蘇 林 ，董凱軍 ?，孫 欽 ，黃志林 ,3，劉 靜 ,3

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是信息行業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，據(jù)統(tǒng)計，2015年我國數(shù)據(jù)中心的年用電量約1 000億kW·h，超過全社會用電量的1.5%[1]，相當(dāng)于三峽水電站一年的發(fā)電量。未來幾年，隨著5yG通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的快速發(fā)展，我國數(shù)據(jù)中心電耗將繼續(xù)快速增長，到2020年我國數(shù)據(jù)中心年耗電量預(yù)計將超過2 500億kW·h，占全社會用電量比例將超過3%。

目前歐美發(fā)達(dá)國家數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率（power usage effectiveness,PUE）約為 1.8，其先進(jìn)數(shù)據(jù)中心PUE達(dá)到1.2以下。而我國數(shù)據(jù)中心平均PUE大于2.2[2]，部分高耗能數(shù)據(jù)中心PUE甚至高達(dá)3.0，能效水平遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國家，節(jié)能性亟待提升。

政府相關(guān)主管部門對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能非常重視，先后出臺多項政策文件，部署和推進(jìn)數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)推廣應(yīng)用、綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)和相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定，2017年工信部在《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》中明確提出：到2020年，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的能耗效率（PUE）值在1.4以下。

數(shù)據(jù)中心能耗中約40%是冷卻系統(tǒng)的能耗，開展數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要意義，本文將從數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)——自然冷卻、氣流組織優(yōu)化、蓄冷等三方面闡述國內(nèi)外的最新研究進(jìn)展。

1 自然冷卻

自然冷卻技術(shù)是目前學(xué)界普遍認(rèn)可的節(jié)能效果較好的技術(shù)，自然冷卻即利用天然的冷空氣或者冷水源對數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行冷卻的方式，該技術(shù)無需開啟機(jī)械制冷，因此具有顯著的節(jié)能效果。自然冷卻主要分為風(fēng)側(cè)自然冷卻和水側(cè)自然冷卻兩大類，詳細(xì)分類見表1。

表1 自然冷卻技術(shù)分類[3-4]Table 1 Natural cooling technology classification

1.1 風(fēng)側(cè)自然冷卻

1.1.1 直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻是指直接將室外溫濕度適宜（或通過蒸發(fā)冷卻）的冷空氣引入計算機(jī)房內(nèi)對信息設(shè)備進(jìn)行冷卻，如圖1。當(dāng)室外空氣質(zhì)量不佳時，空氣中的塵埃、氣體污染物等會給信息設(shè)備的可靠運行帶來隱患，因此直接風(fēng)側(cè)自然冷卻主要應(yīng)用于氣候條件和空氣質(zhì)量較好的地區(qū)。

圖1 直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻[7]Fig.1 Direct air-side economization

國外Google、Facebook、Yahoo等公司在北歐、美國等地建設(shè)了采用直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的數(shù)據(jù)中心，PUE接近1.07[5]，其所采用的風(fēng)機(jī)墻形式見圖2。國內(nèi)如美利云中衛(wèi)數(shù)據(jù)中心、阿里巴巴張北數(shù)據(jù)中心等也采用直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻[6]。

圖2 風(fēng)機(jī)墻單元[6]Fig.2 Fan wall unit

為了提高直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的效果和可靠性，一些學(xué)者開展了系統(tǒng)設(shè)計方法、節(jié)能效果、控制策略、差異化氣候適用性等方面的研究。

韓玉等[8]認(rèn)為直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要點為：①低溫風(fēng)和降溫風(fēng)復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計，新回風(fēng)混合防結(jié)露設(shè)計；②新風(fēng)過濾處理；③氣流組織優(yōu)化設(shè)計；④空氣處理系統(tǒng)邏輯判斷及智能控制。

韓正林等[9]對國內(nèi)外采用自然冷卻的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了對比分析，指出干式冷卻器等基于干球溫度的自然冷卻技術(shù)更成熟、穩(wěn)定性更好，蒸發(fā)冷卻等基于濕球溫度的自然冷卻方式自然冷源利用率更高。何華明[10]針對多個地區(qū)的通信機(jī)房的節(jié)能改造，分析采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)（直接式蒸發(fā)冷卻）進(jìn)行降溫時室內(nèi)外溫濕度、蒸發(fā)式冷氣機(jī)運行時間以及凈化過濾系數(shù)等影響因素的修正方法。范坤[11]等通過介紹蒸發(fā)式冷氣機(jī)的技術(shù)要點，分析了蒸發(fā)冷卻技術(shù)在機(jī)房空調(diào)中的應(yīng)用形式、運行原理。黃翔等[12]針對蒸發(fā)式冷氣機(jī)用于通信機(jī)房在冬季不能很好地控制濕度，以ASHRAE TC 9.9所推薦運行區(qū)為控制目標(biāo)，提出了直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化方案和運行模式。

耿海波[13]等分析了溫和地區(qū)（昆明）數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造后的運行效果，發(fā)現(xiàn)昆明的氣候條件非常適合采用新風(fēng)自然冷卻，針對某數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造效果明顯，PUE由原來的1.9降至1.56。

