能耗是目前數據中心建設和運行過程中最受關注的問題之一。由於冷卻能耗在數據中心的總能耗中所佔比例居高不下，因此如何降低數據中心冷卻耗能成了當今數據中心節能的最主要課題。自然冷卻是目前國內外公認的數據中心節能重要措施之一，合理地利用自然冷卻技術可以明顯減少數據中心的全年能耗。近十幾年來，各種自然冷卻技術應運而生，極大地推進了自然冷卻技術在數據中心的應用和發展，但無論是相關產品的開發還是推廣應用，在國內仍然處於起步階段，節能效果與預期的結果相差甚遠，更關鍵的是商業炒作不斷地誤導著設計師和用戶，因此數據中心的自然冷卻技術值得深入研究和反思。
自然冷卻技術在數據中心的應用有三大制約因素：1）數據中心所處地理位置和該地區的全年氣候條件；2）相關規範和標準對數據中心熱環境的限制；3）不同自然冷卻技術的適用範圍和合理應用。下面分別加以討論。關於液化天然氣（LNG）冷能的利用，筆者將另外撰文介紹。
自然冷卻就是利用室外冷源如空氣或水（自來水、海水、江河水、湖水、地下水）對數據中心熱源進行冷卻，替代或部分替代機械製冷，因此室外氣候條件在很大程度上決定了自然冷卻的可行性和經濟性。
我國地域廣闊，從北到南，從東到西，跨越了多個氣候區。圖1為GB 50352—2005《民用建築設計通則》給出的我國建築氣候區劃圖。表1列出了GB 50352—2005《民用建築設計通則》給出的我國不同分區氣候主要指標。對於某個具體的數據中心，如果採用自然冷卻，除了要了解項目所在地所屬的氣候區，更關鍵的是要掌握當地歷年的氣象參數。國內研究人員在進行自然冷卻的節能性分析時，採用的氣象資料或源於DeST、或源於2005年出版的《中國建築熱環境分析專用氣象數據集》。由於全球氣候變暖，各地氣象參數發生了明顯的變化，進行自然冷卻的可行性和節能性分析時應不斷更新氣象資料，目前國內可採用的最新的氣象資料可由JGJ/T 346—2014《建築節能氣象參數標準》獲得。
圖1 我國建築氣候區劃圖
表2為根據JGJ/T 346—2014《建築節能氣象參數標準》統計的主要城市完全自然冷卻和部分自然冷卻的時間。一般將空氣側自然冷卻的完全自然冷卻的轉換幹球溫度tg定為0 ℃以下，部分自然冷卻的轉換幹球溫度定為0 ℃<tg≤10 ℃或0 ℃<tg≤15 ℃。水側自然冷卻，根據冷卻塔逼近度（即室外空氣溼球溫度與冷卻塔出水溫度之差值）計算方法計算，當機房空調機組的進水溫度分別為7，10，12 ℃時，完全自然冷卻所對應的溼球溫度tsh分別為－4.11，－0.41，2.06 ℃；部分自然冷卻所對應的溼球溫度tsh分別為1.89，5.59，8.10 ℃（冷水溫差為6 ℃）。目前國內外數據中心機房環境溫度和冷水進水溫度均有升高的趨勢，所以自然冷卻轉換的乾濕球溫度也會相應升高。數據中心自然冷卻的室外環境轉換溫度如何確定是一個值得研究的課題，本文將詳細分析和討論。
數據中心要求系統必須可靠，不同等級的數據中心的可用性必須達到規範或標準規定的等級，因此設計時，往往過分強調系統的可靠性和可用性，結果導致能源浪費和投資增加。為減少這種過於保守的設計帶來的浪費，ASHRAE標準和ETSI歐洲電信標準根據IT設備的發展和數據中心熱環境的最新研究成果，不斷擴大數據中心機房環境參數範圍，這使得自然冷卻的應用範圍得以擴大。圖2為ASHRAE 2015《Thermal guidelines for data processing environments》給出的A1~A4分級推薦和允許環境參數分布圖，圖3為ETSIEN 300《Classification of environmental conditions；stationary use at weather protected locations》給出的3.1分級推薦和允許環境參數分布圖。
GB 50174—2017《數據中心設計規範》中環境參數的推薦值為18~27 ℃，露點溫度為5.5~15℃，相對溼度不大於60%；允許值為15~32 ℃，相對溼度為20%~80%，露點溫度不高於17 ℃。
目前歐美標準中規定的數據中心環境參數的推薦值和允許值比GB 50174—2017標準範圍廣，因此數據中心中可使用自然冷卻的時間也相應延長。隨著IT設備允許的溫溼度範圍逐年擴大，數據中心環境參數的推薦值和允許值也會隨之變更。目前歐美數據中心的標準更新時間越來越短，值得關注。
