張海南　邵雙全　田長(zhǎng)青

(1中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(理化技術(shù)研究所)　北京　100190；2 熱力過(guò)程節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所)　北京　100190；3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)　北京　100049)

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數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)研究進(jìn)展

張海南1,2,3邵雙全1,2田長(zhǎng)青1,2

(1中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(理化技術(shù)研究所)北京100190；2 熱力過(guò)程節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所)北京100190；3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049)

數(shù)據(jù)中心的能耗增長(zhǎng)日益受到關(guān)注，其能耗的很大部分是用于機(jī)房冷卻。采用節(jié)能冷卻方法是節(jié)能減排的迫切要求，自然冷卻技術(shù)是其中的有效方法之一。自然冷卻技術(shù)的實(shí)施有三種主要方式：空氣側(cè)自然冷卻、水側(cè)自然冷卻和熱管自然冷卻?？諝鈧?cè)自然冷卻簡(jiǎn)便易行且節(jié)能效果好，但會(huì)影響室內(nèi)空氣質(zhì)量和濕度。水側(cè)自然冷卻可以在原有的空調(diào)機(jī)組上改造實(shí)現(xiàn)，但由于增加了中間傳熱過(guò)程其節(jié)能效果有限。熱管自然冷卻避免了對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，且同時(shí)利用相變傳熱節(jié)能效果較好。本文總結(jié)了近年來(lái)這三種自然冷卻技術(shù)的最新進(jìn)展，為這一領(lǐng)域的研究提供參考。

制冷；空調(diào)；數(shù)據(jù)中心；自然冷卻；進(jìn)展

信息技術(shù)作為一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，對(duì)人類的社會(huì)形態(tài)和生活方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。隨著信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為輔助設(shè)施的數(shù)據(jù)中心，數(shù)量與規(guī)模也在大幅度增長(zhǎng)[1-2]。從廣義上來(lái)講，數(shù)據(jù)中心是指所有含有數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信設(shè)備、冷卻和供電設(shè)備的建筑、廠房[3]。數(shù)據(jù)中心機(jī)房是高能耗建筑，隨著其數(shù)量與規(guī)模的增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心的能耗越來(lái)越不容忽視。2000—2005年，全世界數(shù)據(jù)中心能耗翻了一倍；2005—2010年，數(shù)據(jù)中心能耗增長(zhǎng)趨勢(shì)受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響有所減緩，但仍然增長(zhǎng)了56%，2010年已占全球能耗總量的1.3%[4-5]。美國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗更是由2000年占總能耗的0.12%增長(zhǎng)到2010年的約2%[4-5]。

在數(shù)據(jù)中心能耗的組成中，制冷系統(tǒng)能耗占相當(dāng)大的部分，約占數(shù)據(jù)中心總能耗的30%～50%[6-8]。一個(gè)典型數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成如圖1所示[9]。

目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)多采用恒溫恒濕的空調(diào)設(shè)備，利用電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功制造低溫冷源，通過(guò)冷熱通道送回風(fēng)的方式將機(jī)房?jī)?nèi)產(chǎn)熱排出室外，并維持室內(nèi)的濕度穩(wěn)定，其原理如圖2所示。這種傳統(tǒng)空調(diào)方式的能源利用率較低，主要存在以下問(wèn)題：

圖1 典型數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成[9]Fig.1 Energy consumption composition of one typical data center[9]

圖2 數(shù)據(jù)中心冷熱通道布局Fig.2 Hot and cold channel layout for data center

1)自然冷源利用率低。由于壓縮式制冷自身的限制，數(shù)據(jù)中心機(jī)房難以借助自然冷源排熱。對(duì)于我國(guó)大部分地區(qū)，全年有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)室外溫度低于數(shù)據(jù)中心室內(nèi)控制溫度，理論上不需要啟動(dòng)壓縮機(jī)制冷，而這部分自然冷卻時(shí)間恰恰是目前的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)不能有效利用的。

2)冷卻介質(zhì)間的多次換熱降低了換熱效率。通過(guò)冷卻機(jī)房?jī)?nèi)的空氣，再通過(guò)機(jī)房?jī)?nèi)的空氣對(duì)發(fā)熱電子元件進(jìn)行冷卻，都缺乏對(duì)電子元件溫度的直接控制。由于電子元件面積小，而且與空氣換熱系數(shù)小，需要增加散熱器等設(shè)備以增加散熱表面面積，并且需要維持機(jī)房?jī)?nèi)相對(duì)低的環(huán)境溫度，以滿足電子元件正常工作的散熱要求，因而冷卻介質(zhì)間的多次換熱導(dǎo)致系統(tǒng)換熱效率大大降低。