1.1.2 間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

（1）基于空氣-空氣換熱器的間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻

直接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的送風(fēng)質(zhì)量受到室外空氣質(zhì)量的影響，解決有害氣體腐蝕威脅的另一種思路是采用間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻，如圖3。其原理是通過交叉流換熱器、轉(zhuǎn)輪換熱器等空氣-空氣換熱器實現(xiàn)室外冷風(fēng)與室內(nèi)高溫回風(fēng)的間接換熱。

圖3 利用換熱器的間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻[5]Fig.3 Indirect air-side economization with heat exchanger

謝代鋒等[14]借助建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包（Designer's Simulation Toolkit,DeST）對全國不同氣候區(qū)采用間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻的節(jié)能效果進(jìn)行了對比研究，得出不同氣候區(qū)的節(jié)電率高低依次為：溫暖地區(qū)＞嚴(yán)寒地區(qū)＞寒冷地區(qū)＞夏熱冬冷地區(qū)＞夏熱冬暖地區(qū)。京都轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)[15]是另一種基于空氣-空氣換熱器的自然冷卻技術(shù)，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的填料具有蓄冷功能，通過讓轉(zhuǎn)輪在兩個隔離且封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn)，利用被室外冷空氣冷卻的填料來冷卻機(jī)房內(nèi)的高溫回風(fēng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)房的冷卻，如圖4。

圖4 京都轉(zhuǎn)輪風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)[16]Fig.4 Kyoto Runner air-side cooling system

基于空氣-空氣換熱器的間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)設(shè)備體積龐大、與建筑物耦合程度很高，應(yīng)用范圍受到限制，目前應(yīng)用案例并不多，但間接式風(fēng)側(cè)自然冷卻針對自然冷源的利用率較高，節(jié)能效果很好，是一種有應(yīng)用潛力的技術(shù)。

（2）基于熱管或制冷劑循環(huán)的風(fēng)側(cè)自然冷卻

是指利用熱管或制冷劑循環(huán)將機(jī)房內(nèi)熱量傳遞至室外，相變傳熱方式帶來很強(qiáng)的熱量傳遞能力，該種方式利用自然冷源的效果很好，是近年來研究的熱點。

李震等[17-19]研發(fā)了一種分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)熱管系統(tǒng)換熱器局限性，提出采用單級熱管變多級熱管的方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如圖5；針對R22和R134a兩種工質(zhì)的平均換熱能力進(jìn)行對比分析，提出熱管系統(tǒng)的最佳充液率為80%；針對新型背板式熱管系統(tǒng)換熱量影響因素進(jìn)行分析，得到風(fēng)量與換熱量的對應(yīng)關(guān)系，并提出通過增大風(fēng)量的方式解決熱管故障問題。

圖5 分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)[20]Fig.5 Separate heat pipe air conditioning system

馬國遠(yuǎn)等[21]研究了一種用泵驅(qū)動的回路熱管機(jī)組，系統(tǒng)中增加制冷劑泵能夠克服復(fù)雜系統(tǒng)的管路阻力，比傳統(tǒng)分離式熱管系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)，并且制冷劑循環(huán)流量的增加提高了換熱器換熱量。盡管制冷劑泵增加了系統(tǒng)能耗，但該系統(tǒng)在室外溫度低于15℃時，節(jié)能率仍能達(dá)到36.57%。

凌麗[22]研究了采用微通道換熱器的分離式熱管性能，微通道換熱器具有更強(qiáng)的換熱能力，作者分析了不同工況和風(fēng)量對系統(tǒng)最佳充液率的影響，研究了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)換熱特性，分析了制冷量受各運行參數(shù)影響的敏感性。

由于傳統(tǒng)分離式熱管主要采用的R22或R134a等工質(zhì)的使用逐漸受到限制，采用環(huán)保工質(zhì)的熱管研究逐漸受到了人們的重視。TONG等[23]開展了基于CO2工質(zhì)的多蒸發(fā)器回路熱管系統(tǒng)的性能研究，考察了多蒸發(fā)器在均勻、非均勻、變制冷功率條件下的系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)功能。

由于數(shù)據(jù)中心用自然冷卻熱管的兩端傳熱溫差和熱流密度均較小，熱流密度隨室外環(huán)境變化而變化，開展相關(guān)的非穩(wěn)態(tài)研究十分必要。ZHANG等[24-26]針對數(shù)據(jù)中心用小熱流密度的分離式熱管進(jìn)行了模擬仿真研究，發(fā)現(xiàn)熱管傳熱量隨充液率的增大先增加后減小，隨室內(nèi)外溫差的增大先線性增加，而后增長速度減緩。

WEBER等[27]設(shè)計了一種利用整體式熱管的風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，計算機(jī)房上方設(shè)有增壓風(fēng)道，機(jī)柜上方的熱管穿過計算機(jī)房的天花板，與風(fēng)道內(nèi)的室外冷空氣進(jìn)行換熱，該系統(tǒng)的熱管結(jié)構(gòu)和布置更為簡單，降低了熱管設(shè)備在運行過程中發(fā)生損壞的概率，如圖6。