按照國際上通用的分類方法，國內外數據中心現行的自然冷卻技術可以分為兩大類：即空氣側自然冷卻（air side economizer）和水側自然冷卻（water side economizer）。這兩類自然冷卻方式又可以分成若干不同類型，如表3所示。
3.1 室外新風直接自然冷卻
直接採用室外低溫空氣實現數據中心的冷卻。如圖4所示，當室外新風自然冷卻系統增加噴霧和擋水板功能時，在數據中心自然冷卻技術分類時也有學者將這一方式列入直接蒸發冷卻方式。
室外新風自然冷卻系統的特點是：1）在氣候條件適合的地區使用，從能耗角度考慮該系統能耗最低；2）無法避免室外空氣汙染（粉塵和有害氣體）對IT設備的危害；3）無法很好地控制機房內溫溼度，所以目前除了採用帶噴霧和擋水板功能段的室外新風自然冷卻系統外，這種室外新風直接自然冷卻方式在國內外數據中心中十分罕見。國內由於室外空氣品質難以保證，更是使用困難，據悉國內已有室外新風直接自然冷卻的個別數據中心案例，根據室外空氣品質進行新風/迴風/排風的轉換。
3.2 直接蒸發冷卻
蒸發冷卻是我國已經達到世界先進水平的一項技術，近年來已經在數據中心和基站得到應用。表4為蒸發冷卻技術分類。
直接蒸發自然冷卻系統是指送入數據中心的室外空氣先與水大面積直接接觸，因水的蒸發吸收汽化潛熱而使空氣的溫度下降，低溫空氣用於數據中心的冷卻。圖5為直接蒸發自然冷卻系統示意圖。除了圖4所示採用噴淋和擋水功能的直接蒸發冷卻方式外，目前主要採用的是圖5所示的滴水填料式直接蒸發冷卻方式。
直接蒸發冷卻系統的特點是：1）增設了空氣過濾器，保證了循環水或蒸發板不被室外空氣汙染物汙染；2）利用水蒸髮帶走的汽化潛熱，進一步降低了室外空氣的溫度，提高了節能效果；3）空氣被加溼，無法很好地控制機房內溫溼度。
如表4所示，蒸發自然冷卻系統有2種形式，其一是直接蒸發冷卻空調機組，其二是直接蒸發冷卻冷水機組。目前國際上採用噴淋式直接蒸發冷卻方式最著名的是Facebook在美國普林維爾建造的大數據中心，該數據中心採用了全新風直接蒸發冷卻方式，這是因為普林維爾地處高原沙漠，氣候非常乾燥，雖然全年最高室外幹球溫度為40.56 ℃，但是Facebook數據中心IT設備可適應43.3 ℃的高溫，因此節能效果十分顯著。目前國內採用滴水填料式直接蒸發冷卻系統（國內稱之為「蒸髮式冷氣機」）的有福州某通訊基站，但是工程實踐表明其存在以下問題：1）蒸髮式冷氣機無法滿足GB 50174—2017標準規定的機房環境；2）在蒸髮式冷氣機關閉、機房專用空調開啟後，基站內部存在結露的風險；3）蒸髮式冷氣機使室內空氣含溼量增加，從而增加了機房專用空調的負荷，空氣除溼的能耗費用高於單獨運行機房專用空調的能耗費用。可見，蒸髮式冷氣機雖然初投資較低、節能效果明顯，但是只能在氣候和室外空氣品質均滿足要求的條件下使用。直接蒸發冷卻冷水機組一般是採用滴水填料式直接蒸發冷卻裝置與風冷冷水機組的冷凝器串聯，室外空氣先通過直接蒸發預冷，再通過冷凝器進一步降溫，這樣使得冷水機組的COP值得以提高，但是在數據中心的自然冷卻中卻很少用到這一技術。
3.3 轉輪空氣直接自然冷卻
轉輪式空氣直接自然冷卻系統即利用轉輪內填料的儲能功能，讓轉輪在2個封閉的風道內緩慢旋轉，利用被室外空氣冷卻的填料來冷卻室內空氣，實現數據中心的冷卻。由於轉輪價格昂貴，效率有限，體積龐大，所以主要用於工業除溼，用於空氣直接自然冷卻的工程實例很少。
3.4 熱管間接自然冷卻
指採用熱管傳遞室外冷量的一項冷卻技術，屬於一種間接式空氣側自然冷卻方式。數據中心熱管自然冷卻系統是國內諸多高校一個熱門研究課題，這種系統在國外研究和應用都較少，主要是我國（包括臺灣地區）和韓國在研究。目前國內提出了幾種不同的熱管自然冷卻方式，作為產品主要有：熱管空調一體機和熱管空調分體機（包括背板式、吊頂式和列間式）。圖6a所示熱虹吸管熱管空調機組利用室外冷空氣將機房內熱量排出室外，室外溫度低於20 ℃即可實施自然冷卻；圖6b所示為背板式熱管空調系統，這種空調末端需要與帶自然冷卻功能的機械製冷系統結合，圖中RCU為製冷劑冷凝單元。