3)氣流組織分配不均引起能耗增加。由于冷源集中布置，送風(fēng)距離遠(yuǎn)，送風(fēng)量往往很大，再加上風(fēng)系統(tǒng)中各設(shè)備阻力特性的差異，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)氣流組織和溫度場(chǎng)分布不均。為使得最不利點(diǎn)的溫濕度也能滿足設(shè)備正常運(yùn)行所需的要求，往往被迫加大送風(fēng)量，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗激增。

因此，采用先進(jìn)的節(jié)能冷卻技術(shù)有效解決上述問(wèn)題，合理控制和降低冷卻系統(tǒng)的能耗，從而降低數(shù)據(jù)中心總能耗，不僅可以為企業(yè)節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，也是節(jié)能減排的必然要求。

針對(duì)上述后兩點(diǎn)問(wèn)題，已有眾多學(xué)者和企業(yè)提出了若干解決方案，包括采用變頻風(fēng)機(jī)[10]、天花板冷卻器[11]、背板冷卻器[12]、優(yōu)化穿孔地板的結(jié)構(gòu)[13-16]和機(jī)架布置方式[17-18]、改變送回風(fēng)方式[19-21]等。針對(duì)上述第一點(diǎn)問(wèn)題，近年來(lái)迅速發(fā)展的自然冷卻技術(shù)是理想的解決方案，也是本文的論述重點(diǎn)。

對(duì)于絕大多數(shù)地區(qū)來(lái)說(shuō)，全年有相當(dāng)多的時(shí)間室外氣溫低于數(shù)據(jù)中心室內(nèi)溫度。利用自然界的低溫冷源進(jìn)行冷卻的方案被稱為自然冷卻[22-23]。它通過(guò)降低機(jī)械制冷的運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)全年能耗降低。在過(guò)去的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由于數(shù)據(jù)中心的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求十分嚴(yán)格，自然冷卻技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間和地域受到限制。自2008年以來(lái)，ASHRAE在其編寫的“數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制指導(dǎo)書”中兩次放寬了數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)[24-26]。2011年版的“數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制指導(dǎo)書”將數(shù)據(jù)中心分為4個(gè)等級(jí)，如圖3所示。其中，A1和A2等級(jí)對(duì)應(yīng)于2008年版的等級(jí)1和2，增加了2個(gè)對(duì)環(huán)境控制更加寬松的等級(jí)A3和A4。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)對(duì)可靠性的要求選用相應(yīng)的環(huán)境等級(jí)。數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制要求的拓寬使得每年可利用自然冷卻的時(shí)間更長(zhǎng)，為自然冷卻技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。與之相比，我國(guó)的數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制范圍較為嚴(yán)格，GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的環(huán)境控制要求分為A，B和C三個(gè)等級(jí)，僅C級(jí)較為寬松，控制標(biāo)準(zhǔn)為18～28 ℃[27]。拓寬環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)有利于我國(guó)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排。目前，自然冷卻技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能的最有效方法之一[28]，有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖3 ASHRAE數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制分級(jí)[26]Fig.3 ASHARE environmental control classes for data center[26]

自然冷卻可以分為空氣側(cè)自然冷卻、水側(cè)自然冷卻和熱管自然冷卻。下面將分別針對(duì)這三種自然冷卻方法論述國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展。

1 空氣側(cè)自然冷卻

空氣側(cè)自然冷卻可以分為直接式和間接式。直接式是指直接將室外冷空氣引入數(shù)據(jù)中心；間接式是指通過(guò)空氣-空氣換熱器利用室外冷空氣。

在室外溫度適宜的情況下，直接將部分室外新風(fēng)引入數(shù)據(jù)中心是最直接的自然冷卻方法，稱為直接式空氣側(cè)自然冷卻，如圖4所示。直接式空氣側(cè)自然冷卻系統(tǒng)是由控制器、氣流調(diào)節(jié)器和風(fēng)扇等設(shè)備組成[29]。

圖4 直接式空氣側(cè)自然冷卻Fig.4 Direct airside free cooling

為了提高直接式空氣側(cè)自然冷卻的效果，一些學(xué)者進(jìn)行了控制策略和新式結(jié)構(gòu)的研究。Chen Y等[30-31]提出了一種通信基站的通風(fēng)冷卻控制策略。針對(duì)廣州一處典型的通信基站，提出了保證室內(nèi)溫濕度、提高節(jié)能效果的通風(fēng)控制策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能約49%。Kumari N等[32]研究了室外冷空氣不同分配方式的影響，包括引入冷通道、增壓送風(fēng)艙內(nèi)靠近空調(diào)送風(fēng)口、熱通道和空調(diào)回風(fēng)口等不同方式。Chang Y T等[33]設(shè)計(jì)了一種自然冷卻的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，在外墻上開孔，冷空氣通過(guò)這些孔進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，然后通過(guò)安裝在數(shù)據(jù)中心頂部的風(fēng)機(jī)將受熱空氣排出。

