维谛精密空调全时自然冷-数据中心空调系统演进方向-维谛UPS电源维谛蓄电池销售中心
摘要：本文论述了数据中心自然冷的表现形式及真正内核，梳理了目前主流的自然冷实现方法，并指出其不足，维谛空调通过提出解决高温自然冷、无死区自然冷、全自动自然冷等方法改善数据中心自然冷方案，并将其特点定义为全时自然冷，通过已经实现的产品技术来印证全时自然冷技术的价值，并提出了未来的演进和发展方向。
ABSTRACT: This paper discusses the manifestation and real core of natural cooling in data center, it combs the current mainstream methods of realizing natural cooling, and points out its shortcomings.
It proposes solutions to improve natural cooling in data center by solving high temperature natural cooling, dead zone natural cooling and
full automatic natural cooling, and defines its characteristics as full-time natural cooling, and verifies full-time natural cooling through the product technology that has been realized. The value of natural cooling technology and its future evolution and development direction are proposed.
关键词：
数据中心全时自然冷高温自然冷全自动自然冷全变频SDC间接蒸发冷智慧化TCOPEX4自然冷（Free-Cooling）在数据中心行业中，是指的利用室外的低温冷源，达到消耗很小的能源，维谛UPS电源实现数据中心冷却散热的技术方法。自然冷是公认的数据中心维谛精密空调系统的节能利器，不使用自然冷的数据中心，是无法实现节能降耗目标的。据中国IDC圈报道显示，2017年，全球各地约有800万个数据中心（从小型服务器机柜到大型数据中心）处于运行状态。这些数据中心消耗了416.2太瓦时（1太瓦时约为10亿千瓦时）的电力。这相当于全球总用电量的2％，预计随着数据信息行业的爆炸性增长，到2020年数据中心用电量将高达全球用电量的5％。如此大的能耗，如何去优化节能方案，具有巨大的经济价值，而自然冷的利用，是降低数据中心基础设施能耗的重要技术方向。近年来，维谛空调自然冷技术成为数据中心炙手可热的话题和研究重点，也涌现了层出不穷的实现形式和方法。那么，什么是真正的自然冷呢？
一、什么是真正的数据中心自然冷？
首先我们看自然冷的目的，维谛UPS电源是以较小的能源消耗为代价，实现数据中心内部的散热，因此其目标就是降低数据中心能耗；其次，自然冷的表现形式，利用室外自然低温冷源（不限于低温的空气，包括海水、湖水、热能产生的冷量、外太空的真空低温等）实现降低数据中心维谛精密空调系统能耗，因此其形态并不只限于是否使用压缩机进行制冷，而应包含多种制冷方式，也就是说，只要利用室外低温冷源达到降低室内维谛精密空调系统功耗的方法，都应归结于自然冷技术；第三，自然冷的意义。从定义出发，我们可以看到，自然冷必须以降低数据中心维谛精密空调系统为目标，才具有实际意义，而目前有部分所谓的“自然冷方法”，并不一定可以降低数据中心系统功耗，例如风冷冷冻水双冷源维谛精密空调形式，为了防冻而添加乙二醇溶液，由于乙二醇的比热容是低于水的，因此会导致其散热能力下降，相应的风机系统及水泵系统功率需要大幅上升，因此会大幅度抵消关停压缩机带来的节能，在部分纬度地区或运维水平较低的数据中心，该技术方法并不能实现维谛空调自然冷的目标，因此这种技术不是真正的自然冷。
