数据中心包含有服务器，通信设备，制冷与供电设备等，是数据处理的中心。研究显示，2015年，中国数据中心超过40万个，每年消耗电量约占全社会总量的1.5%。目前我国数据中心PUE要高于欧洲国家数值。2017年工信部提出目标：到2022年，数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下，高能耗老旧设备基本淘汰，水资源利用效率和清洁能源应用比例大幅提升，废旧电器电子产品得到有效回收利用。这也对数据中心的节能提出来新的挑战。

 

PUE是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比。基准是2，越接近1表明能效水平越好。

 

如图1所示，数据中心的能耗主要集中在服务器与空调系统。降低空调系统的能耗对提高数据中心能源利用率具有重要影响。由于常规冷却技术系统能耗过高，机房能源利用率过低，PUE居高不下。近年来研究人员提出利用自然冷源来对数据中心进行冷却的新型冷却方式。自然冷却技术可利用自然的冷空气或者低温水源对数据机房进行冷却，具有明显的节能效果。其主要包括风侧自然冷却，水侧自然冷却和热管自然冷却。

 

 

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风侧自然冷却技术

 

风侧自然冷却利用室外冷风来对数据中心进行冷却。在系统中，设置传感器来监测室内和室外的温度，当条件合适时，将室外冷风直接引入室内或者对其进行利用。风侧自然冷却技术是一项很有应用前景的技术。该技术主要分为直接风侧自然冷却，间接风侧自然冷却和蒸发冷却等三大类。

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直接风侧自然冷却技术

直接风侧自然冷却技术是将室外冷风直接引入数据中心进行冷却的技术。直接风侧自然冷却技术已经在一些地区得到了应用，并取得很好的效果。如Facebook在俄勒冈州的数据中心，利用该技术后，系统年均PUE可达1.09。雅虎在纽约地区数据中心也采用直接风侧自然冷却技术，PUE可达1.08。

直接风侧自然冷却技术对地区的空气质量有一定的要求，在一些地区需要对其进行改进。有人曾对严寒沙尘地区的数据中心应用自然冷却技术进行过研究。以内蒙古某数据中心为例，应用风道智能换热节能技术，很好的解决了新风带来的空气洁净度的问题。

直接风侧自然冷却系统是一项最为简单明了的自然冷却方法，具有低投资高回报的特点，但是该技术也有一定的局限性，在露点较高的地区使用该技术会带来不必要的除湿费用。而且对室外空气的直接引入也会导致室内湿度分布不均匀以及细颗粒物和污染物带入等问题，需采用过滤器对新风进行过滤，这样就导致设备的维护成本增加。因此在使用该技术时，必须充分考虑当地的空气质量以及气候条件等因素。

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间接风侧自然冷却技术

与直接风侧自然冷却技术直接引入新风不同，间接风侧自然冷却技术通过换热器对室外冷空气进行利用。间接风冷通过换热器来实现对室外冷空气的利用，确保数据中心不受外部环境的干扰。

京都转轮系统是该技术最为典型的应用案例，如图3所示。该系统包括一个带直接膨胀冷却系统的转轮，利用转轮在室内热风和室外冷风间交替循环从而实现热量的转换，可有效避免室内环境收到扰动。系统的COP约为8~10，远远高于传统冷却系统的COP值。

COP，名义工况性能系数，是在规定工况下，机组以同一单位表示的制冷（热）量除以总输入电功率得出的比值。

间接风侧自然冷却系统的节能效果较好，是一项很有潜力的技术。然而由于系统的设备体积较大，其应用范围受到限制。同样，空气经过热交换器时，随着时间的推移，污染物和颗粒物会在交换器上累积，这会导致热交换器的效率降低，维护成本增加。因此该系统目前的应用较少。

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蒸发冷却技术

蒸发冷却技术是利用水蒸发冷却原理，采用直接蒸发或者间接蒸发的方式获得冷风的技术。根据蒸发方式的不同分为直接蒸发冷却技术和间接蒸发冷却技术。直接蒸发冷却技术具有风量大、温差小，冬季加湿效果好等优点，间接蒸发技术具有效率高，不易堵塞等优点。

蒸发冷却技术可以将室内与室外环境隔离，保证机房内部环境不收干扰，对提高设备运行的稳定性有良好的效果。然而还有一些亟需解决的问题，如局部热点和室内湿度控制等，需在进一步研究解决。这部分内容在之前的文章中有过介绍。感兴趣可自行翻阅。

 

 

 

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水侧自然冷却技术

 