圖6 整體式熱管自然冷卻系統(tǒng)Fig.6 Integral heat pipe natural cooling system

基于熱管和制冷劑循環(huán)的風(fēng)側(cè)自然冷卻方式是一種較好的利用自然冷源的方式，但由于熱管的循環(huán)驅(qū)動力受機(jī)房內(nèi)外溫差限制，無法應(yīng)用于復(fù)雜的大型管路系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)比較適用于中小型數(shù)據(jù)中心機(jī)房的自然冷卻。

1.2 水側(cè)自然冷卻

1.2.1 直接水冷式自然冷卻

直接水冷式自然冷卻是指利用室外自然低溫水源（海水、湖水、江河水等）引入數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻。國外最早進(jìn)行這一技術(shù)的嘗試，Google芬蘭數(shù)據(jù)中心靠近北極圈，使用附近芬蘭灣的低溫海水冷卻整個數(shù)據(jù)中心[28]；微軟公司啟動名為“Natick”的計劃，將數(shù)據(jù)中心置于蘇格蘭奧克尼群島附近水域的海底，距離海面117英尺（約36 m），流動的低溫海水帶走了數(shù)據(jù)中心的熱量，實現(xiàn)完全自然冷卻[29]，如圖7；國內(nèi)近幾年也在有條件的地區(qū)開始進(jìn)行直接水冷式自然冷卻的嘗試，國內(nèi)第一個采用湖水作為自然冷源的數(shù)據(jù)中心是阿里巴巴/華通千島湖數(shù)據(jù)中心，千島湖湖水水位較高、水溫較低、水質(zhì)好，非常適合應(yīng)用湖水冷卻，90%的時間無需開啟機(jī)械制冷，預(yù)計可實現(xiàn)年平均PUE為1.3（在亞熱帶環(huán)境中，該數(shù)值已經(jīng)極低）[30-31]。湖南東江湖數(shù)據(jù)中心采用了東江湖湖水對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行冷卻，設(shè)計PUE值能達(dá)到1.2以下。

圖7 微軟“Natick”海底數(shù)據(jù)中心Fig.7 Microsoft “Natick” submarine data center

直接水冷式自然冷卻技術(shù)的節(jié)能效果是有目共睹的，但其受限于自然和地理條件的限制，目前僅有幾個數(shù)據(jù)中心采用了該技術(shù)，由于該技術(shù)的難復(fù)制性，難以得到大面積推廣。

1.2.2 冷卻塔式自然冷卻

冷卻塔式自然冷卻是指利用室外較低的空氣溫度通過冷卻塔制取低溫冷水，代替機(jī)械制冷實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心冷卻的技術(shù)。冷卻塔自然冷卻是目前數(shù)據(jù)中心采用最多的自然冷卻技術(shù)之一。

冷卻塔自然冷卻包括：①開式冷卻塔直接自然冷卻，冷卻塔制取的冷水直接供機(jī)房精密空調(diào)使用；②開式冷卻塔間接自然冷卻，冷卻塔制取的冷水通過板式換熱器與機(jī)房精密空調(diào)高溫回水換熱，實現(xiàn)向機(jī)房的供冷；③閉式冷卻塔自然冷卻，采用閉式冷卻塔制取低溫水或低溫乙二醇溶液直接供機(jī)房精密空調(diào)使用；④干式冷卻器自然冷卻，干冷器是將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過外界流通的低溫冷空氣冷卻管內(nèi)來自機(jī)房精密空調(diào)的循環(huán)水或者乙二醇溶液[4]。

開式冷卻塔直接自然冷卻方式的循環(huán)冷水容易受到污染造成水質(zhì)下降，進(jìn)而影響機(jī)房精密空調(diào)換熱器的換熱性能和運行可靠性，因此實際中采用這種方式進(jìn)行自然冷卻的數(shù)據(jù)中心很少。

開式冷卻塔間接自然冷卻方式是在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用較多的一種形式，其通過板式換熱器實現(xiàn)水-水間接換熱，由于開式冷卻塔的冷卻效率較高，該種自然冷卻方式整體的自然冷源利用率較高，得到了普遍應(yīng)用，但是在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，開式冷卻塔的防凍問題非常關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)引起重視。

閉式冷卻塔和干式冷卻器在應(yīng)用中常常結(jié)合使用，也有學(xué)者稱之為混合型冷卻塔?；旌闲屠鋮s塔循環(huán)水不存在水質(zhì)下降的風(fēng)險，但是其間接換熱方式的換熱效率有所降低，如何提高混合型冷卻塔的熱質(zhì)傳遞效率是目前面臨的主要問題。

