自然冷却技术应用领域

Free Cooling风冷冷水适用场所

数据中心空调系统设计应综合考虑初投资和运行费用。初投资高出的部分通过运行费用的节省，在合理的年限内进行回收。自然冷却机组特别适合应用在以下场合：
■ 建筑物设计负荷比较大
■ 需要全年制冷的建筑
■ 有足够低的室外环境温度的地区

北方数据机房特点：
■ 冷负荷需求大
■ 需要全年制冷
■ 冬季、过渡季环境温度低

自然冷却适用区域

上图绿色区域很多地区都适用自然冷却技术应用，节能率达25％～55％。

自然冷却，天然冷源，节能首选

       数据中心（DC）和电子、化工、冶金、制药等场所的空调需要对机房进行全年制冷，如采用常规空调，需要靠压缩机做功耗电进行制冷，则全年的空调能耗非常大。如何利用新技术，降低机房制冷系统能耗，降低
运营成本，成为人们日益关注的焦点。  

   对于空调业界，相信已经有越来越多的设计院、经销商及客户关注于“自然冷却技术”，尤其是在数据中心（DC）和电子、化工、冶金、制药等场所的空调应用需求中呐喊声尤为明显。以数据中心为例，机房需全年进行制冷才可满足数据中心运营需求，如采用传统的制冷系统形式，需全年不间断制冷，空调能耗巨大，导致制冷系统能耗值占数据中心整体电能耗值的35%左右，挥之不去的制冷系统能耗，加大了数据中心的运营成本。如何利用新技术，降低机房制冷系统能耗，降低运营成本，日益成为人们关注的焦点。以数据中心为例：迈入21世纪，中国经济快速发展的同时，国内各行各业业务处理对信息技术的依赖也在迅速增加，在数据处理业务和IT技术的共同推动下，数据中心DC建设进入了高速发展时期。

数据中心空调应用的关键特点

 ■ 能耗大，25%的总电量用于机房制冷
 ■ 一年四季长时间运行
 ■ 对温度变化非常敏感，要求不间断供冷
 ■ 充足的备用供电设备
 ■ 非正常断电后，要很快的恢复正常制冷，保证设定温度

自然冷却技术包括两种不同的应用形式：
■ 直接应用：通过风机直接将室外的冷风引入，此应用方式初投
资降低，因直接引入冷风，需进行温度控制及除尘过滤，维护
较为频繁，后期成本高。
■ 间接利用：通过水与室外冷风进行换热降温，初投资较高，因
室内与室外是空气间接换热，此方式可保证室内空气温湿度和
洁净度，维护成本较低。

冷水机组Free Cooling空调系统

水冷冷水机组Free cooling 应用:
■ 直接自然冷却（应用较少）
■ 间接自然冷却（应用普遍）
■ 制冷剂循环（应用较少）

水冷冷水机组Free Cooling空调系统
水冷冷水机组Free cooling 应用: 间接自然冷却
■ 特点：通过增加中间换热器，在室外低环温进行自然冷却时，使室内冷冻水和冷却塔进行间接换热
■ 优点：室内水系统为闭式系统，可避免室内冷冻水与室外冷却水交叉
■ 不足：中间换热器使系统效率有所下降，系统造价增加

风冷冷水机组Free cooling 应用:
■ 制冷剂循环
■ 外置干冷器
■ 内置空气—水盘管（一体化设计）

风冷冷水Free cooling解决方案

风冷冷水Free Cooling应用: 内置Free Cooling空气—水换热盘管

自然冷却技术应用优势分析

全年在不同季节环温下运行对比：

结论：越靠北方地区，节能性越突出。其它同纬度地区，节能性相近。
备注：以上对比基于MQ产品制冷量1250kW,全年运行工况：制冷进/出水：18/12℃，30%乙二醇

针对不同地区，全年运行在不同模式下运行时间分布：

IBM节能示范展示中心

概况：
此项目是IBM的节能示范展示中心，对机组的节能性要求非常高，主要目的是用自然冷却风冷螺杆的节能性应用于数据中心。

项目应用：
设计方案为常规风冷螺杆机组与带自然冷却功能机型MCS210FC3-GF（1台），自然冷却风冷螺杆机组内置板换与室外自然冷却盘管里乙二醇溶液间接换热，机房里纯水循环（室内无乙二醇）。在过渡季节压缩机部分负荷运行，冬季不开压缩机，只有少量风机功耗。