熱管式自然冷卻系統的特點是：1）與空氣側直接自然冷卻相比，不會影響室內空氣品質和溼度；2）與水側自然冷卻相比，由於內部為相變傳熱，傳熱效果及自然冷源利用率更高；3）機組製冷量較小，即使是分體機製冷量也小於40 kW，所以一體機主要用於基站空調，分體機則適合於小型計算機房空調。
熱管式自然冷卻系統需要解決以下問題：1）熱虹吸管熱管空調機組與機械製冷的空調機組的配合；2）製冷劑分配問題、製冷劑洩漏問題、室外機連接管長和高差問題、冷量衰減問題、新風問題等。
熱管式自然冷卻系統尚屬於試用階段，圖7為國外開發的一種無風管、無水泵、無製冷劑的熱管式自然冷卻系統。利用熱管將伺服器的散熱排到兩側保溫散熱風道中，然後由上部的風管排到室外，這個專利技術十分簡單，但是需要有相應的伺服器配合，值得國內借鑑和參考。
3.5 間接蒸發自然冷卻
指室外空氣經過表面式換熱器與經蒸發冷卻的水或空氣進行換熱而被冷卻，低溫空氣用於數據中心的冷卻。
如表5所示，間接蒸發冷卻有2種形式，即間接蒸發冷卻空調機組和間接蒸發冷卻冷水機組。同時採用直接蒸發和間接蒸發冷卻對空氣進行冷卻，又可以組合成複合式蒸發冷卻空調機組。《蒸發冷卻通風空調系統設計指南》一書中詳細介紹了這些蒸發冷卻技術、設備和設計方法。圖8為間接蒸發冷卻系統示意圖。
間接蒸發冷卻系統的特點是：
1）在氣候條件適合地區應用時，計算機模擬結果和西北地區數據中心工程實踐表明，節能效果明顯。其中烏魯木齊開發區聯通數據中心和新疆阿勒泰北屯電信數據中心是2個完全不採用機械製冷、僅用複合式蒸發冷卻即可全年為數據中心供冷的典型工程。對於其他地區，尤其是我國南方各省，蒸發冷卻節能效果必須通過具體工程的現場實測得到。
2）複合蒸發冷卻系統適合與機械製冷系統聯合供冷。由於蒸發冷卻受室外氣象條件的制約很大，因此蒸發冷卻與機械製冷組合應該是一種互補的節能措施。例如蒸發冷卻複合高溫冷水機組，可以根據室外環境溼球溫度的變化，儘量採用蒸發冷卻技術製取高溫冷水進行供冷，而減少機械制冷機組的運行時間和其運行時所承擔的負荷而節省能源；在室外環境不滿足要求時，採用機械製冷製取高溫冷水，以保證製取的冷水溫度的穩定性。
3）水消耗將引發電能利用效率PUE和水利用效率WUE計算問題。根據美國綠色網格等公司的調查，蒸發冷卻需要使用大量清潔水，因此在計算PUE時，應該加以考慮。他們認為，如果將蒸發掉的水所使用的電能加入計算，將使PUE數值變大。根據計算，使用直接蒸發冷卻技術的數據中心，不考慮水所使用的電能時，PUE為1.1，考慮水所使用的電能時其PUE為1.42；同樣，使用間接蒸發冷卻技術的數據中心，考慮水所使用的電能時，其PUE為2.18。目前國內並未重視蒸發冷卻對PUE，尤其是對WUE的影響，查閱幾十篇相關文獻，均未發現詳細計算採用蒸發冷卻或蒸發冷卻和機械製冷聯合系統的數據中心的PUE和WUE。關於數據中心耗水量問題筆者將另外撰文討論。
4）風量和機組體積過大，且需要置於室外，因此只適合中小型數據中心。蒸發冷卻由於送風溫度較高，加上需要使用排風機，所以機組風量和體積均很大。以一個已經採用蒸發冷卻機組的數據中心為例，IT機房面積為440 m2，設備發熱量為178 kW，蒸發冷卻機組外形尺寸為5280 mm×2 450 mm×2 700 mm，設計風量為42 000 m3/h，額定功率為27.5 kW。再以一個氣候條件與上述工程相近、1萬個機架、冷負荷為70 MW的超大型數據中心為例，如果採用相同的蒸發冷卻機組，風量將達到1 650萬m3/h，即使不考慮冗餘，機組也將達到393臺，僅機組本身佔地面積將達到5 000 m2。因此蒸發冷卻技術應該因地制宜地使用，一般只適合小型數據中心。
5）室內可能出現凝露現象。當蒸發冷卻與機械制冷機房空調機組組合時，由於蒸發冷卻無法除溼，進風空氣露點溫度較高，如果處理不好，與機械制冷機房空調機組的出風混合，很可能在室內出現凝露現象，需要高度重視。
