新风直接冷却空调箱应用于数据中心的节能分析

世图兹空调技术服务(上海)有限公司 肖新文

0 引言

GB 50174—2017《数据中心设计规范》放宽了温湿度要求，宽泛的温湿度要求为使用新风直接自然冷却空调箱创造了先决条件。国内数据中心内已有利用新风直接自然冷却的工程实例[1-4]，同时国内外学者对数据中心新风直接自然冷却做了大量的周边技术研究[5-9]。国内外部分学者还对全球不同城市的特定数据中心的新风直接自然冷却的节能潜力做了相关研究[10-14]。本文尝试不以特定的数据中心为研究对象，采用当量完全自然冷却时间对应用于我国典型城市数据中心的新风直接自然冷却空调箱进行节能分析。

1 节能分析的背景说明

1.1 新风直接自然冷却空调箱

随着技术应用的发展与普及，应用于数据中心的末端空调机组种类越来越多，包括基站空调、房间级机房空调、行级机房空调及组合式空调箱机组等。除行级空调安装在机柜当中无法采用新风自然冷却外，其他3种空调末端均可以搭配相关功能组件直接利用新风自然冷却。新风直接自然冷却基站空调通常设计为整体式机组，通过控制各个内置风阀的开启实现新风直接自然冷却[15]；新风直接自然冷却房间级机房空调通常在下送风房间级机房空调配置混风箱(包括一次回风箱及二次回风箱)[16]；组合式空调箱采用模块化设计，通常由混风段、过滤段、盘管段、风机段及出风段等不同功能模块组合而成[17]。上述3种新风直接自然冷却末端空调机组通常具有纯机械制冷、机械制冷及新风直接自然冷却混合制冷及完全新风直接自然冷却制冷等3种运行模式。组合式空调箱各功能段可灵活搭配，适应多种应用场景，在数据中心的应用日趋增多。新风直接自然冷却组合式空调箱应用于数据中心的常用系统架构如图1所示[18]。

图1 新风直接自然冷却组合式空调箱空调系统架构

1.2 室外空气品质

利用新风直接对室内服务器进行冷却降温，必须要考虑到室外空气品质对于数据中心的影响。某种程度上讲，空气品质问题是制约该项技术的最关键因素。为了应对这一情况，业界通常为新风直接自然冷却空调箱机组配置中高效过滤器甚至化学过滤器，并且设置专门的传感器实时监测室外空气品质[3]。当室外空气品质不佳时，依据设定的参数阈值自动/手动关闭室外新风阀，此时气流在室内循环，利用机组的机械压缩制冷，而高温耐腐蚀服务器为新风自然冷却的腐蚀难题提供了一种解决措施[19]。随着人们环保意识的增强及有关措施的落实，我国的室外空气品质正在逐步好转。文献[16]将我国环境监测总站公布的2017年11月至2018年10月的空气质量报告汇总后发现：我国338个地级以上城市总体空气质量良好，严重污染天数较少；省会城市的SO2平均浓度值也基本满足20 μg/m3的年平均一级浓度限值。考虑到污染天气呈散发状且时间不长，本文按照各地的空气品质全年均达标进行节能分析。

1.3 节能分析的温湿度控制标准

依据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的要求，服务器机柜进风温度在18～27 ℃之间，露点温度在5.5～15.0 ℃之间，相对湿度不高于60%[20]。尽管放宽了数据中心的温湿度要求，但并不意味着只要有新风进入数据中心室内就可以实现节能，而是要求室外空气参数满足一定条件，所以新风引入控制策略十分重要，合理的控制策略既可确保不增加空调负荷，又可最大程度地利用自然冷源。控制干球温度、干球温差、比焓或比焓差等控制策略均有各自的缺陷[21]，故宜采用综合控制策略。如图2所示，以温度23 ℃、相对湿度50%作为送风点S的参数设定值，在GB 50174—2017《数据中心设计规范》规定的近似五边形包络线区域内均是可以接受的送风状态点。按照12 ℃的送回风温差，则理论回风点R的干球温度为35 ℃。如图2所示，过R点作等比焓线，理论上，该等比焓线下的所有区域均可以利用自然冷源，但是数据中心几乎无潜热，大部分的数据中心均要求空调系统在干盘管工况下运行，空调系统通常均不具备除湿能力，而且除湿通常需要付出比制冷更大的代价[21]，故图1中由理论回风点的等比焓线、100%的相对湿度线及露点温度15 ℃的等含湿量线组成的三角区域为自然冷却的舍弃区域，而干球温度低于35 ℃线且露点温度不高于15 ℃的区域均可以引入室外新风自然冷却，通过减少或者完全取消机械压缩制冷实现空调系统的节能运转。当然，室外新风湿度过低则需要进行加湿以确保送风湿度满足要求。