应用优点：
■ 比常规风冷冷水机型年节能率达38%左右；
■ 室内机房系统无乙二醇溶液；
■ 无冷却水损耗。

太原市政务服务中心

概况：
太原市政务服务中心是为公民、法人或其他社会组织集中办理行政许可、非行政许可审批，提供公共服务
的场所。该项目运用信息技术，打造电子化流程，建立绩效管理电子监察体系，实现了审批服务全流程网上办理、全过程实时监督。数据机房巨大的信息处理量对机组的节能性要求非常高。

系统应用：
该项目采用3台麦克维尔自然冷却风冷螺杆MCS。

应用特点：
■ 数据机房的大量信息处理使得能耗非常大，对制冷机组的节能性要求非常高，为保证太原市政务服务中心信息中心的安全稳定性和节能运行，制冷采用无水损耗的自然冷却风冷螺杆机组，充分利用自然冷源，机组在过渡季节压缩机部分负荷运行，冬季不开压缩机，只有少量风机功耗；
■ 由于数据机房安全设计，水系统采用纯水循环GF系列，自然冷却功能机组内置板换与室外自然冷却盘管里乙二醇溶液间接换热，机房里纯水循环（室内无防冻液）；
■ 机组安装于楼顶，不需要单独设机房，节省更多室内空间；机组采用自然冷却功能一体化设计，可节省一半的占地面积；
■ 机组机载智能化控制器可根据气候的变化自动调节至最节能的运行模式，无需人工干预。

特别撰稿：自然冷却技术设计应用注意事项

中国建筑设计院有限公司 劳逸民

　　发达城市的一个显著特点是科技超前，从某种角度而言，体现信息科技应用的数据中心在这类城市大量兴建，也不可避免。然而，从另一个角度审视，庞大的人口数量，日渐污浊的空气，极度匮乏的水资源已使得这类城市不堪重负。大量数据中心对水电资源的依赖，突出了这种矛盾。缓解矛盾的方法是节能，无论从经济或是环保角度衡量，节能是数据中心可持续发展的重中之重。在保障安全的前提下达到节能的目的，是数据中心建设者应当追求的目标。

　　除去因选址因素导致的可完全利用通风方式降温运行的数据中心，在常规数据中心里，供冷系统能耗比重占第二位（IT设备能耗为第一位），一个PUE接近1.5的数据中心，其供冷系统能耗占0.3~0.38（比重约20~25%）。这其中，冷源能耗又占据了0.15~0.19（10~13%）左右，即以总能耗为基数，10~13%的能源用于冷源系统。与夏季供冷不同，数据中心全年供冷特性决定了类似北京这样的城市，一年中有大量时间可利用自然条件减少机械制冷能耗。

　　以北京为例，通过对典型气象年逐时干球温度的统计数据分析，全年8760小时中，室外干球温度高于10℃的时间为5111小时（占58.34%），在10℃至0℃(不含)之间的时间为2060小时（占23.52%），低于0℃（含）的时间为1589小时（占18.14%）。而在在10℃至0℃(不含)之间的时间内，平均干球温度约为5℃。
 　 众所周知，由于数据中心空调冷负荷的特点，可将冷冻水出水温度提高到10~12℃，考虑到换热温差，当室外空气低于10℃时，即可实现自然冷却功能，减少压缩机负荷。完全停止压缩机运行的时间，取决于换热器面积的大小。如果换热器面积足够大，即可实现在小温差条件下的完全自然冷却功能。目前中大型数据中心中广泛使用的水侧自然冷却技术的冷源方式主要有水冷冷水机组加板式换热器利用冷却塔散热或供冷的方式及带自然冷却功能的风冷冷冷水机组方式。

数据中心利用冷却水散热的系统中，现有系统架构下，基于开式冷却塔加板式换热器构成的自然冷却系统在北京地区估算的水资源消耗量约为：1kW服务器功耗年耗水量20m3左右。这为很多地区建设数据中心带来的不小的供水压力。自然冷却风冷冷水机组考虑了冬季对天然冷源的利用，同时又规避了对水资源的依赖，在中型数据中心建设的应用中具有极大的优势。其主要的技术限制在于制造超过1500kW制冷量的单机在目前条件下较困难。

　　由于当前衡量数据中心能耗优劣的指标仍以PUE为主，同时受到缺水的影响，更多的采用集中冷源系统的大中型数据中心设计正向水冷冷水机组加风冷冷水机组的方向转变。夏季以水冷冷水机组承担更多的供冷任务，尽量降低电耗，冬季以风冷冷水机组为主，简化自动控制系统集成工作，降低运维难度。