6）冬季防凍技術有待研究和實踐。無論是直接蒸發還是間接蒸發，在冬季室外溫度低於0℃時，目前均是採取關閉冷卻水系統的做法，對於採用表面式換熱器的間接式蒸發冷卻系統可以採用乙二醇溶液循環，成為一種乾冷器，繼續運行。事實上，蒸發冷卻與開式冷卻塔相似，國內對於開式冷卻塔冬季防凍運行已積累了豐富的經驗，蒸發冷卻應該在冬季防凍技術方面開展深入研究，擴大蒸發冷卻應用範圍，使間接蒸發也可以用於數據中心的完全自然冷卻。
3.6 冷卻塔自然冷卻
指利用室外較低的幹球溫度或溼球溫度通過冷卻塔來製備冷水，部分或全部替代機械製冷的一項技術，冷卻塔自然冷卻屬於水側自然冷卻，冷卻塔自然冷卻是目前數據中心採用最多的自然冷卻技術之一。
冷卻塔自然冷卻包括：1）開式冷卻塔直接自然冷卻，冷卻塔的冷水直接供給機房空調機組使用；2）開式冷卻塔間接自然冷卻，冷卻塔的冷水通過板式換熱器與機房空調機組的循環冷水換熱後向空調機組供冷；3）閉式冷卻塔自然冷卻，閉式冷卻塔也稱蒸髮式空冷器或溼式冷卻器，是將管式換熱器置於塔內，利用噴灑在換熱器上的水蒸發將熱量排至室外環境中的排熱裝置，直接向機房空調機組提供冷水或乙二醇溶液；4）乾式冷卻器（dry cooler）自然冷卻，乾式冷卻器是將管式換熱器置於塔內，通過流通的空氣冷卻管內乙二醇或水達到排熱降溫效果，直接向機房空調機組提供冷水或乙二醇溶液；5）混合型冷卻塔，全年大部分時間按乾式冷卻器運行，其餘時間向乾式冷卻器噴灑水，成為蒸髮式空冷器，即溼式冷卻器。
圖9為開式冷卻塔間接自然冷卻系統的示意圖。圖9a，b分別為串、並聯模式（圖中打叉圖例表示該運行工況下此閥門關閉），左圖均為機械製冷工況，右圖均為自然冷卻工況。
開式冷卻塔直接自然冷卻方式的特點是：由於水質容易被汙染，會嚴重影響機房空調機組換熱器運行的可靠性，因此在數據中心中很少使用。
溼式冷卻器和乾式冷卻器的特點是其中換熱器內的水直接進入機房空調機組中，無水質汙染。事實上這幾種冷卻塔也可歸於間接式蒸發冷卻裝置。
目前冷卻塔自然冷卻中使用最多的是開式冷塔間接自然冷卻方式。開式冷卻塔間接自然冷卻有2種方式：1）串聯式，冷卻塔冷水流過板式換熱器和冷水機組，根據室外空氣溼球溫度進行轉換，可以讓冷卻塔冷水流過板式換熱器和開啟的冷水機組實施局部自然冷卻；或是關閉冷水機組，冷卻塔冷水旁通流過板式換熱器，進行完全自然冷卻，如圖9a所示。2）並聯式，板式換熱器與冷水機組並聯，當室外空氣的溼球溫度低於冷卻塔逼近度和板式換熱器的溫升（宜按1℃設計）之和時，關閉冷水機組，由冷卻塔供冷水。並聯式只能用於完全自然冷卻模式，如圖9b所示。
開式冷卻塔間接自然冷卻的優點是：1）當氣候條件適宜時，節能效果明顯；2）適合各種規模數據中心使用；3）技術相對簡單；4）機房空調機組的水質可以得到保證。缺點是：1）水阻力（板式換熱器、閥門和管道）明顯增加，導致能耗上升，如果設計不合理很可能將自然冷卻的節能獲益抵消殆盡；2）初投資增加；3）室外溼球溫度影響十分明顯；4）冷卻塔的性能，尤其是熱質交換效率影響自然冷卻節能率；5）冷卻塔的水耗量（蒸發、飄逸、排汙等）直接影響數據中心的WUE值，即影響數據中心的經濟性；6）冷卻塔水質汙染轉移到板式換熱器，板式換熱器容易堵塞。
開式冷卻塔間接自然冷卻，串聯模式有3種工況：1）完全自然冷卻；2）部分自然冷卻；3）完全機械製冷。並聯模式沒有部分自然冷卻模式，只有2種工況。不同工況的轉換溫度如何取值，由於涉及到自然冷卻的使用時間長短，也就是節能量的多少，值得深入研究。
關於自然冷卻轉換溫度的取值，目前國內學術界和工程界觀點並不一致，其中具有代表性的幾篇文獻存在明顯的差異。祝偉民認為完全自然冷卻轉換溫度應該取溼球溫度3.5 ℃；楊毅等人認為完全自然冷卻轉換溫度應該取溼球溫度1 ℃，部分自然冷卻的轉換溫度應該取溼球溫度8.23 ℃（冷卻塔出水溫度為16 ℃）；折建利等人在實際工程中是按室外空氣溼球溫度連續5 h以上、空氣溼球溫度低於7 ℃時採用完全自然冷卻操作。
之所以在自然冷卻轉換溫度上出現如此明顯的差異，主要有以下三方面的原因：
1）缺乏對開式冷卻塔的實際性能的了解。對自然冷卻效果影響大的冷卻塔性能指標一個是逼近度，另一個是冷卻水溫差。鄭鋼等人根據某品牌逆流冷卻塔數據擬合，得出室外空氣溼球溫度tsh與逼近度Δt的數學關係式及冷卻塔出水溫度tc1與tsh的關係式：
圖10顯示了逆流冷卻塔溼球溫度與逼近度關係。
