數據中心的核心計算機房是需要常年供冷的。在過渡季節和冬季，有很長一段時間室外環境溫度低于室內機房溫度，通過相應的技術手段直接或間接將室外低溫空氣引入建筑物內將熱量帶走，以達到降溫的目的，實現數據中心的自然冷卻。
隨著數據中心規模的不斷擴大，服務器熱密度的不斷增大，數據中心的能耗在能源消耗中所占的比例不斷增加。據統計制冷系統在數據中心的能耗高達40%，將自然冷卻技術引入到數據中心應用，可大幅降低制冷的能耗。
一、自然冷卻方案
自然冷卻技術方案根據應用冷源的方式又可以分為直接自然冷卻和間接自然冷卻。
直接自然冷卻又稱為新風自然冷卻，直接利用室外低溫冷風作為冷源引入室內，為數據中心提供免費的冷量。新風自然冷卻節能有很多的優點：相對于間接自然冷卻，新風自然冷卻無需冷液作為媒介，無需水泵及室外風機的功耗，節能效果更佳顯著。
間接自然冷卻，利用循環液（水、制冷劑、乙二醇水溶液等）為媒介，用泵作為動力驅動循環液循環，將數據中心的熱量帶到室外。間接自然冷卻應用解決方案主要有：
機房精密空調解決方案：帶有自然冷卻盤管的水冷型機房精密空調機組 干冷器等配件（DX系統的自然冷卻技術在節能白皮書中）；
風冷冷水機組解決方案：帶有自然冷卻盤管的風冷冷水機組 冷凍水型機房精密空調；
水冷冷水機組解決方案：利用冷卻塔、板式換熱器 冷凍水型機房精密空調。
風冷冷水機組的自然冷卻可以通過兩種方式實現，一種是整體式自然冷卻風冷冷水機組，通過在風冷冷水主機冷凝器上增加自然冷卻水盤管，實現低環境溫度下的自然冷卻，此系統專一內置Free cooling控制算法，三種制冷模式智能切換，完全無需人工干預。第二種是在水路系統上增加干冷器，實現冬季和過渡季節的節能運行。第二種配置靈活但需額外配置干冷器和水泵及自控系統。
1、帶自然冷卻的風冷冷水系統
內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組工作原理:
內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組夏季工作模式
在夏季，機組運行在壓縮機循環制冷模式，和常規風冷冷水機組相同，完全由壓縮機循環制冷，此時自然冷卻盤管不工作，如圖所示。
內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組過渡季節工作模式
春秋過渡季節和晚上，當環境溫度達到比冷凍水回水溫度低2℃或以上時，開啟自然冷卻預冷冷凍水，此部分為自然冷卻制冷。自然冷卻不夠的部分，再由壓縮制冷接力（有壓縮機功耗）達到需求冷量，如圖所示。
內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組冬季工作模式
在冬季，當環境溫度達到比冷凍水供水溫度低8℃或以上時，自然冷卻運行達到100%，壓縮機制冷系統完全停止運行，機組無壓縮機功耗，僅有很少量的風扇運轉功率。如圖所示。
（1）內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組分類:
當系統載冷劑為防凍液（如乙二醇）時，可將防凍液系統與自然冷卻盤管串聯，此時防凍液通過進入自然冷卻盤與外界低溫空氣進行熱交換。如圖所示。
內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組
（載冷劑與自然冷卻盤管串聯，直接進行熱交換）
當系統載冷劑為普通的水時，為防止自然冷卻盤管在極端低溫環境下凍裂，機組內需增加一套換熱器，此時自然冷卻盤管通過外界低溫空氣制取低溫水，而系統冷凍水則通過換熱器與自然冷卻盤管的低溫水進行熱交換。如圖所示。
內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組
（載冷劑通過換熱器與自然冷卻盤管進行熱交換）
（2）內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組特點:
隨著環境溫度的降低，自然冷卻的比例越來越大，機組的功耗越來越低，直至完全自然冷卻，僅有少量風扇功耗，從而大幅降低機組用電量；
冬季壓縮機無需運行，提高系統可靠性；
春秋過渡季節和晚上，開啟自然冷卻預冷冷凍水，同時開啟壓縮機，由于自然冷卻盤管和機組原有冷凝盤管一體化設計，室外低溫空氣先經過自然冷卻盤管，空氣溫度有所上升后再經過機組原有冷凝盤管，熱交換效果受影響；