目前，直接式空氣側(cè)自然冷卻的節(jié)能效果已在世界很多地區(qū)得到了研究和證明，包括美國(guó)[34]、歐洲[34]、澳大利亞[34-35]和韓國(guó)[36]等。此種自然冷卻方法已經(jīng)被許多數(shù)據(jù)中心所采用，約占所用自然冷卻方式的40%[37]。許多IT公司對(duì)自有的數(shù)據(jù)中心采用了直接式空氣側(cè)自然冷卻措施。Intel公司對(duì)一座10 MW的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月的空氣側(cè)自然冷卻研究，結(jié)果表明每年可以節(jié)約287萬(wàn)美元電費(fèi)[38]。Microsoft和Google公司在歐洲新建了采用新風(fēng)自然冷卻的數(shù)據(jù)中心[39-40]。

然而，這種方法可能導(dǎo)致室內(nèi)污染物濃度的提高以及濕度的破壞，從而帶來(lái)設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)，因此并未被廣泛接受。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者近年來(lái)對(duì)此類污染的控制方法以及引入污染帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了有益的探索研究。Ferrero L等[41-42]對(duì)數(shù)據(jù)中心浮塵類污染物含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究。采用這種監(jiān)測(cè)方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污染物的濃度，實(shí)現(xiàn)了直接式空氣側(cè)自然冷卻全年節(jié)能81%(與傳統(tǒng)空調(diào)相比)。Dai J等[43-44]研究了直接引入新風(fēng)冷卻所帶來(lái)的故障風(fēng)險(xiǎn)，并且研究了降低這種風(fēng)險(xiǎn)的方法。美國(guó)Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Shehabi A等[45-48]對(duì)空氣側(cè)自然冷卻的可行性進(jìn)行了大量研究。對(duì)加利福尼亞州的8個(gè)數(shù)據(jù)中心的研究表明，利用空氣側(cè)自然冷卻導(dǎo)致的污染物顆粒濃度提高并未超過(guò)ASHRAE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)上限，如果結(jié)合良好的空氣過(guò)濾器甚至可以忽略。高效空氣過(guò)濾器與自然冷卻器聯(lián)合使用，可以與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)一樣達(dá)到有效的顆粒污染物隔離作用。同時(shí)，加裝自然冷卻器的數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)濕度的控制。他們指出，目前的數(shù)據(jù)中心環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于嚴(yán)格，可以進(jìn)一步放寬以適應(yīng)自然冷卻的應(yīng)用需要。然而，對(duì)一些空氣質(zhì)量較差的地區(qū)來(lái)說(shuō)，有研究表明直接式空氣側(cè)自然冷卻會(huì)引入較高的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。尹華等[49]研究了中國(guó)通信基站采用通風(fēng)自然冷卻的可行性。實(shí)驗(yàn)表明，由于空氣灰塵較大，在哈爾濱和北京不適合采用空氣側(cè)自然冷卻方案。而上海、昆明和廣州的天氣條件則較為適合，全年的通風(fēng)冷卻時(shí)間分別為3949 h，6082 h和4089 h。因此，直接式空氣側(cè)自然冷卻的風(fēng)險(xiǎn)取決于當(dāng)?shù)貧夂驐l件。

間接式空氣側(cè)自然冷卻是采用空氣-空氣換熱器利用室外冷空氣。一個(gè)典型的系統(tǒng)是京都轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)[50]，如圖5所示。系統(tǒng)在原有的直膨式空調(diào)上增加一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪，利用轉(zhuǎn)輪內(nèi)填料的儲(chǔ)能功能，讓轉(zhuǎn)輪在兩個(gè)封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，被室外空氣冷卻的填料冷卻室內(nèi)空氣。這種系統(tǒng)可以在傳統(tǒng)空調(diào)的基礎(chǔ)上改造而成，且不會(huì)影響室內(nèi)環(huán)境。此類系統(tǒng)的年平均能效可以達(dá)到8～10。然而，由于所需換熱面積較大，且轉(zhuǎn)輪的安裝需要對(duì)外墻大幅改造，此類系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。

圖5 京都轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)[50]Fig.5 Kyoto rotarywheel system[50]

2 水側(cè)自然冷卻

水側(cè)自然冷卻一般是在原有機(jī)房冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增加水側(cè)自然冷卻器而成，具體有以下幾種實(shí)施方式：

1)直接水冷式。此類系統(tǒng)直接將室外冷水引入數(shù)據(jù)中心。Clidaras J等[51]提出了一種坐落于船上的數(shù)據(jù)中心，直接將海水作為數(shù)據(jù)中心冷源，通過(guò)安裝在室內(nèi)的換熱器對(duì)室內(nèi)空氣降溫。這種數(shù)據(jù)中心依賴水源，其應(yīng)用受到限制，同時(shí)海水的波浪運(yùn)動(dòng)和臺(tái)風(fēng)、海嘯等現(xiàn)象也對(duì)數(shù)據(jù)中心構(gòu)成了威脅。