由圖10可知，當溼球溫度為28 ℃時，逼近度為4.0 ℃，即冷卻塔出水溫度為32 ℃，與國家標準GB/T 7190.1—2008《玻璃纖維增強塑料冷卻塔 第1部分：中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔》標準設計工況的規定相符，說明以上公式可以使用。
2）國內文獻往往對冷卻塔的性能評價過高，例如楊毅等人認為，完全自然冷卻轉換溫度取溼球溫度為6.5 ℃時，對應的冷卻塔出水溫度為11 ℃，即逼近度為4.5 ℃。按此推算當溼球溫度為28 ℃時，逼近度竟然可以達到0.4 ℃，也就是說對應的冷卻塔出水溫度只有28.4 ℃，顯然這是不可能的。事實上，即使是性能優良的冷卻塔，當溼球溫度為6.5 ℃時，對應的冷卻塔出水溫度也只能達到14.6 ℃，逼近度為8.1 ℃。
另一方面，為了標榜冷卻塔的產品性能優良，國內部分冷卻塔廠家採用降低冷卻塔進出水溫差的辦法來縮小逼近度。GB/T 7190.1—2008規定，冷卻塔的進出水溫差應為5 ℃，圖11顯示了採用折建利等人的模擬數據給出的冷卻塔不同進出水溫差和溼球溫度下的逼近度。由圖11可以看出，減小冷卻塔進出水溫差可以明顯減小冷卻塔的逼近度，但付出的代價是需要大幅度提高冷卻水的水量，水泵初投資和能耗相應增加。
對於間接式冷卻塔自然冷卻的轉換溫度，目前國際上推薦以下計算方法：
式中 tPW為部分自然冷卻室外空氣溼球溫度，℃；tRW為冷水回水溫度，℃；DA為冷卻塔逼近度，℃；tTR為板式換熱器溫升，℃。
式中 tTW為完全自然冷卻室外空氣溼球溫度，℃；tSW為冷水供水溫度，℃。
按照GB 50174—2017《數據中心設計規範》的規定，數據中心的冷水供水溫度為7~21 ℃。實際運行的數據中心常用的冷卻塔冷水供水溫度（板式換熱器溫升按1 ℃設計）主要有6，9，11，14，20 ℃。如果採用冷卻塔完全自然冷卻，根據式（4），相對應的溼球溫度應該分別為-4.11，-0.41，2.1，5.8，13.2 ℃。如果採用冷卻塔部分自然冷卻，根據式（3），相對應的溼球溫度應該分別為1.89，5.59，8.1，11.8，19.2 ℃（冷水溫升按6 ℃考慮）。
對於冷卻塔自然冷卻來說，冷卻塔的冷卻能力與所處地區氣象條件有關，所處地區的氣象條件決定了冷卻塔自然冷卻的時間。由於室外氣候除了季節變化，還有同一季節不同時間、甚至一天內的變化，因此採用冷卻塔自然冷卻技術時，必須注意冷水溫度變化的影響。應通過可靠的自控系統實現冷水機組供冷和冷卻塔供冷2種運行工況間的平穩轉換。嚴寒和寒冷地區，數據中心冷卻塔自然冷卻系統必須設置可靠的防凍技術措施，包括報警、調控和必要的應急加熱防凍措施。
3.7 帶自然冷卻的風冷冷水機組
指在傳統的風冷冷水機組的基礎上並聯自然冷卻盤管，使得風冷冷水機組同時具備機械製冷和自然冷卻的功能。由於風冷冷水機組體積緊湊，不用專門的機房，所以應用廣泛。但是當風冷冷水機組冬季在全年需要供冷的數據中心運行時，可能出現冷水凍結，低環境溫度下啟動困難、出現低壓保護等問題。為解決上述問題，帶自然冷卻的風冷冷水機組應運而生。圖12為帶自然冷卻的風冷冷水機組工作原理示意圖。
夏季冷水機組按正常模式運行，關閉自然冷卻盤管，冷水旁通；過渡季節開啟自然冷卻盤管，冷水先進入自然冷卻盤管預冷，再進入蒸發器進一步降溫；冬季則關閉冷水機組，開啟自然冷卻盤管，冷水在自然冷卻盤管內冷卻，再供給機房空調系統。
目前帶自然冷卻的風冷冷水機組採用的壓縮機有：磁懸浮離心式壓縮機、螺杆式壓縮機和渦旋式壓縮機。
帶自然冷卻的風冷冷水機組，不同廠家設置的自然冷卻的室外環境切換溫度有所不同，當冷水進出水溫度為12 ℃/7 ℃時，完全自然冷卻的室外環境切換溫度為0 ℃以下，部分自然冷卻的室外環境切換溫度為0~10 ℃，10 ℃以上全部機械製冷。
帶自然冷卻的風冷冷水機組選型時，應注意以下問題：1）氣候的變化，除了季節轉換，還有日變化和小時變化，因此如果只根據某一個環境溫度進行上述3種運行模式的切換，很可能出現製冷壓縮機頻繁啟動，影響自然冷卻的節能效果，同時也可能導致冷量不夠。邱育群提出的以進水溫度與環境溫度的差值作為判斷條件的控制方法值得關注，該方法簡單有效，增加成本較少，在最大限度地利用自然冷源的同時，可實現純壓縮式製冷、壓縮式製冷與自然冷卻混合製冷、純自然冷卻製冷3種模式的自動切換，並最大化地利用自然冷源。