因此，从目的、形式、意义三个角度出发，能够真正实现利用外部自然低温冷源降低数据中心维谛精密空调系统能耗的方法，不管其采用的方式、方法和形式，都是数据中心自然冷技术。
二、数据中心自然冷技术常见形式
自然冷具有巨大的经济价值，数据中心建设者对于该方案的探索已经有了非常多的结果，较为成熟的自然冷利用方案有以下四种。
1、风冷氟泵双循环
风冷氟泵智能双循环SDC（SmartDualCycle）技术，通过增加低功耗的氟泵制冷，在部分时间代替压缩机制冷，从而实现大幅节能；SDC2第二代产品中更是加入了压缩机和氟泵串联同时运行的压泵模式，实现在常温环境中实现降低功耗的更佳节能效果。
该产品已在多个行业大规模应用，经过广泛和长期的验证，得到了广大客户的一致认可。单场地超过百台SDC的数据中心也在国内逐步涌现。
图2SDC在中国沈阳大规模应用案例
同时该技术在全球也获得了巨大的成功和认可，美国加州能源管理委员会认定该技术“在美国十三个州的测试结果均比维谛空调冷冻水系统节能”，因此许多美国的新建数据中心纷纷从冷冻水系统改为风冷氟泵系统。目前全球约有超过10万套该类型的机组在线运
行，覆盖美国、墨西哥、澳大利亚、欧洲、日本、东南亚的泰国、新加坡及中国大陆地区。
图3SDC技术在澳大利亚悉尼的大规模应用
2、冷冻水系统Free-Cooling
冷冻水系统通过增加中间换热器，可以在室外温度较低时关闭或部分关停压缩机，达到利用冷却塔制取低温冷水的目的。该方案应用范围广泛，是传统的自然冷利用方法。但节能效果受到以下几点影响：
A、防冻问题。当数据中心位于北方时，冬季面临结冰风险，因此室外水循环部分需考虑增加抗冻剂，但增加乙二醇等防冻液会造成传热效率下降，降低节能效果，相当于抵消了部分自然冷效果。即使采用电加热或其他方式加热冷却塔，也需要消耗其他能源；
B、室外气象。由于维谛空调冷却塔蒸发制冷的极限温度是空气的湿球温度，因此气象中的空气湿度饱和程度对该方案影响很大。但是蒸发类制冷和水资源又是较为矛盾的，在缺水的地区空气湿球温度低，自然冷效果好，然而水资源缺乏的问题又会造成经济和环保上的双重问题；
C、运维水平。由于系统制取的低温水温度和环境湿球温度息息相关，而气象参数波动是非常频繁和不均衡的，这就要求运维团队具有极高的运维能力，可以针对气象参数的波动进行实时的调整和切换，以保证自然冷的最大化利用。但往往的结果是，出于安全的考量，系统并不能进行实时的切换。
因此，可以看到，大型的维谛空调冷冻水数据中心在南方和北方的PUE水平好像差异不大，反而华东地区的一些数据中心PUE更低，更加节能。这都是由于冷冻水系统自然冷难以精确运行导致的。
3、直接新风冷却
理论上，任何换热都会造成传热损失，因此，直接引入室外低温的空气不存在冷媒传热过程，效率会非常高。国外很多大型的互联网数据中心采用了该方案，宣称效果很好。但是，该方案存在较为致命的问题，即室外空气质量难以达标，空气中的污染物如SO2、CO等物质会对服务器电子元件造成化学腐蚀，空气中的沙尘会造成服务器设备表面结垢影响传热，空气中的水蒸气可能造成服务器电子元件表面结露从而漏电，过低的相对湿度可能造成较高的静电，对服务器形成电子击穿损坏。而采用化学过滤等方法成本非常高昂，经济效益基本损失殆尽。因此，维谛空调采用新风直接冷却的数据中心在选址上有非常高的要求，必须在远离工业污染、室外空气温度全年较低的位置建设。但在这样偏僻的地方建设数据中心，面临数据时延、电力难以保障、运维人员匮乏等问题，并不是非常适合主流的选择。