图2 自然冷却可能区域示意图

2 新风直接自然冷却空调箱节能性分析

2.1 节能评价参数

国际上通行的数据中心绿色节能评价指标是由绿色网格组织提出的电能使用效率PUE(power usage effectiveness)、水使用效率WUE(water usage effectiveness)和碳使用效率CUE(carbon usage effectiveness)，文献[22]不仅对PUE、PUE衍生效率及其测量和计算方法作了详细的阐述，而且对WUE及CUE也作了介绍。针对特定数据中心或者特定数据中心的子系统，不同的数据中心上述3个参数不同。本文尝试采用对数据中心样本依赖程度低的评价参数。自然冷却利用室外冷源对数据中心设备进行冷却，替代或部分替代机械制冷，通过缩短机械制冷的运行时间控制和降低冷却系统的能耗，从而降低数据中心总能耗，故自然冷却时间可作为空调系统是否节能的评价依据。最佳的新风直接自然冷却状态是室外新风直接引入，或者引入后与室内回风混合后即满足数据中心的送风要求，满足此条件的时间称为完全自然冷却时间。新风直接自然冷却空调系统的耗能尚涉及加湿及机械压缩制冷系统补冷等部件功耗，应加以考虑，为了正确评估这些能耗，本文采用年当量完全自然冷却时间来描述，其计算式为

Ttn=(1-η)Tt

(1)

(2)

不同空调机组在不同室外干球温度下的机械制冷功率不同。AEER为不同温度EER的加权平均值，本文以所有干球温度均按照GB 19576—2019《单元式空气调节机能效限定值及能效等级》中数据处理机房用单元式空调机风冷式一级能效AEER限值为4.0，即1 kW制冷量制冷功率为250 W进行计算[23]。

2.2 节能分析的运行工况分区

如图3所示，对自然冷却可能区域进行细分：室外空气位于露点温度5.5 ℃及露点温度15 ℃的等含湿量线、27 ℃等干球温度线及100%等相对湿度线包围区域内，室外新风可以直接或者与室内回风混合后对服务器进行降温，故称为完全自然冷却工况区域；室外空气位于干球温度低于27 ℃且含湿量处于露点温度低于5.5 ℃对应的区域内，室外新风可以作为冷源，但是需要进行加湿处理，该区域称为自然冷却+加湿工况区域；室外空气干球温度为27～35 ℃且含湿量处于露点温度5.5～15.0 ℃对应的区域内，尽管室外温度低于数据中心回风温度，可以引入室内对服务器进行降温，但尚需机械制冷进行冷量补充，该区域称为混合制冷工况区域；室外空气干球温度为27～35 ℃且含湿量处于露点温度低于5.5 ℃对应的区域内，则除了室外新风与机械压缩混合制冷外，还需要对其进行加湿处理，该区域称为混合制冷+加湿工况区域。以上4个区域以外的区域则为机械制冷工况区域。

图3 新风直接自然冷却空调箱节能分析运行工况分区

27～35 ℃的室外空气干球温度是机械制冷及新风直接自然冷却混合制冷的温度区间，如图4所示，除西宁、拉萨及昆明外，我国其他典型城市及特别行政区在该温度区间跨度均较长，故将该区间纳入节能分析才能正确评估新风直接自然冷却空调箱的节能效果，同时也可以分析位于不同城市的新风直接自然冷却空调箱对于该温度区域的敏感程度。

图4 我国不同热工区域典型城市及特别行政区27～35 ℃室外温度年时长占比

2.3 室外新风直接自然冷却空调箱性能分析

为简化性能分析的计算过程，依据ASHRAE手册中我国气象台站的参数，将干球温度(整数±0.5 ℃)范围内的全年时长和作为该整数干球温度的年时长Tt，将该范围内所有湿球温度的时长加权算术平均值作为名义湿球温度，汇总此±0.5 ℃范围内的时长和Tt，依据该点所处的运行工况区域进行对应加湿功率及机械制冷功率的计算，通过式(3)～(5)联立推导出式(6)，通过式(6)可以计算出室外干球温度23 ℃及以下单位冷量的室外空气质量流量，室外干球温度23 ℃以上的室外空气质量流量按照全新风量即23 ℃时的数值进行计算。

mO+mR=mS

(3)

mOtO+mRtR=mStS

(4)

Q=cpmS(tR-tS)

(5)

(6)

式(3)～(6)中mO为室外空气质量流量，kg/s；mR为回风质量流量，kg/s；mS为送风质量流量，kg/s；tO为室外空气干球温度，℃；tR为回风干球温度，℃；tS为送风干球温度，℃；Q为制冷量，本文为单位制冷量1 kW；cp为空气的比定压热容，1.01 kJ/(kg·℃)。

综上，国内学界对海外中国政治研究的关注，既包括宏观的关于中国道路、中国模式等带有浓厚意识形态色彩的研究，也包括中观的党史党建方面的研究，更有微观的关于基层社会治理方面的研究。这些研究领域都是传统汉学发展到新汉学阶段后，海外学术界认识与理解中国政治的热点话题，也是国内政治学界在对新汉学进行再研究时的突破口。

(7)

式中Pth为单位制冷量的加湿功率，W；3 600为单位换算系数，s/h；dmin为数据中心设计规范规定的最低含湿量，kg/kg；dO为室外空气的含湿量，kg/kg。