2）目前有多種帶自然冷卻功能的風冷冷水機組可供選擇，壓縮機具備無級調速功能極為重要，這種功能可以確保機組在所有負荷工況和溫度環境下高效運行。磁懸浮離心式壓縮機由於在部分負荷下具有明顯高於其他形式壓縮機COP的特性，對於採用多臺冷水機組的數據中心，在混合模式運行時，可以啟動多臺磁懸浮離心式機組，使其在部分負荷工況下運行，節能效果更加明顯。
3）帶自然冷卻功能的風冷冷水機組應具備智能化控制功能，優化全年能源使用，動態評估外部環境，在自然冷卻功能關閉時，通過控制旁通閥減少水泵能耗，當需要設定新的參數時，可以通過冷水機組控制面板進行調節。
4）惡劣的室外環境會影響風冷冷凝器和自然冷卻換熱器的換熱性能，風冷冷凝器和自然冷卻換熱器本身換熱能力也會隨著運行時間而衰減。為避免帶自然冷卻風冷冷水機組因性能變化導致系統參數與原設定的工況轉換條件不符，以致影響到系統的可靠性，冷水機組的控制系統應設置自動或手動置換功能，確保系統的可靠性。
3.8 製冷劑自然冷卻
製冷劑自然冷卻系統，國內亦稱「氟泵自然冷卻系統」，是國內數據中心業界近年來炒作的一項技術。何謂「氟泵空調」？在製冷空調界卻鮮為人知。查閱GB/T 50155—2015《供暖通風與空氣調節術語標準》，既無「氟泵自然冷卻系統」，也無「氟泵空調」的術語。事實上，氟利昂是美國杜邦公司對一系列碳氟化合物所取的通用商品名，所以國家標準名詞術語採用的是「製冷劑」，國內將「製冷劑溶液泵」俗稱為「氟泵」，但俗稱是不能作為名詞術語的，正規的說法應該是「製冷劑溶液泵」。又據百科全書，「氟泵」的定義是：內襯氟塑料的泵，按照其結構形式一般可分為襯氟離心泵、襯氟磁力泵、襯氟自吸泵。出於商業目的，將一項業界已經耳熟能詳的技術重新冠名、重新包裝，大肆宣傳的現象並非少見，需要及時甄別。
根據工作原理，IT行業使用的所謂「氟泵自然冷卻系統」，或者「雙動力源空調系統」，實際上就是製冷劑自然冷卻系統，這是從上世紀70年代開始在國外就有人研究和應用的一項技術。國內從上世紀90年代開始也有人開始研究這項技術，並有相應產品研發成功。ASHRAE TC9.9《數據中心電力設備熱指南和最佳實踐》將這一系統稱之為「製冷劑經濟器」（refrigeranteconomizer），並對其優缺點進行了評述。事實上這種系統還是應該劃分到空氣側自然冷卻，該系統已有正式產品進入市場，並在數據中心應用多年。
製冷劑自然冷卻系統的工作原理十分簡單。夏季，製冷壓縮機製冷；冬季，當室外溫度低於控制器設定溫度時，控制器自動由壓縮機製冷切換為製冷劑自然冷卻，被室外風冷冷凝器冷卻的製冷劑溶液通過製冷劑溶液泵輸送到蒸發器內，吸收室內的熱量後，製冷劑由液態轉變為氣態，然後進入風冷冷凝器，再次冷卻成液體，周而復始；過渡季節，機械製冷和製冷劑循環同時工作。
製冷劑自然冷卻系統的特點是：1）不需要增加換熱器；2）無汙染危險；3）無需增加風道和改變建築結構；4）無風閥；5）機械製冷模式和自然冷卻模式可以快速變換；6）不用水；7）無凍結危險。
雖然製冷劑自然冷卻系統的工作原理簡單，但是系統並不簡單，從目前數據中心已經投入運行的製冷劑自然冷卻系統來看，存在以下問題：1）只適用小型機房，機組冷量小於100 kW。2）成本上升。由於增加了製冷劑溶液泵、低壓循環桶、集油器及浮球閥等設備及其附件，投資增多，安裝費用也相應增加，機房的佔地面積擴大；與此同時，由於製冷劑充注量的增加，也增加了初投資。3）壓縮機與製冷劑溶液泵切換時，常常出現泵流量丟失、泵鎖定等故障；製冷劑溶液泵經常會碰到的問題是，屏蔽泵的電流很小，泵前後壓差建立不起來。4）從製冷劑製冷模式切換到壓縮機製冷模式時，存在液態製冷劑吸入壓縮機而引起液擊的危險。5）由於製冷劑與油部分互溶，將導致低壓循環桶中的液面上部積存冷凍油，很容易引起系統整體缺油，以致油無法回到壓縮機中的潤滑機械部件，造成壓縮機故障。
3.9 地表水自然冷卻