殷平[4]在針對開式冷卻塔自然冷卻技術(shù)進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，關(guān)于開式冷卻塔自然冷卻轉(zhuǎn)換溫度（即完全自然冷卻、部分自然冷卻、完全機(jī)械制冷三種模式之間切換對應(yīng)的外界空氣濕球溫度）的取值，業(yè)內(nèi)存在較大爭議。原因主要是對開式冷卻塔實際冷卻性能的研究不足，對冷卻塔冷卻性能的評價過高。殷平基于前人的研究成果，將冷卻塔逼近度受濕球溫度、進(jìn)出水溫差影響的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)（圖8和圖9），并進(jìn)一步借鑒國際上通用的間接式自然冷卻轉(zhuǎn)換溫度的計算方法，參考最新數(shù)據(jù)中心國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于冷凍水供水溫度的規(guī)定，提出冷卻塔完全自然冷卻模式和部分自然冷卻模式下的轉(zhuǎn)換溫度建議值。并提出在實際工程中，除了要考慮轉(zhuǎn)換溫度之外，還要考慮室外氣溫的季節(jié)波動和日波動情況，設(shè)計合理的控制運行策略。

圖8 逆流冷卻塔逼近度與濕球溫度的關(guān)系[32]Fig.8 The relationship between approximation of counter flow cooling tower and wet bulb temperature

圖9 冷卻塔逼近度受進(jìn)出水溫差、濕球溫度的影響規(guī)律[4]Fig.9 The influence of inlet &outlet water temperature difference and wet bulb temperature on the approximation of the cooling tower

曾曉慶[33]在針對電子廠房自然供冷空調(diào)系統(tǒng)的研究中提出了“自然供冷節(jié)能率”的指標(biāo)，指系統(tǒng)通過自然冷卻獲取的冷量與系統(tǒng)冷負(fù)荷的比值。他提出傳統(tǒng)評價自然冷卻空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力是以全年自然供冷小時數(shù)作為表征，該指標(biāo)存在諸多不足：①未排除極寒情況下冷卻塔結(jié)凍無法使用的情況；②未將完全自然冷卻模式和部分自然冷卻模式區(qū)分對待?！白匀还├涔?jié)能率”指標(biāo)涵蓋了節(jié)能潛力的跨氣候區(qū)對比問題和不可用部分排除的問題。王澤青[34]通過數(shù)值模擬方法分析了我國不同氣候區(qū)各省會城市采用自然冷卻模式的數(shù)據(jù)中心PUE值，發(fā)現(xiàn)高緯度地區(qū)數(shù)據(jù)中心PUE值低于低緯度地區(qū)PUE值，同緯度西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心PUE值低于同緯度東部地區(qū)PUE值。

折建利等[35]介紹了蘭州某數(shù)據(jù)中心應(yīng)用冷卻塔自然供冷的工程實例，通過對冷卻塔自然供冷系統(tǒng)供回水溫度以及典型機(jī)房溫度場的測試，探討了冷卻塔自然供冷系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。

張素麗[36]專門針對冷卻塔自然冷卻方式下的部分自然冷卻模式的相對節(jié)能性進(jìn)行了研究，并以上海、北京、呼和浩特三個城市作為分析對象，研究發(fā)現(xiàn)并非每個地區(qū)的氣候條件都適合設(shè)置部分自然冷卻，過渡季節(jié)較長的地區(qū)（如上海）較為適宜。

冷卻塔水側(cè)自然冷卻可以與吸收式制冷系統(tǒng)結(jié)合實現(xiàn)能源綜合利用，而吸收式制冷系統(tǒng)可以方便地利用太陽能以及數(shù)據(jù)中心廢熱來提高整體能效，吸收式太陽能制冷系統(tǒng)也被用于數(shù)據(jù)中心自然冷卻[37]。HAMMANN 等[38]提出一種同時利用太陽能和自然冷源的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)，當(dāng)室外氣溫較低時，開啟自然冷卻模式，與此同時，太陽能集熱器收集熱能驅(qū)動吸收式制冷機(jī)組。

董凱軍等[39-41]針對自然冷源在高熱濕環(huán)境地區(qū)的利用難題，提出了采用大溫差高溫供冷的自然冷源深度利用技術(shù)，該技術(shù)通過設(shè)計和研發(fā)大溫差高溫供冷的末端精密空調(diào)，提高冷凍水供水溫度和供回水溫差，提升供水溫度能夠提高完全自然冷卻模式運行時長，提升回水溫度（供回水溫差）能夠提高部分自然冷卻模式的運行時長，自然冷卻運行時長得到較大幅度的提高。

自然冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用受多方面因素的影響：①數(shù)據(jù)中心所在地的氣候和地理位置條件；②相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境的限制；③自然冷卻技術(shù)本身與數(shù)據(jù)中心、氣候地理條件的匹配和適用性；④自然冷卻技術(shù)節(jié)能效果、初投資增加值之間的經(jīng)濟(jì)性考量。

自然冷卻技術(shù)是數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)，但是自然冷卻分類眾多，每種技術(shù)有其特性和適用范圍，在應(yīng)用中應(yīng)該充分考慮各種適用性條件（氣候、空氣質(zhì)量、水源、初投資等），選擇合適的自然冷卻技術(shù)。

2 末端冷卻及氣流組織優(yōu)化

2.1 末端冷卻形式介紹及存在的問題

數(shù)據(jù)中心末端精密空調(diào)的氣流組織優(yōu)化是進(jìn)行 信息設(shè)備冷卻的重要環(huán)節(jié)，決定了冷卻的效果和冷卻的效率，氣流組織的不合理設(shè)計可能造成信息設(shè)備過熱和冷卻能耗增加。