机械制冷及新风直接自然冷却混合制冷工况下单位制冷量的机械制冷功率按照23～35 ℃下线性增加至名义机械压缩制冷功率，即可以按照式(8)进行计算。如式(9)所示，将单位制冷量的加湿功率及机械制冷功率相加则可计算出该干球温度的单位制冷量的名义功率。

(8)

Ptn=Ptr+Pth

(9)

式(8)、(9)中Ptr为单位制冷量机械压缩制冷功率，W。

利用式(1)可以求出该干球温度当量完全自然冷却时间，将全年各个干球温度的当量完全自然冷却时间累加起来就可以得出年当量完全自然冷却时间。

为了分析室外温度27～35 ℃范围内新风自然冷却的节能地域分布情况，对我国位于不同热工区的省会城市在这一温度区间的当量完全自然冷却时间进行了计算分析，并且通过式(10)计算当量完全自然冷却时间的占比，式中温度取整。

(10)

式中ξ为室外温度27～35 ℃范围内的当量完全自然冷却时间占比。

经过汇总整理，得到如图5所示的当量完全自然冷却时间及占比。由图5可以发现，由于不同热工区域室外空气在此温度范围内的湿度差异明显，其自然冷却时间也迥然不同：除东北三省省会城市及太原外，严寒C区(1C)及寒冷A区(2A)的大部分城市在混合模式工况的当量完全自然冷却时间较长，且当量完全自然冷却时间区间占比均超过40%；而寒冷B区(2B)、夏热冬冷地区(3A、3B)及夏热冬暖地区(4A、4B)则无当量完全自然冷却时间，同属于温和A区(5A)的贵阳和昆明也不尽相同，贵阳无当量完全自然冷却时间，昆明却表现抢眼，当量完全自然冷却时间占比将近82%。

图5 我国不同热工区域典型城市及特别行政区在27～35 ℃温度区间的当量完全自然冷却时间及占比

为了保证计算分析具备足够覆盖率，确保依据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》中热工设计区属每个二级区划至少有1个城市入选，除了以上典型城市及特别行政区外，增加呼伦贝尔及思茅2个城镇。我国不同热工区域典型城市及特别行政区的年当量完全自然冷却时长如图6所示。由图6可以发现，除海口年当量完全自然冷却时间少于1 000 h外，其余城市均超过2 000 h，不少城市甚至超过8 000 h，新风直接自然冷却空调箱节能效果十分显著。

由图6还可以发现，位于夏热冬暖B区(4B)的3个城市表现也存在明显差异。业界对于新风直接自然冷却空调箱在夏热冬暖B区的应用尚存疑惑。为了探索该热工区域的节能规律，本文进一步细化计算分析的颗粒度，统计了该区域不同纬度及海拔城镇的年当量完全自然冷却时间，结果如表1所示。由表1可见：由于空气湿度过大，尽管海南岛内各气象台站的年室外温度低于27 ℃的时长均在4 500 h以上，全省的年当量完全自然冷却时间却均少于800 h；该热工区域的年当量完全自然冷却时间随着纬度升高而增加；纬度相同相近城镇年当量完全自然冷却时间随着海拔升高而下降。虽然年当量完全自然冷却时间相对其他热工区域短，但考虑到我国正建设资源节约型、环境友好型社会，且数据中心高达15 a的设计寿命对于节能的叠加效应，该热工区域仍可积极利用新风直接自然冷却节能减排。

图6 我国不同热工区域典型城市及特别行政区的年当量完全自然冷却时间

表1 夏热冬暖B区典型城镇年当量完全自然冷却时间

3 结论

1) GB 50174—2017《数据中心设计规范》放宽了数据中心的温湿度要求，新风直接自然冷却空调箱在全国包括夏热冬暖的大部分地区均适用。

2) 应用于数据中心的新风直接自然冷却空调箱节能效果明显，寒冷地区及严寒地区越发突出，年当量完全自然冷却时间均长于5 000 h。

3) 新风直接自然冷却空调箱在27～35 ℃温度区域的混合制冷运行模式对于位于严寒地区及寒冷A区的数据中心具有积极的节能意义；对于温和地区的数据中心则宜一城一策进行分析；应用位于寒冷B区、夏热冬冷地区及夏热冬暖地区的数据中心的新风直接自然冷却空调箱则完全没有必要设定混合制冷模式。

4) 应用于夏热冬暖B区的新风直接自然冷却空调箱的年当量完全自然冷却时间与当地纬度成正比，与当地海拔成反比。

上述结论基于空气品质全年均达标的前提下得出，具体项目应依据当地空气品质的实际情况修正年当量完全自然冷却时间。随着我国室外空气品质的持续改善及高温耐腐蚀服务器的进一步推广，全国各地数据中心因地制宜采用新风直接自然冷却空调箱，充分发挥与其匹配的节能作用对我国经济发展具有重要的环保经济效益，有利于打造真正的绿色数据中心。