2)空冷式?？绽涫剿畟?cè)自然冷卻是指采用空氣冷卻器冷卻循環(huán)水，輔助空調(diào)系統(tǒng)降溫。一個(gè)較為廣泛的例子是采用次級(jí)盤管的系統(tǒng)[52]，如圖6所示。在室外氣溫較低的時(shí)間，直膨式空調(diào)機(jī)利用次級(jí)盤管利用室外低溫冷源。但這種系統(tǒng)在蒸氣壓縮制冷的時(shí)間，能效比普通空調(diào)有所降低，因?yàn)槭覂?nèi)空氣側(cè)的阻力損失增大。

另一個(gè)例子是采用集成干式冷卻器的系統(tǒng)[52]，如圖7所示。一個(gè)干式冷卻器被集成在空冷式冷水機(jī)組之中，當(dāng)室外溫度滿足要求時(shí)，泵將冷凍水(通?；煊幸叶?送入并穿過(guò)干式冷卻器，在這里利用室外冷空氣冷卻冷凍水，然后將冷卻后的冷凍水送往室內(nèi)。與現(xiàn)場(chǎng)安裝同樣的組件相比，這種成套式解決方案占用面積較小。而且，這種系統(tǒng)通過(guò)安裝多個(gè)冷水機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余配置。多余出來(lái)的冷水機(jī)組的干式冷卻器可以應(yīng)用于自然冷卻時(shí)間，以增大自然冷卻的換熱面積。

圖6 采用次級(jí)盤管的空冷式水側(cè)自然冷卻[52]Fig.6 Air cooled waterside free cooling with second coil[52]

圖7 采用集成干式冷卻器的空冷式水側(cè)自然冷卻[52]Fig.7 Waterside free cooling with integrated type dry cooler[52]

3)冷卻塔式。此類系統(tǒng)利用冷卻塔提供冷卻水。含有兩個(gè)水循環(huán)：冷卻水(外側(cè))循環(huán)和冷凍水(內(nèi)側(cè))循環(huán)。傳統(tǒng)的水冷機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)可以通過(guò)增加水側(cè)自然冷卻器旁通冷水機(jī)組，構(gòu)建此類系統(tǒng)，如圖8所示[52]。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，水泵驅(qū)動(dòng)冷卻塔提供的冷卻水，通過(guò)水側(cè)自然冷卻器給冷凍水降溫。

冷卻塔式水側(cè)自然冷卻可以與吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)合，而吸收式制冷系統(tǒng)可以方便地利用太陽(yáng)能以及數(shù)據(jù)中心廢熱提高整體能效[53]。吸收式太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)也被用于數(shù)據(jù)中心自然冷卻。Hamann H F等[54]提出了一種同時(shí)利用自然冷源和太陽(yáng)能的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)，如圖9所示。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，冷水機(jī)組被旁通，數(shù)據(jù)中心利用自然冷源。同時(shí)，太陽(yáng)能集熱器收集的熱能驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)組，在需要的時(shí)間也可以為冷凍水循環(huán)提供冷量。

圖8 冷卻塔式水側(cè)自然冷卻[52]Fig.8 Waterside free cooling with cooling tower[52]

1冷卻塔 2旁通閥 3制冷機(jī) 4外部水循環(huán) 5內(nèi)部水循環(huán) 6換熱器 7空氣處理機(jī)組 8芯片 9蓄冷器 10吸收式制冷機(jī) 11太陽(yáng)能集熱器圖9 可以利用太陽(yáng)能的水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)[54]Fig.9 Waterside free cooling which can utilize solar energy[54]

3 熱管自然冷卻

熱管自然冷卻是指采用熱管傳遞室外冷量的自然冷卻技術(shù)。雖然嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這一方法屬于間接式空氣側(cè)自然冷卻，但由于其具有自身特點(diǎn)且已成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域，筆者將其單獨(dú)列出。熱管具有良好的小溫差傳熱性能，無(wú)需外部能量輸入，同時(shí)不會(huì)引入室內(nèi)污染物，近年來(lái)熱管自然冷卻技術(shù)受到廣泛關(guān)注，很多學(xué)者開始進(jìn)行這方面研究。熱管自然冷卻按照功能可以分為單獨(dú)的熱管冷卻和熱管/機(jī)械制冷一體式冷卻。

3.1 單獨(dú)的熱管冷卻系統(tǒng)

圖10分離式熱管自然冷卻系統(tǒng)[55]Fig.10 Separate type heat pipe free cooling system[55]

