸发辅助，无疑会增加数据中心内机房的湿度，这就需要消耗另外的除湿能耗，因此额外消耗掉的能源可能会抵消节能冷却模式所节省的能源，得不偿失。

3 间接风侧节能冷却模式

当室外空气条件满足室内机房温度的设定值时，也可利用间接风侧节能冷却模式。利用室外空气间接为数据中心制冷。增加板换热交换器，或者热轮换热器，均可隔离室外污染物或者室外空气湿度的影响，从而满足机房送风条件。热管也是间接风侧冷却的一种隔离技术，目前使用还不广泛。

3.1 板换热交换器冷却模式

这种模式是在直接风侧冷却基础上增加板式热交换器，室外新风先经过板换或盘管，继而冷却穿过盘管或者板换的数据中心机房内的热回风，完全隔离了室内外空气。这种节能冷却模式也可与蒸发辅助结合使用，通过向盘管或者板换的外表面喷水，从而使得室外空气温度进一步降低，冷却机房内的热回风。这种结合方式，并不会只能加机房内的湿度，仅需要补充少量新风，从而满足机房内的温湿度要求。如果室外温湿度太高或者太湿，就需要选择机械制冷作为辅助。

3.2 热轮热交换器冷却模式

热轮换热器技术，和板换热交换技术原理类似，利用风机通过旋转热轮，交换室内外冷热空气，间接冷却室内热回风。热轮换热器采用换热材质较为特殊，能有效防止污染物进入数据中心机房。这种类型的节能冷却模式既能支持在完全节能冷却模式下运行也能支持在部分节能冷却模式下运行。

3.3 热管技术

热管技术的主要原理是在室内外空气接触的地方增加一套热管，风机将室外新风吹过热管，从而冷却热管内的流体，流体被冷却后，再冷却数据中心机房内的热回风。这种技术原理与热轮交换技术类似，也能保证机房内的湿度和洁净度。

4 直接风侧节能冷却和间接风侧节能冷却的比较选择

根据笔者近几年的项目经验及总结，对数据中心设计者和用户经常提及的几项指标，包括投资成本，运营成本，性能，可用性风险进行简要分析对比。

从投资成本方面来看，间接节能冷却系统一般高于直接风侧节能冷却系统。但从整个数据中心项目角度来看，增加的附加费用相对较小。直接风侧冷却模式有一定的限制性，若该地区露点温度超过ASHRAE推荐温度15℃，则需考虑备用系统。然而，即便在最差的情况下，找出低于露点15℃限制的数据中心地点，非常艰难而且不切实际。在此情况下，若选择直接风侧自然冷却系统，大部分数据中心的地点都需要完全后备系统，这就大大增加了投资成本，包括支持数据中心所需的上游配电设备及发电机的投资成本，此时采用直接风侧节能方案并不是个明智的选择。

从运营成本方面来看，直接风侧节能冷却系统由于直接引进室外新风，需要频繁更换过滤器，这也使得维护的成本增加，尤其是在高温高湿地带。即便室外条件较为适宜，根据相关数字比较，成本和间接风侧节能模式相近。间接风侧节能冷却系统与地理位置关联度低，室外空气完全通过空—空交换器隔离，这样延长了节能冷却模式运行的时间，从而降低了运行和维护成本。

从效率方面来看，在室外条件适宜的情况下，直接风侧节能冷却系统不需要传热。但是随着过滤器堵塞，将会是风机的功耗增加。间接风侧节能冷却系统因为室内和室外之间增加了一个热交换过程，所以效率有所降低。

从可用性风险方面来看，直接风侧节能冷却系统需要根据室外空气质量的好坏，定期更换过滤器，若系统使用高MERV级过滤，在发生火灾的情况，若采用洁净灭火剂灭火，必须关闭该系统，从而使该系统的人为失误风险增加。间接风侧节能冷却系统消除了空气质量不佳或灭火时带来的风险，也降低了因停水而宕机的风险。从以上分析可知，直接风侧节能冷却系统的可用性风险只能通过提高成本和运行的成熟度来防御。然而，支付这些安全保证费用会对财务造成不良影响。因此，数据中心的运营者必须提前考虑好直接风侧冷却系统所带来的风险，提前做好安全措施。由此对比便知，间接风侧节能冷却方案才是最佳选择。

5 总结

数据中心选择直接风侧节能还是间接风侧节能，取决于诸多因素，地理位置、投资成本、运营成本、可用风险以及获益情况等等都需要综合考虑，需要进行充分的比较和分析。根据对以往项目的经验分析发现，这两种模式都能通过极少使用或不使用机械制冷的情况下为数据中心机房提供冷量。从全球范围来看，间接风侧节能冷却模式消耗的能源明显低于直接风侧节能模式，而且可用风险降低，但是投资成本相对高些。为规避直接风侧节能冷却系统的这些风险，从而需要增设的额外投资成本，降低了该系统的优势。所以，间接风侧节能冷却模式是大部分数据中心用户的最佳选择。

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