根據(jù)末端冷卻對象的不同尺度，冷卻方式通常分為四個級別，具體如表2。

表2 數(shù)據(jù)中心末端冷卻分級[42]Table 2 The end cooling grading of data center

目前數(shù)據(jù)中心末端冷卻存在著許多問題，主要有：①氣流組織不合理，傳統(tǒng)布局冷熱風(fēng)隔離不徹底，容易發(fā)生冷熱氣流摻混現(xiàn)象；②地板格柵開孔率不合理和架空地板內(nèi)線纜布局不合理影響下地板送風(fēng)的均勻性和有效性；③下地板送風(fēng)方式難以進(jìn)行針對性冷卻，整體冷卻能力也極為有限，難以適應(yīng)高熱密度機(jī)柜冷卻。

2.2 氣流組織優(yōu)化研究進(jìn)展

氣流組織作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房熱環(huán)境和系統(tǒng)能耗的一個重要環(huán)節(jié)，其實際運行效果的最終體現(xiàn)是熱環(huán)境。國內(nèi)外學(xué)者從送風(fēng)形式、架空地板布局、熱環(huán)境評價等多方面開展了氣流組織優(yōu)化的研究。

（1）送風(fēng)形式

CHO J K等[43-44]針對數(shù)據(jù)中心機(jī)房各種送回風(fēng)方式進(jìn)行了模擬對比研究，結(jié)果表明，與其他送回風(fēng)方式相比，下送風(fēng)頂部回風(fēng)可以明顯改善空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織，提高空調(diào)系統(tǒng)的運行效率。李紅霞等[45]通過對比研究指出空調(diào)送風(fēng)形式應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的實際情況進(jìn)行合理設(shè)計。

江家青等[46]通過對風(fēng)管型式的優(yōu)化設(shè)計減少空調(diào)送風(fēng)和機(jī)柜排風(fēng)氣流的摻混，該設(shè)計中對風(fēng)管的優(yōu)化能夠使空調(diào)送風(fēng)直接送入設(shè)備進(jìn)風(fēng)口，以使空調(diào)送風(fēng)和熱回風(fēng)的摻混程度降低到最小。

劉成等[47]通過數(shù)值模擬對比分析了數(shù)據(jù)中心機(jī)房上送風(fēng)和下送風(fēng)兩種氣流組織形式，通過對比兩種氣流組織形式下機(jī)房內(nèi)的溫度場和速度場模擬結(jié)果，指出采用下送風(fēng)的氣流組織形式更優(yōu)，機(jī)房內(nèi)信息技術(shù)（information technology,IT）設(shè)備冷卻效果更好；并指出機(jī)架下送風(fēng)氣流組織形式下，距離機(jī)柜出風(fēng)口位置更近的位置，設(shè)備換熱效果更好。

ROGER S等[48]針對數(shù)據(jù)中心存在的冷、熱氣流摻混的問題提出了封閉冷/熱通道的方案，并基于測量結(jié)果建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，采用冷通道封閉的氣流組織形式能夠滿足機(jī)柜的氣流冷卻需求，且相對于未采用冷/熱通道封閉措施的空調(diào)系統(tǒng)，其風(fēng)機(jī)能耗降低了5.6 kW。

張杰等[49]以某一數(shù)據(jù)中心機(jī)房為研究對象對氣流組織進(jìn)行了模擬研究，并針對存在的問題提出改進(jìn)措施：在散熱效果較差或者熱空氣堆積區(qū)域增加智能控制排風(fēng)系統(tǒng)能夠有效減少局部過熱區(qū)域的形成，同時添加機(jī)柜頂部排風(fēng)管能夠改善機(jī)房熱回路，減少冷熱氣流摻混，從而保證設(shè)備有效冷卻及高效穩(wěn)定運行。

（2）架空地板靜壓和送風(fēng)孔隙率

PATANKAR等[50]通過數(shù)值模擬研究了架空地板高度對空調(diào)送風(fēng)氣流速度在靜壓箱內(nèi)和流經(jīng)穿孔地板的氣流分布的影響，發(fā)現(xiàn)在150～600 mm的架空地板高度變化下，隨著高度的增加，通過穿孔地板的空調(diào)送風(fēng)速度減小，壓力差減小，氣流分布更為均勻。JOSHI等[51]也針對數(shù)據(jù)中心不同靜壓層高度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并得到了與PATANKAR相似的結(jié)論。

FAKHIM 等[52]通過計算流體力學(xué)求解器（computational fluid dynamics,CFD）模擬計算了穿孔地板在25%、50%、75%和100%的孔隙率下空調(diào)送風(fēng)的流速和溫度分布，并通過對比分析得出結(jié)論：當(dāng)穿孔地板孔隙率為25%時，冷卻氣流分布更為均勻。