Weber R M等[61]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用整體式熱管的自然冷卻系統(tǒng)，如圖11所示。數(shù)據(jù)中心上方設(shè)有增壓風(fēng)道，機(jī)柜上方的熱管穿過(guò)數(shù)據(jù)中心天花板，與風(fēng)道內(nèi)的室外冷空氣換熱。此系統(tǒng)將數(shù)據(jù)中心分為兩個(gè)空間，可以將熱管設(shè)備包含在數(shù)據(jù)中心之內(nèi)，減小了熱管設(shè)備的損壞幾率。彭永輝[62]和 Tozer R等[63]設(shè)計(jì)的熱管自然冷卻系統(tǒng)也應(yīng)用了類似結(jié)構(gòu)。

圖11 設(shè)有增壓風(fēng)道的熱管自然冷卻系統(tǒng)[61]Fig.11 Heat pipe free cooling system with pressurized plenum air duct[61]

李奇賀等[64]提出了一種帶有室外風(fēng)道的熱管自然冷卻系統(tǒng)，其中熱管采用整體式熱管，如圖12所示。當(dāng)室內(nèi)外溫差范圍為5～24 ℃時(shí)，系統(tǒng)EER為3.63～10.64。實(shí)驗(yàn)表明此系統(tǒng)在冬季可完全代替蒸氣壓縮式制冷空調(diào)機(jī)組。

圖12 帶有室外風(fēng)道的熱管自然冷卻系統(tǒng)[64]Fig.12 Heat pipe free cooling system with outdoor air duct[64]

馬國(guó)遠(yuǎn)等[65]實(shí)驗(yàn)研究了一種機(jī)房用泵驅(qū)動(dòng)回路熱管的性能，如圖13所示。系統(tǒng)主要由制冷劑泵、室內(nèi)側(cè)并聯(lián)安放的 2組蒸發(fā)器、室外側(cè)并聯(lián)安放的2組冷凝器、儲(chǔ)液罐以及連接管道等組成，循環(huán)工質(zhì)為R22。系統(tǒng)依靠制冷劑泵獲得循環(huán)動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)室外溫度低于15 ℃時(shí)，與傳統(tǒng)空調(diào)散熱相比節(jié)能達(dá)到36.57%。此類系統(tǒng)由于依靠泵驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部循環(huán)流量較大，與相同尺寸換熱面積的普通熱管換熱器相比可獲得更大的散熱量，但機(jī)械泵也帶來(lái)了一部分電能消耗。

1冷凝器 2儲(chǔ)液罐 3泵 4蒸發(fā)器圖13 泵驅(qū)動(dòng)回路熱管自然冷卻系統(tǒng)[65]Fig.13 Heat pipe free cooling system with pumped loop[65]

馬國(guó)遠(yuǎn)等[66-68]對(duì)熱管自然冷卻的節(jié)能潛力進(jìn)行了一系列研究：通過(guò)建立熱管設(shè)備和原有基站空調(diào)的聯(lián)動(dòng)控制策略，保證二者的協(xié)同工作，在熱管機(jī)組的啟動(dòng)溫差為3 ℃情況下，模擬分析結(jié)果表明我國(guó)大部分地區(qū)可以節(jié)能30%～50%：著重分析了機(jī)房?jī)?nèi)重力熱管換熱器和空調(diào)各自的散熱負(fù)荷和能耗特性，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)定溫度和室外溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明對(duì)于北京地區(qū)的天氣條件全年能耗比普通空調(diào)下降約40%。

目前，大多數(shù)機(jī)房用分離式重力熱管采用R22或R134a工質(zhì)。目前這兩種制冷劑的應(yīng)用逐步受到限制，替代工質(zhì)的熱管性能研究逐漸受到重視。陳嵐等[69]研究了以丙酮為工質(zhì)的分離式重力熱管的性能，特別是針對(duì)充液率的影響進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究：在設(shè)定加熱功率為l 400 W，空氣流速為1.3 m/s時(shí)，最佳充液率范圍為70%～114%(以蒸發(fā)器內(nèi)容積為基準(zhǔn))。姚遠(yuǎn)[70]實(shí)驗(yàn)研究了以R410A為工質(zhì)的分離式重力熱管性能與充液率和高度差的關(guān)系。熱管的最佳充液率范圍在 37%～44%之間(以系統(tǒng)總內(nèi)容積為基準(zhǔn))，高度差為 1.2 m 的分離式熱管比高度差為 0.7 m 的傳熱能力平均提高12.52%。Zhen Tong等[71]研究了CO2工質(zhì)在機(jī)房用分離式重力熱管中的適用性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2工質(zhì)的熱管可以在小溫差下啟動(dòng)，與此同時(shí)，與采用R22工質(zhì)的熱管相比熱阻減小22%～25%，指出CO2比較適合作為機(jī)房用熱管自然冷卻設(shè)備的替代工質(zhì)。