水侧自然冷却技术是指直接使用自然冷源通过冷却水的设施，从而保证在冷却的过程中不对内部环境造成影响的技术。水侧自然冷却技术主要分为直接式和冷却塔式两种。

在直接水冷式自然冷却系统中，自然低温水被直接引入数据中心进行冷却，不需经过任何换热过程。在国外，有很多数据中心对这一技术进行了尝试，如Google位于芬兰的数据中心，其年均PUE约为1.14。国内最早采用直接水冷式自然冷却技术的是阿里巴巴公司，其位于千岛湖的数据中心采用湖水作为自然冷源，可实现年均PUE为1.3。直接水冷式自然冷却具有较好的节能效果，但是该技术对自然冷源的依赖性很高，因此，数据中心往往选址靠近湖海。这使得该技术的应用具有一定的局限性，目前直接式的应用较少。

冷却塔技术是指利用自然冷源通过冷却塔制取低温水，从而对数据中心进行冷却的技术。该技术是目前数据中心应用最广泛的自然冷却技术之一。有人曾以上海、北京、呼和浩特三个典型气候为例，分析了冷水系统的相对节能性。发现具有较长过渡季节的地区更适合设置部分自然冷却。且随着纬度的上升，自然冷却时间增长，节能优势更明显。

当室外湿球温度较低时，该技术是一种比较好的自然冷却方案。但是使用该技术时，必须对冷水温度进行严格监控，在严寒地区需要采取防冻措施。

 

 

 

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热管自然冷却技术

 

热管冷却技术是指通过热管传递室外冷量的自然冷却技术。该技术具有较强的温度控制性能，并且能够在小温差下进行传热。和传统空调系统相比，热管技术具有更好的气流组织，很大程度上减少了局部热点的存在。由于热管自然冷却不会对室内空气品质和湿度产生影响，能够更好的利用自然冷源，传热效果更好。因此，近年来热管自然冷却技术越来越受到国内外学者的重视。热管自然冷却系统可以分为分离式，复合式和蓄冷式三种。

分离式热管系统可直接对数据中心进行冷却而不需要机械制冷，但环境温度较高时，需要蒸汽压缩系统辅助制冷。

复合式热管系统将分离式热管单元与蒸气压缩制冷单元通过蒸发冷凝器结合为一个整体，在一定程度上减少了初始投资。

环境温度对热管系统的冷却能力有很大的影响，这也对其稳定性和可靠性造成了一定的影响。为了克服这些缺点，蓄冷式热管系统将传统热管与蓄冷装置结合起来，在一定程度上增加对自然冷源利用的合理性。

 

 

 

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自然冷却技术的局限性

 

应用自然冷却技术可以在降低数据中心的能耗，但同时也存在一定局限性。对于风侧自然冷却技术而言，直接式虽然节能效果好，但是无法避免室外空气污染对设备的危害，且难以对室内温湿度进行控制。因此必须在气候条件合适的地区使用。由于转轮价格昂贵，效率有限，体积庞大，导致间接式风侧自然冷却系统初始投资较高，因此工程实例很少。蒸发冷却中空气被加湿，无法很好地控制机房内温湿度，且由于消耗水所带来的电能损耗也会使PUE变大。

对于水侧自然冷却技术而言，直接式水侧自然冷却对地点要求比较苛刻，在设计时也应考虑废水对当地水质以及生态化境的影响，冷却塔自然冷却系统虽然是目前应用最广泛的技术，但是自然冷却转换温度的取值目前还未得出一致的结论，因此对计算的结果往往存在较大差异，在严寒和寒冷地区，冷却塔必须设置可靠的防冻技术措施，包括报警，调控和必要的应急加热防冻措施。

在今后的研究中，为了热管自然冷却技术能够在实际应用中更好地起到节能效果，还需要进一步考虑制冷剂的分配与泄露、冷量衰减、室外机连接管与高差、机械制冷空调机组与热管空调机组间配合等问题。此外，自然冷却系统的投资、运行、维护成本也是在数据中心的生命周期内必须加以考虑的问题。

 

自然冷却技术是是数据中心节能的重要手段，每种自然冷却技术都有其适用范围，在选择自然冷却技术时应充分考虑当地气候，空气品质，水源以及初始投资等因素，因地制宜的选择合适的自然冷却技术。

随着数据中心的进一步发展，今后数据中心冷却技术要着力解决高密度设备散热问题，对机房散热进行全局化、模块化、系统化的管理。在节能的同时要充分考虑安全的问题，这样才能实现数据中心的绿色节能环保。