FULPAGARE等[53]研究不同孔隙率的穿孔地板的熱剖面，發(fā)現(xiàn)在孔隙率低的區(qū)域冷熱氣流更容易發(fā)生摻混。

ZHANG等[54-55]總結(jié)了與穿孔地板的相關(guān)實驗研究，并推理出氣室內(nèi)壓力和速度分布的公式以及邊界條件，通過數(shù)值模擬對比分析了不同孔隙率下的氣流速度、溫度分布，得出當(dāng)孔隙率較低時冷卻氣流經(jīng)過穿孔地板的壓降增加，氣流分布相對更為均勻。

WANG等[56]通過研究發(fā)現(xiàn)，靠近空調(diào)送風(fēng)位置的低孔隙率穿孔地板的氣流速度較低，會減少冷卻機(jī)組的有效總流量并帶來冷卻不足，并指出實際工程實施中需要根據(jù)不同位置設(shè)置不同孔隙率的穿孔地板，在距離空調(diào)近的位置將孔隙率提高，距離遠(yuǎn)的位置將孔隙率降低，并對該設(shè)置進(jìn)行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)變孔隙率穿孔地板的設(shè)置下機(jī)房內(nèi)氣流分布更為均勻。

（3）熱環(huán)境評價指標(biāo)

ARGHODE[57]、SUNDARALINGAM[58-59]、NADA[60-62]等通過數(shù)值模擬對比研究了冷通道封閉和開放情況下數(shù)據(jù)中心機(jī)房冷熱氣流摻混情況和機(jī)房的熱環(huán)境差異，同樣得出了冷通道封閉能夠有效減少數(shù)據(jù)中心冷卻氣流混合、改善機(jī)房熱環(huán)境的結(jié)論，并且NADA在模擬結(jié)果分析中引入了多個數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境體系評價指數(shù)，包括供熱指數(shù)（supply heat index,SHI）、回?zé)嶂笖?shù)（return heat index,RHI）、回風(fēng)溫度指數(shù)（return temperature index,RTI）和機(jī)架冷卻指數(shù)（rack cooling index,RCI）等，對數(shù)據(jù)中心不同氣流組織形勢下的熱環(huán)境進(jìn)行了評價分析。

原世杰等[63]系統(tǒng)歸納對比了數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境評價指標(biāo)及其數(shù)值意義，并針對某數(shù)據(jù)機(jī)房進(jìn)行數(shù)值模擬，采用不同評價指標(biāo)對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，對所用指標(biāo)的適用性做了詳細(xì)分析。

（4）高功率密度機(jī)柜冷卻的行級和機(jī)柜級送風(fēng)

YOSHII等[64]針對局部機(jī)架式空調(diào)器（rack-type air-conditioner）進(jìn)行研究，通過消除機(jī)房內(nèi)局部熱點以減少空調(diào)系統(tǒng)能耗，并與地面垂直送風(fēng)系統(tǒng)（vertical under floor,UVF）進(jìn)行對比實驗研究，結(jié)果表明其空調(diào)能耗降低43%，且機(jī)房內(nèi)未出現(xiàn)局部熱點區(qū)域。

蔣雅靖等[65]結(jié)合CFD模擬的方法闡述了采用列間空調(diào)方式在機(jī)房溫度均勻性和氣流組織上的合理性，指出列間空調(diào)方案通過改變空調(diào)的送風(fēng)方式，縮短送風(fēng)距離，有效降低冷量損耗，為今后高密度數(shù)據(jù)中心空調(diào)解決方案的設(shè)計和改進(jìn)提供了依據(jù)。

PRIYADUMKOL等[66]通過數(shù)值模擬對比研究了常見的地板下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、列間空調(diào)系統(tǒng)和二者聯(lián)合運行系統(tǒng)，并與ASHRAE中機(jī)房溫度控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，指出采用冷氣流通過量、機(jī)柜熱負(fù)荷和流體流速能夠有效評價數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能效。

劉芳等[67]以天津某數(shù)據(jù)中心工程實例為對象，通過 CFD模擬軟件 6SigmaRoom 建立了數(shù)學(xué)和物理模型，并對列間空調(diào)系統(tǒng)前送后回的氣流組織形式以及室內(nèi)熱工環(huán)境進(jìn)行模擬，對比分析了機(jī)房內(nèi)不同高度平面的速度分布和平面分布，根據(jù)模擬得到的流線、速度分布、溫度分布來檢驗室內(nèi)是否存在局部熱點問題。針對局部熱點問題提出提供送風(fēng)量方案、改變空調(diào)布置形式和封閉冷通道優(yōu)化方案，并進(jìn)行模擬結(jié)果對比分析，提出了針對該數(shù)據(jù)中心的氣流組織優(yōu)化建議。

董凱軍等[68-69]針對高功率密度數(shù)據(jù)中心采用機(jī)柜級冷卻方式的冷卻效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)柜級冷卻模式下，服務(wù)器的進(jìn)出風(fēng)溫度和進(jìn)氣流量更為均勻，設(shè)備冷卻效果更好。同時又提出一種優(yōu)化的數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級冷卻系統(tǒng)行級備份式容災(zāi)方案，通過數(shù)值模擬對比了機(jī)柜級冷卻系統(tǒng)房間級備份式和行級備份式容災(zāi)方案下空調(diào)故障時機(jī)房內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣。