利用地表水，包括海水、江河水、湖水、地下水作為數據中心的自然冷源，目前國內開始嘗試，國內第一個採用湖水作為自然冷源的數據中心——浙江千島湖數據中心已投入運行，受到國內IT和空調界的高度重視。該工程節能效果十分顯著，2017年7月，當室外氣溫高達40 ℃時，該數據中心的機械製冷設備也無需開機。但對該工程是否會影響千島湖水質，破壞生態環境有所擔心，事實上該工程在設計過程中已經高度重視這一問題，並採取了相應措施。另外一個採用湖水作為自然冷源的數據中心——湖南東江湖大數據中心一期已開始有用戶入駐，該工程由於取水於湖水下洩10 km處，水溫年平均溫度低於13 ℃，因此可以完全在生態友好的條件下運行。該工程採用了多項節能技術，被國內外IT業界和空調界關注。
利用地表水作為數據中心的自然冷源雖然節能效果十分明顯，但是除了受到自然環境的高度制約外，在技術和環境保護方面均需要深入研究。
4.1 機房空調機組表冷器存在的問題
數據中心的供冷設備目前採用最多的還是冷水機組，風冷冷水機組或水冷冷水機組，如前所述，對於這2種冷水機組都有相應的自然冷卻技術配套。不管採用哪種方式，冷水的服務對象都是空調機組中的表冷器，空調機組則包括水冷精密空調機組、列間空調機組、背板式空調機組等。根據筆者最近幾年對已經運行的多個數據中心的實地調查，發現空調機組中的表冷器設計存在很大的問題，鮮有人研究，具體表現在：
1）表冷器冷水溫差達不到額定值。根據GB 50174—2017《數據中心設計規範》的規定，數據中心的冷水供水溫度為7~21 ℃，冷水回水溫度為12~27 ℃。實際運行的數據中心按照用戶的要求，冷水供回水溫度有7 ℃/12 ℃，10 ℃/15 ℃，12 ℃/18 ℃，15 ℃/21 ℃，21 ℃/27 ℃幾種組合，其冷水溫差為5 ℃或6 ℃。存在的主要問題是，絕大部分空調機組冷水實際溫差只有2 ℃左右，由於空調機組的設計冷量是一定的，而冷水泵又是按5 ℃或6 ℃冷水溫差設計配置，因此冷水溫差的減小將導致空調機組的冷量不足，數據中心自動控制系統將自動降低冷水機組的出水溫度，這一現象可以從多個現場自控大屏幕顯示的結果觀察到。當冷水機組冷水進出水溫度從12 ℃/18 ℃降低到7 ℃/9 ℃時，按照蒸發溫度每降低1 ℃，冷水機組的COP將減少3%的規律來計算，冷水機組的COP最終將減少15%，數據中心的運行費用將明顯增加。多個工程項目將這一現象歸罪於冷水機組生產廠家，而冷水機組生產廠家現場又無法解決此問題，形成一個怪圈。
表冷器冷水溫差達不到額定值還可能是由於冷水流量和溫差與實際空調負荷不匹配造成的，比如冷水循環系統按照滿負荷設計，而IT機櫃建設卻分期進行，結果導致空調負荷達不到滿負荷的設計值。此外設計施工和運維等多個環節也可能引發上述問題。
2）空調機組產品所執行的試驗工況與實際工程不符。如前所述，根據GB 50174—2017《數據中心設計規範》的規定，機房環境參數推薦值為18~27 ℃，相對溼度<60%，允許值為15~32℃，相對溼度20%~80%。國內外一般視機房環境參數為機房機櫃進風參數，如果考慮冷風通過架空地板或冷通道時產生的溫升，機房空調送風溫度應低於機房環境參數。目前國內生產的機房空調末端裝置均按照GB/T 19413—2010《計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機》的規定生產，表5給出了計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機試驗工況，空調末端設備的空氣入口溫度均為幹球溫度24 ℃、溼球溫度17 ℃，即相對溼度49.6%（產品樣本一般標註為幹球溫度24℃、相對溼度50%），冷水供回水溫度為7 ℃/12 ℃。而實際數據中心並非按照這一工況運行，如果空氣入口溫度為幹球溫度24 ℃、溼球溫度17 ℃，通過機櫃後空氣升溫11 ℃，幹球溫度將達到35 ℃，這時相對溼度將降低到26.5%，露點溫度為12.83 ℃，如果新風單獨處理，機櫃排出的熱風通過熱通道進入空調機組，這時的空氣入口溫度就不再是幹球溫度24 ℃、溼球溫度17 ℃了，空調機組的送風溫度和冷量也會發生明顯變化。表6給出了不同空氣入口溫度、不同供回水溫度下，1臺送風量為10 100 m3/h的冷水式單元式空調機的送風溫度和冷量。