以上針對(duì)機(jī)房用熱管自然冷卻的研究大部分為實(shí)驗(yàn)研究，相關(guān)仿真模擬研究也主要是與能耗相關(guān)的模擬分析。雖然針對(duì)普通熱管的仿真研究已較為成熟，但絕大多數(shù)模型是針對(duì)高熱流密度大溫差下的電子設(shè)備散熱，且計(jì)算中熱流密度為定值[72-75]。對(duì)于機(jī)房空調(diào)自然冷卻用熱管來(lái)說(shuō)，一般兩側(cè)均為風(fēng)冷，傳熱溫差和熱流密度較小，熱流密度也不是定值。基于這些考慮，針對(duì)其性能的仿真研究十分必要，但目前相關(guān)研究較少。Zhang P等[76]針對(duì)小熱流密度的分離式重力熱管建立了分布參數(shù)仿真模型，將分離式熱管的工作狀態(tài)分為下降管部分液柱和下降管滿液兩種情況，分別用于較小熱流密度和較大熱流密度下的性能仿真。仿真結(jié)果表明，傳熱量隨充液率的增大先增加后減小，隨室內(nèi)外溫差的增大首先線性增加，進(jìn)而增加幅度有所減緩。

3.2 機(jī)械制冷/回路熱管一體式自然冷卻

由于熱管自然冷卻系統(tǒng)需要一定的室內(nèi)外溫差才能工作，因此在室外溫度較高的季節(jié)無(wú)法運(yùn)行。此時(shí)機(jī)房需要機(jī)械制冷系統(tǒng)進(jìn)行制冷，這就需要兩套系統(tǒng)，無(wú)疑增加了機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性和投資。所以研究開發(fā)同時(shí)具有機(jī)械制冷和熱管冷卻功能的系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。目前，已有一些學(xué)者對(duì)這種一體式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

一體式熱管空調(diào)的實(shí)際產(chǎn)品最早由日本學(xué)者Suenaga T等[77]提出并開發(fā)樣機(jī)，如圖14所示。該系統(tǒng)采用一套分離式熱管對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷后的空氣被蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)冷卻至所需的溫度。根據(jù)室外溫度的不同，機(jī)組全年有三種運(yùn)行模式：低溫區(qū)熱管單獨(dú)運(yùn)行模式，中溫區(qū)熱管運(yùn)行模式和蒸氣壓縮系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式以及高溫區(qū)蒸氣壓縮系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行模式。

1冷凝器及風(fēng)機(jī)(熱虹吸系統(tǒng))2室內(nèi)機(jī)(共用)3蒸發(fā)器(熱虹吸系統(tǒng))4室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)(共用)5蒸發(fā)器(蒸氣壓縮系統(tǒng))6壓縮機(jī) 7冷凝器及風(fēng)機(jī)(蒸氣壓縮系統(tǒng))8膨脹閥圖14 采用熱管預(yù)冷的一體式空調(diào)[77]Fig.14 Integrated air conditioner using heat pipe for precooling[77]

金鑫等[78-79]研發(fā)了一種復(fù)合型熱管空調(diào)系統(tǒng)，如圖15所示。機(jī)械制冷和熱管共用冷凝器和蒸發(fā)器風(fēng)道。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在室外環(huán)境為20 ℃時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫度可以僅依靠熱管換熱維持，系統(tǒng)COP在4.66～13.90之間，平均COP為9.05。吳銀龍等[80]針對(duì)類似的分離式熱管結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，獲得了較好的節(jié)能效果。

圖15共用風(fēng)道的一體式空調(diào)[78]Fig.15 Integrated air conditioner with shared air ducts[78]

以上系統(tǒng)中的熱管與空調(diào)機(jī)組共用風(fēng)側(cè)風(fēng)道，會(huì)造成蒸氣壓縮制冷模式下風(fēng)側(cè)阻力的增加，降低蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)的能效。另外，公用風(fēng)側(cè)風(fēng)道雖然在一定程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成，但不包含制冷劑管路的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并不是嚴(yán)格意義上的一體式空調(diào)。真正意義上的機(jī)械制冷與熱管一體式制冷技術(shù)最先在上世紀(jì)90年代由日本學(xué)者Okazaki T等[81-82]提出并研發(fā)出樣機(jī)，其技術(shù)方案如圖16所示。該系統(tǒng)在原有蒸氣壓縮空調(diào)器的基礎(chǔ)上，在氣液分離器前加設(shè)電磁閥，并設(shè)置單向閥，同時(shí)保證蒸發(fā)器低于冷凝器一定垂直距離。在室外溫度較低時(shí)，電磁閥關(guān)閉，由于蒸發(fā)器所在室內(nèi)環(huán)境溫度高于冷凝器所在的室外溫度，所以蒸發(fā)壓力高于冷凝壓力，單向閥開啟，系統(tǒng)在熱管模式下運(yùn)行。當(dāng)室外溫度較高時(shí)，機(jī)組切換至蒸氣壓縮制冷模式，此時(shí)電磁閥和壓縮機(jī)開啟，其前后形成較高的壓差，使單向閥關(guān)閉。