與外置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組相比，將冷卻盤管與冷凝器一體化設計，可使機組更加緊湊，從而節省占地面積；
與外置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組相比，內置自然冷卻盤管式自然冷卻風冷冷水機組的自然冷卻和冷水機組運行程序已經全部由生產廠商在機組自身集成，無需另外進行程序設計，且程序成熟度高，控制成本低，可靠性高。
2、水冷冷水系統間接自然冷卻
（1）水冷冷水機組間接自然冷卻原理
水冷冷水主機本身無法利用室外自然冷卻節能，該系統的自然冷卻主要通過系統集成來實現的：在冷卻水與冷凍水之間增加換熱器，在室外溫度較低時，通過控制冷卻水部分或全部流向新增換熱器，直接利用低溫冷卻水冷卻冷凍水，以減少壓縮機的運轉從而實現節能，在系統設計時需要注意冷卻水低溫防凍問題防止管路凍裂暴管。由于在系統級別上集成，設計方案及控制邏輯通常由設計單位設計，而設備由不同的廠家提供，控制程序由第三方提供，故需要充分考慮切換時的應急方案避免風險。其原理示意圖如圖所示：
水冷冷水機組的自然冷卻
（2）水冷冷水機組間接自然冷卻控制
該系統跟據室外溫度和負載，由集中控制平臺自動進行運行模式的切換，具體運轉模式如下：
冷水機組壓縮機運行模式
當室外溫度不滿足系統自然冷卻模式或混合模式運行條件時，制冷系統將啟動冷水機組壓縮機制冷運行，為數據中心提供冷源。按照負載需求，機組自動調節壓縮機制冷量輸出。
混合模式
當室外溫度低于某設定溫度，或低于室內設定溫度一定值時，制冷系統將進入混合制冷模式。
此模式下壓縮機按照負荷需求調節制冷量輸出，自然冷卻換熱器提供的冷水繼續為機房空調提供冷源，為機房提供部分冷量。混合模式在全年中所占比例較大，混合模式可以最大程度上減少壓縮機運行的時間或減少壓縮機制冷輸出比例，從而達到節能的目的。
自然冷卻模式
此模式下冷水機組壓縮機不工作。冷卻塔運行，風機根據需求調節轉速，水泵（冷凍水泵及冷卻水泵）持續運行，冷凍水在自然冷卻換熱器與冷卻水交換熱量，冷凍水溫度降低，為室內側精密空調提供冷源。室內側精密空調，則按照智能備機管理模式運行，根據機房負荷需求調節EC 風機轉速及冷液流量。
（3）水冷冷水機組間接自然冷卻優勢
水冷冷水機組間接自然冷卻的應用，具備以下優勢：
環境適用性更好：由于無新風制冷，間接自然冷卻對室外空氣的質量要求降低，適用范圍更廣；
節能效果顯著：尤其是北方地區；
安裝、設計更加靈活方便：冷卻塔可放在屋頂或地面均可，應用更加方便；
（4）冷卻塔的冬季運行與配置
冷卻塔系統的冬季防凍和冷卻水溫控制，避免水溫過低影響水冷冷水機組的運行安全;
水冷冷水機組需要考慮低溫冷卻水運行的影響，需要采用滿足低溫冷卻水型機組;
為了冬季的更節能運行，考慮到冷卻塔在冬季散熱能力的衰減，通常需要加大冷卻塔，和常規冷卻水系統相比相應需要放大。
（5）水冷冷水機組應用間接自然冷卻區域
間接自然冷卻適用于中國大部分區域;
間接自然冷卻對室外空氣要求降低，適合更復雜的安裝環境;
以應用規模來講，水冷冷水機組自然冷卻系統適用于大規模及超大規模的數據機房。
自然冷卻技術根據數據中心規模、所在地理位置、氣候條件、周圍環境、建筑結構、實施成本等選擇自然冷卻方式。
三、變頻方案
數據中心在全年24小時不間斷運行過程中，空調負荷及室外環境溫度都在不斷的變化，冷水機組將近99%的時間運行在非額定工況，只有1%的時間運行在額定工況。因此這給變頻系統創造了節能空間。數據中心在應用變頻系統時，建議冷水機組及對應的水泵和冷塔都可采用變頻控制（系統示意圖）。其中冷機變頻主要由空調負荷或室外環境溫度的變化實現節能；水泵變頻由水系統流量或揚程的變化實現節能；冷卻塔風扇變頻由空調負荷或室外環境溫度的變化實現節能。
水冷冷水機組的自然冷卻
四、余熱回收
數據中心在全年運行中，隨著服務器等相關設備的不間斷工作，將有大量的熱量排出?？照{系統為數據中心提供冷源的同時，也是一個良好的熱源，通過余熱回收技術，可為數據中心或周邊建筑提供空調供熱或者生活熱水。
1、熱回收機組應用