4、间接蒸发冷却
维谛空调冷冻水系统过于庞大，难以满足灵活的IT需求，冷却塔Free-Cooling效果不尽如人意，因此间接蒸发冷却（IndirectEvaporativeCooling）应运而生。它适应目前主流的模块化建设思路，单个单元200-400kW，扩容灵活、方便，系统颗粒度较低，可以较为精准的针对数据中心进行模块化建设。
图4EFC间接蒸发冷却在土耳其的大大规模应用
该类方案具有干工况换热、喷淋蒸发换热、压缩机运行三种模式，可以适应不同的室外工况进行自由切换，达到利用自然冷的效果。由于其耗水量仅为冷冻水系统的五分之一甚至更低，扩容灵活方便，减少了整个水系统和风管系统的建设投资，因此受到了互联网类有快速投资建设需求客户的青睐。
图5EFC间接蒸发冷却的三种工况
但从以上的分析看到，这些传统的自然冷方案仍然具有需要在冬季或较低温度下才能达到较好自然冷却效果的问题、系统颗粒度较大、仍然不能自由切换的问题、系统自控程度较低等问题，这些问题是自然冷技术演进必须解决的问题。
数据中心自然冷技术的原理较为简单，但其实现并达到较好的效果，必须掌握其关键要素，否则，很多实际的数据中心只能实现似是而非的效果，无法达到真正有效利用自然冷源。那么，实现自然冷的关键技术要素是什么呢？
1、高温自然冷
早期的数据中心自然冷技术，起源于压缩机的关停，当室外温度较低时，可以直接引入室外低温新风进行冷却，或使用间接换热方法来利用室外冷源，因此存在一个室外温度足够低，可关停压缩机的温度点。
受制于数据中心的运行工作环境，如GB50174-2008数据中心设计规范中推荐的维谛精密空调回风温度为23±1℃，相对湿度为50%±10%，为保证数据中心的散热量足够，切换温度点较低。间接换热型的方案，如采用热泵类的方案，由于换热效率问题的存在，一般需达到5℃以下时自然冷才能达到100%代替压缩机，在5℃以上只能通过压缩机启停切换才能将机房温度在一定温度波动范围内控制，控制精度越高，压缩机启停越频繁，自然冷利用效果越差；采用冷冻水系统的自然冷方案，依靠关闭冷水主机，由冷却塔工作降温直接达到制取冷冻水的目的，该方案的免费制冷切换点受制于室外空气的湿球温度，由于冷却塔、板换、水管存在换热效率损失和传输损失，因此获得的冷冻水温度会高出室外湿球温度7-10℃，这样也就造成了温度切换点不会太高，另外和系统的成本、配置也有很大的关系；采用直接新风方案，优势是可以直接将室外冷源送入机房，利用自然冷源时间较长，该方案理论上只要室外空气温度低于需求的送风温度，就可以长时间开启，如回风设置24℃的话，室外温度低于14℃即可开始启动自然冷。但由于室外空气中灰尘、一氧化碳、二氧化硫含量较高，会对服务器芯片等电子元器件产生危害，过低的温度同样也会造成服务器无法工作，另外还需要考虑室外温度较高时的后备维谛空调压缩机制冷系统，因此其过滤成本、控制系统、混风设计、自动切换系统成本较高，从而造成节能但不节投资和运维成本的困难，从自然冷的目标出发，在绝大多数空气温度和洁净度不达标的地方，使用该方案也不能实现真正的自然冷。我们可以看到，传统的自然冷方案中，不管是风冷氟泵型、冷却水自然冷型还是新风直接制冷型，都存在一个切换温度点，而理论上，这个温度点越高，自然冷可利用的时间也就越长，以中国三大纬度典型城市，同时也是数据中心最热点三大城市北京、上海、广州气象参数为例:表1：GB19413-2010计算机和数据处理机房用单元式空气调节机标准给出的全国主要城市气象参数