針對目前數(shù)據(jù)中心末端系統(tǒng)所存在的問題和未來數(shù)據(jù)中心發(fā)展方向，可以得出：①現(xiàn)有的氣流組織優(yōu)化研究仍然針對單因素的優(yōu)化分析為主，在影響氣流組織的多因素共同作用下的氣流組織的綜合優(yōu)化效果如何，相關(guān)的研究仍不充分，需繼續(xù)深入研究；②采用機(jī)柜級別循環(huán)制冷形式能夠在不改變服務(wù)器架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步合理優(yōu)化機(jī)房內(nèi)氣流組織，更能均衡地冷卻IT設(shè)備，降低能耗，是末端冷卻方式的發(fā)展趨勢。

3 蓄 冷

3.1 蓄冷技術(shù)介紹

2017年9月，國家發(fā)改委、經(jīng)信委等六部委發(fā)布《電力需求側(cè)管理辦法（修訂版）》明確指出鼓勵電力用戶采用電蓄冷、電蓄熱、儲能等成熟的電能替代技術(shù)。2018年6月國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于創(chuàng)新和完善促進(jìn)綠色發(fā)展價格機(jī)制的意見》，提出完善峰谷電價形成機(jī)制，加大峰谷電價實施力度，運用價格信號引導(dǎo)電力削峰填谷。結(jié)合國家鼓勵政策和數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷密度大、全年不間斷運行的特點[70]，蓄冷技術(shù)成為數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)發(fā)展方向之一。

蓄冷技術(shù)是利用介質(zhì)的顯熱或潛熱特性將冷量儲存于介質(zhì)之中，在需要時將冷量釋放出來。蓄冷空調(diào)是指利用夜間電網(wǎng)負(fù)荷低谷段的廉價電進(jìn)行冷量儲存，在白天電網(wǎng)負(fù)荷電力高峰高價時段再將冷量釋放出來全部或部分代替冷水機(jī)組作為空調(diào)冷源使用[71-75]。由此實現(xiàn)電力移峰填谷，達(dá)到調(diào)節(jié)電網(wǎng)平衡，降低空調(diào)系統(tǒng)運行電費的目的。

表3 蓄冷系統(tǒng)主要特性[80]Table 3 Main features of the cold storage system

蓄冷系統(tǒng)一般可分為水蓄冷、冰蓄冷和共晶鹽蓄冷三大類[76]，其基本特性如表3所示。有研究指出，當(dāng)蓄冷量大于 7 000 kW，或蓄冷容積大于 760 m3時，水蓄冷是最經(jīng)濟(jì)的[77-79]。

3.2 蓄冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

（1）水蓄冷

水蓄冷系統(tǒng)一般蓄冷溫度為4 ～ 7℃，單位體積蓄冷容量為 5.9～11.6 kW·h/m3，具有放冷響應(yīng)速度快、初投資低、易于管理的特點，常用于數(shù)據(jù)中心應(yīng)急冷源。孫長青[81]從數(shù)據(jù)中心運行可靠性的角度出發(fā)，探討數(shù)據(jù)中心蓄冷形式的選擇，確定了水蓄冷應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢及設(shè)計方法；張純星[82]則對數(shù)據(jù)中心蓄冷罐選型、施工、安裝方法等進(jìn)行了詳細(xì)分析，為數(shù)據(jù)中心水蓄冷應(yīng)用提供了參考。阿里巴巴/華通千島湖數(shù)據(jù)中心的湖水冷卻空調(diào)系統(tǒng)配置了2個單位有效容積750 m3的蓄水池作為湖水過濾沉淀池，同時也作為解決市電中斷、油機(jī)啟動至冷水機(jī)組恢復(fù)運行這段時間的應(yīng)急供冷[30]。此外也有一些工程設(shè)計了大型的蓄冷罐體或蓄冷水池，除滿足數(shù)據(jù)中心應(yīng)急冷源需求外，代替冷水機(jī)組在電價高峰時段供冷，均取得了良好的節(jié)費效果，說明水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心工程中的應(yīng)用具有廣闊的前景[83-84]。根據(jù)蓄冷槽的設(shè)計方案，可分為自然分層型、迷宮型、多槽型和隔膜隔板型等。為了盡可能提高蓄冷能力和效率，實現(xiàn)更大的蓄冷溫差和冷熱水無摻混，研究人員對水蓄冷系統(tǒng)影響因素進(jìn)行了多方面的研究，黃麗[85]對自然分層式水蓄冷罐模擬后發(fā)現(xiàn)，影響蓄冷水槽完善度（figure of merit,FOM）的主要因素是不同溫度水之間在界面的混合與熱傳導(dǎo)損失；于航[86]對自然分層型蓄冷罐進(jìn)行模擬研究，結(jié)果顯示隨著蓄冷時間、溫差及流量的增加，斜溫層厚度增大；方貴銀[87]提出了一種大過冷度制冷、高溫水蓄冷的空調(diào)系統(tǒng)，將水蓄冷的可利用溫度上限由12℃提升到了30℃。