熱回收機組在結構上比常規冷水機組增加了一個熱回收換熱器。夏天不需供熱時，熱回收機組開啟常規制冷模式，蒸發器出冷凍水供數據中心制冷，冷凝器排出的熱量通過冷卻塔散熱排向室外；冬天及過渡季節需要供熱時，熱回收機組開啟熱回收模式，此時蒸發器側水溫不變，機組的熱量優先進入熱回收冷凝器，滿足供熱需求。如果機組排熱超出系統供熱需求，可開啟冷卻塔輔助散熱。
水冷型冷熱源熱回收機組示意圖
風冷型冷熱源熱回收機組示意圖
空氣源熱回收冷熱聯供示意圖
水地源熱回收冷熱聯供示意圖
由于是在機組內部實現熱回收，系統大大簡化。冷熱聯供，12/7℃冷凍水和40/45℃熱水時，一個kW的輸入功率，能得到4kW供冷，同時得到5kW供熱。冷熱綜合能效比在9左右，總體效率顯著提升，基本是常規機組的雙倍能效。
2、熱回收機組優點：
熱回收系統充分利用制冷系統的廢排熱，將系統中產生的熱量有效地利用起來，機組效率高，節省運行費用，在標準制冷工況、熱回收加熱熱水到45℃時其冷熱綜合能效比在9左右，達到了綜合利用能源和節約高效使用能源的目的；
使用熱回收冷熱聯供系統，可以取消或減少加熱器的配置；熱回收系統利用廢熱來加熱生活熱水、供暖或其它熱需求，基本上是免費使用熱副產品，大大節省了相應費用。沒有燃燒，減少了二氧化碳等氣體排放；
熱回收冷熱聯供制冷機組在機組內實現熱回收冷熱聯供，提供的熱水溫度相對系統熱回收更高，熱水溫度能到60度左右，可替代大部分其他熱源；
熱回收冷熱聯供制冷機組與常規機組相比，在機組內實現熱回收冷熱聯供，系統設計更簡便，使用維護更方便。
3、熱回收機組缺點：
熱回收機組在冬天需要運行，此時無法開啟自然冷卻模式；
熱回收機組產生的熱量大于供熱需求時，需要開啟冷卻塔輔助散熱，此時系統控制較復雜；
因為制冷機組有一個最小循環水量的限制，對熱水進行大溫升加熱時需要采用二級循環加熱，混水加熱，不能像鍋爐那樣一級直接加熱；
在夏季全部熱回收時，熱回收加熱的熱水比冷卻塔的冷卻水溫度高很多，選型需要考慮冷凝溫度升高后對制冷量的修正。
五、熱泵的應用
數據中心可以利用冷凍水回水或者冷卻水回水作為低位熱源，利用熱泵機組進行制熱，滿足供熱需求。夏天，熱泵機組可開啟制冷模式為辦公等區域提供冷量；冬天及過渡季節，熱泵機組可開啟制熱模式，為辦公等區域提供供熱。
熱泵系統示意圖
1、熱泵機組優點：
熱泵機組單獨設置，系統靈活，控制簡單;
制熱模式下，熱水溫度控制更精準，熱水溫度波動小;
利用熱泵機組取代了鍋爐，沒有燃燒，減少了二氧化碳等氣體排放。
2、熱泵機組缺點：
熱泵機組單獨設置，設備投資高;
熱泵機組管路切換較復雜，控制和運維難度較大。
六、蓄冷
蓄冷方案在數據中心應用主要有兩個方面。一是保障數據中心的連續供冷，當系統斷電或故障時，備用的柴油發電機組可以緊急啟動提供后備電力，從柴油發電機組啟動至穩定供電的過程一般需要3分鐘。冷水機組在正常供冷過程中遇到停電故障時會進入故障保護狀態，在電力供應恢復后，離心式冷水機組的壓縮機導葉先恢復至正常開機的初始狀態，再經過冷水機組控制系統對冷水循環水泵、冷卻水循環水泵、冷卻塔等相關部件進行巡檢，并確認正常運行后，冷水機組才能正常啟動，這段恢復冷水機組系統恢復正常供冷過程一般需要1～10分鐘不等。在數據中心的設計中為了能很好地解決這一安全隱患，在空調系統中可通過設置蓄冷設施，儲備備用冷量來解決這一問題。配置的蓄冷設施提供的持續供冷時間一般為10～15分鐘。通過蓄冷系統繼續提供冷量，保障數據中心能正常運行；另一方面是利用峰谷電價差，在電價低時蓄冷，在電價高時，關閉或少開空調制冷系統，優先使用蓄冷冷量，達到節省電費的目的。目前數據中心內主要應用是前者，利用峰谷電價差的蓄冷在商用建筑有一些應用，在數據中心應用很少，主要原因在于商用建筑晚間基本不需要制冷，同時晚間又是電價的谷底，所以可以利用低電價時段和此時閑置的制冷系統來制冷蓄冷，有較好的經濟效益。但數據中心的熱負荷全天比較穩定，晚間仍然需要冷量，所以如果要采用蓄冷，就需要比常規方案多配置一倍以上的制冷機組，蓄冷裝置占地也非常龐大，經濟效益較差。需要說明的是，利用電價差來降低電費的蓄冷方案，耗電量是比普通方案增加的，所以是節費不節能的方案。
另外，數據中心的空調冷負荷主要為機房內設備的散熱負荷，在一天24小時中變化較小，屬于一個穩定負荷。水蓄冷系統的冷水溫度與原系統的空調冷水溫度相近，可考慮直接使用，不需設額外的設備對冷水溫度進行調整；水蓄冷系統控制簡單，運行安全可靠，在出現緊急狀況可及時投入使用，水蓄冷系統更能適合數據中心冷量備份的需求。
(本文節選自《數據中心冷源技術白皮書》)