1壓縮機(jī) 2冷凝器及風(fēng)機(jī) 3電子膨脹閥 4蒸發(fā)器及風(fēng)機(jī) 5電磁閥 6氣液分離器 7單向閥圖16 采用單向閥旁通壓縮機(jī)的一體式空調(diào)[81]Fig.16 Integrated air conditioner with check valve to bypass compressor[81]

韓國(guó)大學(xué)Lee S等[83-84]提出了一種復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)，如圖17所示。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理基本與Okazaki的相同，不同之處在于采用四個(gè)電磁閥進(jìn)行熱管與蒸氣壓縮的模式切換。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了制冷劑充液量、換熱器流程和兩器高差對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，并據(jù)此總結(jié)了充液量、換熱器流程和高差的設(shè)計(jì)方法。然而, Okazaki T等[81-82]和Lee S等[83-84]研發(fā)的樣機(jī)，結(jié)構(gòu)上主要是按照蒸氣壓縮式制冷循環(huán)設(shè)計(jì)，缺少對(duì)兩種模式的綜合考慮與優(yōu)化。在室內(nèi)外20 ℃溫差下，熱管模式的制冷量不足機(jī)械制冷模式的50%。在這種情況下，熱管模式很難發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

韓林俊等[85-87]研發(fā)了一種一體式空調(diào)系統(tǒng)，如圖18所示。針對(duì)一體式熱管空調(diào)研發(fā)了能耗模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并開發(fā)了適合于兩種模式性能特點(diǎn)的三通閥、蒸發(fā)器入口分液器和連接管等部件，使得熱管模式的流動(dòng)阻力有所降低，制冷量大幅改善。對(duì)此系統(tǒng)在通信基站的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，此系統(tǒng)與普通空調(diào)系統(tǒng)相比節(jié)能約34.3%～36.9%。

1冷凝器 2電子膨脹閥 3電磁閥 4壓縮機(jī) 5蒸發(fā)器圖17 采用四個(gè)電磁閥的一體式空調(diào)[83]Fig.17 Integrated air conditioner with four solenoid valves[83]

圖18 采用三通閥的一體式空調(diào)[85]Fig.18 Integrated air conditioner with 3-way valves[85]

王鐵軍等[88-91]在重力回路熱管循環(huán)中增加了一個(gè)換熱器，同時(shí)作為熱管循環(huán)的冷凝器和機(jī)械制冷循環(huán)的蒸發(fā)器，得到了一種新的熱管復(fù)合式空調(diào)，如圖19所示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱管與機(jī)械制冷同時(shí)運(yùn)行。模擬分析表明，在北京地區(qū)應(yīng)用這一熱管復(fù)合制冷技術(shù)，相比常規(guī)的壓縮制冷技術(shù)節(jié)能率達(dá)40%。但增加換熱器導(dǎo)致熱管回路流阻增加，使熱管回路難以自然循環(huán)，需要采用制冷劑泵驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制循環(huán)，因此并不是嚴(yán)格意義上的熱管回路，制冷劑泵的功耗也在一定程度上降低了節(jié)能效果。

以上的一體式空調(diào)系統(tǒng)均依賴電磁閥進(jìn)行模式切換，對(duì)電磁閥的要求較高，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可靠性無(wú)法保證。而機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)一旦工作失常，所造成的軟硬件損失往往十分巨大，因此這一問(wèn)題制約了目前系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值，一些學(xué)者研發(fā)了不依賴電磁閥進(jìn)行模式切換的一體式自然冷卻系統(tǒng)。

張海南等[92-94]提出了一種基于三介質(zhì)換熱器的機(jī)械制冷/回路熱管一體式空調(diào)，在避免使用電磁閥的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三種模式：熱管、制冷和雙啟的自由切換，如圖20所示。通過(guò)建立系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)三種模式下的性能特點(diǎn)進(jìn)行了模擬。三個(gè)工作模式均具備良好的制冷能力，熱管模式EER值在室內(nèi)外溫差20 ℃下達(dá)20.8。另外，研究了制冷回路和熱管回路的相互影響規(guī)律，以及雙啟模式的合理工作區(qū)間。由于三介質(zhì)換熱器是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件，也對(duì)三介質(zhì)換熱器進(jìn)行了仿真研究，確定了最優(yōu)結(jié)構(gòu)并對(duì)不同工況下的性能進(jìn)行了仿真。

1室內(nèi)換熱器 2主電磁閥 3風(fēng)冷換熱器 4旁通電磁閥 5壓縮機(jī)組6冷凝器 7節(jié)流機(jī)構(gòu) 8板式換熱器 9儲(chǔ)液器 10液泵圖19 增加換熱器的一體式空調(diào)[88]Fig.19 Integrated air conditioner with added heat exchanger[88]

