01引言

自然冷卻技術是數據中心最有效的節能技術，數據中心常用的自然冷卻技術有水側自然冷卻技術，風側間接自然冷卻技術，風冷冷機自然冷卻技術和風側直接自然冷卻技術。水側自然冷卻技術是國內數據中心最常用的自然冷卻技術，在室外空氣濕溫度較低時，利用低溫的冷卻水與冷凍水換熱，使冷凍水達到供水溫度要求或降低冷凍水溫度，從而減少冷機的開啟時間和強度。風側間接自然冷卻技術是國內新興的自然冷卻技術，在室外空氣溫度較低時或室外空氣濕球溫度較低時，利用室外低溫空氣與數據中心機房回風換熱，使機房送風到達溫度要求或降低回風溫度，從而減少機械制冷的開啟時間和強度。風冷冷機自然冷卻技術特別適用于缺水地區的數據中心，當室外空氣溫度較低時，干冷器產生的低溫冷媒與冷凍水換熱，使冷凍水達到供水溫度要求或降低冷凍水溫度，從而減少冷機的開啟時間和強度。風側直接自然冷卻技術是數據中心最有效的自然冷卻技術，該技術直接利用室外低溫空氣給數據中心機房降溫，減少了換熱流程，在國內西北部地區已經有部分數據中心開始使用該自然冷卻技術。

02風側直接自然冷卻工作模式

如圖1所示，風側直接自然冷卻直接利用室外低溫空氣給數據中心機房降溫，該自然冷卻可分為三種工作模式。

圖1 風側直接自然冷卻原理圖

（1）完全自然冷卻模式

在該工況下風側直接自然冷卻系統完全利用室外自然冷源不用開啟機械制冷；

（2）部分自然冷卻模式

該工況下室外自然冷源不能滿足數據中心送風要求，需要開啟部分機械制冷；

（3）機械制冷模式

該工況為室外空氣焓值大于機房回風空氣焓值或室外空氣質量較差的情況下，機房完全利用機械制冷滿足降溫要求。為實現風側直接自然冷卻最大限度的利用室外自然冷源，數據中心風側直接自然冷卻的完全自然冷卻工作模式需設置不同的工作工況（見圖2）。

圖2 自然冷卻區域焓濕圖

（1）直接新風工況

當室外空氣溫濕度滿足數據中心機房送風溫濕度要求時，室外空氣經過過濾后直接送入機房給IT設備降溫，然后將溫度升高的空氣排出至室外；

（2）直接混合工況

室外空氣溫度低于數據中心機房送風溫度要求，絕對濕度在數據中心送風濕度要求范圍內時，室外低溫空氣經過過濾后與部分機房排風混合，溫度達到機房送風溫度要求，送入機房給IT設備降溫，然后將部分溫度升高的空氣排出至室外，部分溫度升高的空氣再與室外低溫空氣混合；

（3）混合后加濕工況

當室外空氣溫濕度低于數據中心機房送風溫濕度要求時，室外低溫空氣經過過濾后與機房排風混合，再對混合后的空氣進行等焓加濕處理，溫濕度達到機房送風溫濕度要求后送入機房給IT設備降溫，然后將部分溫度升高的空氣排出至室外，部分溫度升高的空氣再與室外低溫空氣混合；

（4）直接加濕工況

當室外空氣焓值低于數據中心機房送風焓值要求且溫度高于機房送風溫度要求時，室外空氣經過過濾后進行等焓降溫加濕處理，空氣溫濕度達到送風溫度要求后送入機房給IT設備降溫，然后將溫度升高的空氣排出至室外。

以上四種工作狀態系統均不用開啟機械制冷,完全實現了利用室外自然冷源給IT設備降溫。

風側直接自然冷卻系統的工作模式切換點與數據中心設計參數息息相關，本研究的各參數為一般工程設計參數，在不同的數據中心項目中都有得到實際應用，從而具有很強的實際意義。

數據中心設計規范要求數據中心冷通道或機柜進風區域溫度在18～27℃范圍內，露點溫度為5.5℃～15℃范圍內，且相對濕度不大于60%[1]，考慮送風溫度精度與現國內數據中心設計送風溫度，取送風溫度為25℃，數據中心機房送風回風溫差一般在8℃～15℃之間[1]，根據送風溫度與服務器循環風量的匹配關系，確定空調送回風溫差為13℃。

通過上文分析，如圖2所示，室外空氣焓值小于等于52.4kJ/kg且露點溫度小于等于15℃，該系統可進入完全自然冷。

以上分析基于平原地區及大氣壓力約為一個大氣壓地區。對于海拔較高地區，由于大氣壓力不同，送風溫度25℃，露點溫度15℃，空氣狀態點所對應的焓值不同。如表1所示，列出了國內部分城市，送風干球溫度為25℃，露點溫度為15℃，送風空氣狀態的焓值，其中大氣壓力根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012查得[2]。當大氣壓力變低時，送風狀態點的空氣焓值增大。從而具體地點的自然冷卻切換點需要具體分析。

表1 部分城市送風狀態點參數表

03數據處理

在上文中分析確定了各地區風側直接自然冷卻系統的工作模式切換點。在此基礎上，根據典型年逐時氣象參數很容易統計出全國各氣象站點風側直接自然冷卻系統的自然冷卻時間[3]，如表2所示列出了部分城市風側直接自然冷卻全年完全自然冷卻時間，圖3為中國氣象站點分布圖。

表2 部分城市全年風側直接自然冷卻時間統計表

空間插值是將離散點的測量數據轉換為連續的數據曲面，以便與其它空間現象的分布模式進行比較，它包括了空間內插和外推兩種算法。反距離權重插值法適用于整體樣本點的密度較大且樣本點的分布比較均勻的數據。因此兩種自然冷卻時間分布圖采用反距離權重插值法插值。

圖3 中國各氣象站點

圖4 插值結果

反距離權重插值是一種常用而簡單的空間插值法，它以插值點與樣本點間距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大。已知各氣象站點值為圖片，根據周圍離散點的值，通過距離加權值求點的值，則

式中：圖片表示統計；圖片為氣象站自然冷卻時間；圖片為計算點的估計值；圖片為氣象站點；圖片與計算點0的距離；圖片為指定的冪。

根據上文流程，制作中國風側直接自然冷卻地圖，并通過裁剪和顏色替換得到圖5。

圖5 中國風側直接自然冷卻地圖

04結　語

（1）自然冷卻地圖反應了各地區風側直接自然冷卻的節能潛力，自然冷卻時間越長的地區，節能潛力越高。在中國西北部地區風側直接自然冷卻的自然冷卻全年自然冷卻時長一般能達到7000h以上，部分地區，甚至全年都處于自然冷卻狀態，無需開啟機械制冷，具有巨大的節能潛力。

（2）風側直接自然冷卻系統的全年自然冷卻時長分布，基本滿足從南到北，自然冷卻時長越來越長；從東向西，自然冷卻時長越來越長。

（3）在四川盆地風側直接自然冷卻系統的全年自然冷卻時長明顯低于周邊地區。

（4）各地區的自然冷卻時長與設計參數息息相關，如提高送風溫度，則自然冷卻時長更長，從而有效的減少機械制冷時間，降低空調能耗。

本文標題：數據中心風側直接自然冷卻節能潛力分析

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