表6是根據表冷器的試驗公式，利用計算機軟體模擬所得結果。由表6可知，1臺冷水式單元式空調機組如果只提供按照表5額定工況試驗所得參數是遠遠不夠的，由於實際工作條件下空氣入口參數或冷水供水溫度和溫差的不同，空調機的送風參數和冷量將發生很大變化，這對於使用自然冷卻來提供冷水的數據中心來說，不但影響自然冷卻工況轉換時間的設定，也影響自然冷卻的節能效果。由於目前生產數據中心用機房空調機組的國內外廠家均只提供GB/T 19413—2010試驗工況的參數，因此，提供不同空氣入口參數、不同冷水供水溫度和溫差下的機房空調機組的性能參數是當務之急。
4.2 隨意抬高自然冷卻節能效果的問題
數據中心採用自然冷卻可以節能，可以減少數據中心的運行費用毋庸置疑，但是不少商家為了推銷產品不負責任地隨意抬高自然冷卻在數據中心中的節能效果，這種行為應該引起數據中心相關單位的高度重視。
不久前網上公布了一家著名的美國公司關於在數據中心採用該公司生產的間接式蒸發機組，在我國多個城市可以達到的PUE和WUE 值，見表7。
根據國內的統計，當數據中心製冷空調系統設計合理、設備先進時，機房冷卻能耗約佔數據中心總能耗的40%，IT設備能耗約佔40%，按表7中PUE推算，採用該公司生產的間接蒸發空調機組，國內上述7個城市數據中心的PUE最低為1.34，最高為1.43，也就是說國內所有城市的PUE全部可以達到GB/T 32910.3—2016《數據中心資源利用第3部分：電能能效要求和測量方法》規定的一級節能數據中心的標準，顯然這是不可能的。此外，與採用冷卻塔的水冷冷水機組相比較，可以節能54%~69%也是不現實的。
國內也有廠家大肆宣傳數據中心採用自然冷卻和間接蒸發冷卻技術後可以達到的節能效果，例如深圳某公司宣稱其生產的間接式蒸發冷卻系統較常規高效風冷空調系統節能66%，比採用自然冷卻的冷水機組節能46%，更為令人費解的是可以節水70%。查閱國內和外資生產廠家的樣本，採用自然冷卻後所能獲得的節能效果是，以北京為例，採用帶自然冷卻的風冷變頻螺杆式冷水機組與無自然冷卻變頻螺杆式冷水機組相比較節能30%，氟泵自然冷卻機組（製冷劑自然冷卻）與風冷機房空調機組相比較節能20%，熱管自然冷卻一體機組與風冷機房空調機組相比較節能35%，風冷機房空調機組加裝熱管自然冷卻模塊後節能20%。雖然各個廠家和學術論文所列舉的自然冷卻節能效果很高，但是根據實測，自然冷卻的節能效果往往大打折扣，因此自然冷卻在數據中心冷卻系統中的應用尚需深入研究，產品尚需進一步開發、完善和提高。
1）無論是哪種自然冷卻技術，其可行性和節能效果均取決於當地的氣候條件，因此在設計過程中，應該對數據中心所在地的歷年氣象參數進行全面的調查，考慮到全球氣候變暖等因素，所採用的氣象參數應該是最新的統計值。
2）每一種自然冷卻技術都有一個適用範圍，選擇自然冷卻技術時應充分考慮當地的氣候條件、室外的空氣品質、水源、工程規模、建築結構、初投資等因素。
3）應該正確評價每一種自然冷卻技術的優缺點，不應誇大其節能、節水效果，應高度重視可能導致自然冷卻技術失敗的潛在因素。
4）冷卻塔是數據中心自然冷卻技術中應用最廣的一個核心部件，冷卻塔性能的優劣不但影響自然冷卻的節能效果，也直接影響系統全年耗水量，選型時應廣泛調查、查閱該產品的實驗數據，分析實際使用效果。
5）表冷器作為機房空調機組的核心部件，目前產品樣本所能提供的性能參數嚴重短缺，需要儘快補充。GB/T 19413—2010《計算機和數據處理機房用單元式空氣調節機》所規定的試驗工況與實際工程工況差異明顯，有待補充更新。此外，機房空調機組的表冷器設計計算方法普遍存在嚴重問題，結果導致冷水溫差無法達到設計規定的數值，從而引起冷水機組性能係數下降、水泵能耗增加，急需解決。
數據中心，尤其是大中型數據中心在我國的高速發展也只是近幾年的事，因此自然冷卻在數據中心應用實例，尤其是成功的項目屈指可數，這項直接影響到數據中心經濟性和節能減排效果的技術還有待深入、完善和提高。
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○ 文章轉載自：暖通空調
全文刊登於《暖通空調》2017年第11期
作者：湖南大學 殷 平