董凱軍等[88-90]自主研發(fā)了袋式隔膜蓄冷罐體結(jié)構(gòu)，通過防水隔熱柔性薄膜實現(xiàn)冷熱水的物理分隔，解決了柔性隔膜的制備和性能驗證，實現(xiàn)12℃以上蓄冷溫差和1℃超低溫蓄冷。

（2）冰蓄冷

冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷密度達(dá)到334 kJ/kg，且可實現(xiàn)更低的供冷溫度，常規(guī)冰蓄冷雙工況機(jī)組制冰蒸發(fā)溫度低于-5℃，制冷機(jī)組能效比（coefficient of performance,COP）與水蓄冷相比下降20%以上[91]，此外蓄冰系統(tǒng)管路和控制系統(tǒng)復(fù)雜，傳熱熱阻大，放冷速度慢的特點極大的限制了冰蓄冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的推廣應(yīng)用。根據(jù)制冰方法，可以將冰蓄冷系統(tǒng)分為靜態(tài)制冰和動態(tài)制冰，其中靜態(tài)制冰又分為冰盤管式和容積式式制冰，動態(tài)制冰又分為冰片滑落式、過冷水制冰和直接接觸式制冰等。動態(tài)制冰制取的多為流態(tài)冰漿或冰晶顆粒，融冰速率快，取冷溫度低，是目前研究的主流方向。曲凱陽[92]總結(jié)了日本過冷水動態(tài)制冰的研究現(xiàn)狀，給出了幾種解除過冷水狀態(tài)的方法，并強(qiáng)調(diào)了冰晶進(jìn)入過冷卻器對系統(tǒng)產(chǎn)生冰堵的影響很大；于震[93]分析了過冷水連續(xù)制冰系統(tǒng)能耗組成和用能效率，提出三種提升過冷卻器進(jìn)口水溫的方法，其中利用空調(diào)系統(tǒng)回水加熱的方法對系統(tǒng)的有效利用冷量和用能效率影響不大；EGOLF等[94]研究了冰漿的流動性能，提出冰漿濃度高于20%時可以適用于bingham流動模型；PRONK等[95]研究了冰漿在蓄冰罐里隨時間的變化狀態(tài)，提出了攪拌裝置轉(zhuǎn)速對冰晶尺寸增長影響很小，隨著NaCl溶液濃度的增加，冰晶顆粒增長速度下降。

中國科學(xué)院廣州能源研究所開發(fā)了過冷水動態(tài)制冰機(jī)組，并實現(xiàn)制冰系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運行，目前已應(yīng)用于多個蓄冷工程中[96-97]。同時，董凱軍等[98]還研發(fā)了一種復(fù)疊式直接接觸式制冰技術(shù)，復(fù)疊式直接接觸式制冰是一種非常適用于數(shù)據(jù)中心的技術(shù)，其冷凝側(cè)可以采用冷水機(jī)組提供的7～15℃的冷凍水進(jìn)行冷凝，數(shù)據(jù)中心冗余冷水機(jī)組數(shù)量較多，如果充分利用冗余機(jī)組進(jìn)行冰蓄冷，能夠?qū)崿F(xiàn)在增加較少投資的前提下，獲得冰蓄冷系統(tǒng)所帶來的峰谷電價的節(jié)費效果，是一種值得推廣的技術(shù)。

數(shù)據(jù)中心屬于全年運行的高能耗場所，數(shù)據(jù)中心應(yīng)用蓄冷技術(shù)能解決城市電網(wǎng)的區(qū)域失衡問題，蓄冷技術(shù)在用戶側(cè)雖不能直接帶來節(jié)能效果，但由于峰谷電價政策，蓄冷能夠為用戶帶來電費支出的大幅下降。并且蓄冷技術(shù)的大范圍應(yīng)用能夠提高發(fā)電效率和電網(wǎng)輸配效率，在供給側(cè)實現(xiàn)節(jié)能。高密度蓄冷技術(shù)是一項值得在數(shù)據(jù)中心大力推廣應(yīng)用的技術(shù)。

4 結(jié) 論

（1）自然冷卻技術(shù)是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的核心技術(shù)，但在不同地理氣候條件和應(yīng)用場景下應(yīng)考慮各種自然冷卻技術(shù)的適用性，進(jìn)行針對性的設(shè)計和優(yōu)化；針對自然冷源條件差的地區(qū)，開展自然冷源深度利用技術(shù)至關(guān)重要。

（2）氣流組織優(yōu)化技術(shù)是冷量高效利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功率密度逐漸提高的發(fā)展趨勢下，行級和機(jī)柜級冷卻方式是今后的發(fā)展方向，針對行級和機(jī)柜級冷卻的多因素?zé)岘h(huán)境綜合評價指標(biāo)的研究還較為欠缺，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究。

（3）蓄冷技術(shù)是一項非常適用于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能節(jié)費技術(shù)，現(xiàn)有蓄冷技術(shù)蓄冷密度較低，在很多已建成數(shù)據(jù)中心受空間限制尚未采用蓄冷技術(shù)，因此開展高密度蓄冷技術(shù)的研究和應(yīng)用是發(fā)展趨勢。