圖20 基于三介質(zhì)換熱器的一體式空調(diào)[92]Fig.20 Integrated air conditioner based on three-fluid heat exchanger[92]

Wang Z等[95]提出了一種不依賴電磁閥的一體式熱管自然冷卻空調(diào)，如圖21所示。熱管回路有兩個(gè)循環(huán)通道，熱管工質(zhì)可以通過(guò)室內(nèi)側(cè)的中間換熱器與蒸氣壓縮制冷回路換熱冷凝，也可以進(jìn)入室外風(fēng)冷冷凝器冷凝。室外側(cè)2臺(tái)冷凝器共用風(fēng)道。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于北京、哈爾濱等寒冷地區(qū)，采用這一系統(tǒng)的機(jī)房PUE可以下降0.3左右。

圖21 采用兩個(gè)熱管循環(huán)通道的一體式空調(diào)[95]Fig.21 Integrated air conditioner with two heat pipe circulation passages[95]

4 結(jié)論

空氣側(cè)自然冷卻分為直接式空氣側(cè)自然冷卻和間接式空氣側(cè)自然冷卻，其中間接式占地面積和投資較大，自然冷卻時(shí)間有限，目前更多采用直接式空氣側(cè)自然冷卻。目前已有的研究表明直接式自然冷卻的節(jié)能效果比較理想，尤其是在空氣潔凈的地區(qū)。但直接式自然冷卻的應(yīng)用要以室內(nèi)污染物和濕度的合理控制為前提。

水側(cè)自然冷卻是大中型數(shù)據(jù)中心最為普遍的自然冷卻形式，并且方便在原有的普通冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上改造。雖然其節(jié)能效果不如空氣側(cè)自然冷卻，但不會(huì)影響室內(nèi)環(huán)境，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的有效手段。

熱管式自然冷卻與空氣側(cè)自然冷卻相比，不影響室內(nèi)空氣質(zhì)量和濕度；與水側(cè)自然冷卻相比，由于內(nèi)部為相變傳熱，傳熱效果及自然冷源利用率更高。因此，熱管自然冷卻技術(shù)是最有潛力的數(shù)據(jù)機(jī)房自然冷卻方法之一。

機(jī)械制冷/回路熱管一體式空調(diào)，解決了單一熱管自然冷卻設(shè)備在炎熱季節(jié)無(wú)法滿足機(jī)房供冷的問(wèn)題，無(wú)電磁閥并且可以實(shí)現(xiàn)蒸氣壓縮和熱管冷卻同時(shí)運(yùn)行的一體式空調(diào)具有更好的應(yīng)用前景。

本文受中科院國(guó)際合作項(xiàng)目(CAS-DOE, 1A1111KYSB20150014)資助。(The project was supported by Key International Program of Chinese Academy of Sciences (CAS-DOE, No.1A1111KYSB20150014).)

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About the corresponding author

Shao Shuangquan, male, doctor, associate professor, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, +86 10-82543433-8, E-mail: shaoshq@mail.ipc.ac.cn. Research fields: efficient control of thermal/humidity environment, simulation of refrigeration and air conditioning system, hybrid energy sources heat pump, cooling of data center and high heat density devices, cold chains and noise control.

Research Advances in Free Cooling Technology of Data Centers

Zhang Hainan1,2,3Shao Shuangquan1,2Tian Changqing1,2

(1. Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing, 100190，China; 2. Beijing Key Laboratory of Thermal Science and Technology, Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing, 100190，China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049，China)

The increasing energy consumption of data centers attracts more and more attention, much of which is consumed by the cooling system. Utilizing efficient cooling methods is the urgent need for realizing emission control targets, and the free cooling is one of these methods. The free cooling technology has three categories: airside free cooling, waterside free cooling and heat pipe free cooling. Airside free cooling is easily utilized and has good energy-saving effect, while it may affect the indoor air quality and humidity. Waterside free cooling can be modified from traditional air conditioner however its energy-saving effect is limited for additional heat transfer process. Heat pipe free cooling has no disturbance on the indoor environment and its energy-saving effect is good for utilizing phase change heat transfer. The latest advances in free cooling technology is summed up, which has the referential value for research in this field.

refrigeration; air conditioning; data center; free cooling; advances

0253- 4339(2016) 04- 0046- 12

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.046

2015年12月2日

TB657.2;TP308

A

簡(jiǎn)介

邵雙全，男，博士，副研究員，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，(010)82543433-8，E-mail：shaoshq@mail.ipc.ac.cn。研究方向： 高效熱濕環(huán)境控制、復(fù)雜制冷系統(tǒng)仿真、復(fù)合能源熱泵、數(shù)據(jù)中心與大功率電子器件冷卻、冷鏈技術(shù)和噪聲控制。