从表1中看到，目前方案的自然冷切换温度都集中在10℃以下，在北京、上海、广州的理论最大可利用自然冷时间分别为41.6%（3644.16小时），28.7%（2514.12小时）和5.1%（446.76小时），这还没有包括防冻、室外换热不良、风沙、室外空气质量不良等问题带来衰减影响。实际如果自然冷切换温度可以提高到20℃甚至30℃，则在以上城市的自然冷理论最大利用度可曾加情况如下表所示：
表2:提高自然冷切换温度点对数据中心自然冷的意义
从表2中我们可以发现一个有非常有意思的趋势，自然冷切换工作温度点越高，全国不同纬度地区自然冷可以利用的时间就越趋于相同，如果提高到30度为切换点，北上广所跨越的纬度区基本接近90%的时间都可以利用自然冷源。而且提高切换工作点对于南方的积极效应远远大于北方，也就是说，提高自然冷源的可利用温度，采用更高温下的自然冷技术，是数据中心维谛精密空调系统必然的趋势，可以使得全国的数据中心能耗大幅降低，尤其改变传统意义上南方数据中心能耗更大的局面。
但也应注意到，切换工作点只是说明了可以开启自然冷的温度点，自然冷源可以解决制冷需求的百分之多少，和冷源的温度、数据中心内部的送回风温度都是息息相关的，因此，高温自然冷技术的前提就是必须提高数据中心维谛精密空调系统的送风温度。理论上，只要外界温度低于室内温度，就可以开始利用自然冷源。因此，高温自然冷技术可随着服务器耐温能力的提升而不断提升边界，基于目前的数据中心IT架构，回风温度过高会增大电子元器件的漏电率并增大功耗，因此建议回风温度不超过35℃为宜。
2、无死区自然冷
传统的自然冷利用模式，不管哪种方法，思路都是关停压缩机，靠低温冷源直接制冷，那么就必然存在一个切换点，但是由于多种技术因素，其实并不能按照理想状态切换。
首先，氟泵系统，即使室外温度达到切换点温度，当压缩机处于保护周期内，是不能马上停机并切换的，需要运行压缩机的最小保护周期之后再动作的。另外如果室内制冷需求负荷很高，而自然冷无法完全满足冷量需求，同样无法随时切换到自然冷状态。当室外机散热不良时，室外机附近的进风温度会高于环境温度，此时的自然冷量也是无法达到正常工作需求的，同样无法进行切换；
其次，水系统，由于冷水主机的压缩机通常更大，为螺杆式、离心式压缩机，运转保护周期时间更长，一般都在五分钟以上，且从高速运转到完全停止需要的时间往往高达五分钟以上，因此并不能进行随意切换。这就造成了很多气象意义上可满足free-cooling的时间，实际数据中心水系统是无法利用上的。例如，以北京地区的逐时气象温度来看，若数据中心运行供水温度为12℃/18℃，按照系统7℃的换热温差来看，当冬季湿球温度低于5℃的状况下，可达到完全关停冷机，维谛空调开启自然冷却的状态。
图6北京气象参数对冷冻水系统自然冷的影响
而在通常的节能计算中，只简单计算了气象上所有满足湿球低于5℃的时间，如上图中2月18日当天，有22个小时是在低于5℃的状态下，但有2个小时是高于5℃的，如果要达到精确利用维谛空调室外冷源的目的，这一天是需要进行多次切换运行模式的，而这和运维水平息息相关。实际的数据中心中，绝大部分数据中心无法做到根据气象温度的变化而进行实时切换，因此实际情况下这种按照逐时温度法统计可用自然冷的时间实际是不可用的。气象温度波动时频繁的，不可准确预期的，早晚波动也会较大，湿球温度波动受大气压力、风向、水汽等条件波动更大，这就造成为了安全起见，这段时间无法使用自然冷。而这种理论上可用，但实际不可用的时间，我们就称为“自然冷死
区”。
第三，新风型系统，该方案的死区间更为普遍存在，受制于室外空气质量，风沙、一氧化碳、二氧化硫、水汽等对服务器芯片元器件会产生腐蚀等损害，从而造成服务器物理不可逆损坏，因此新风型系统需增加自动控制系统，根据室外空气质量监测装置来切换新风、后备冷源等模式；同样当室外温度过高、过低时，也无法利用户外低温冷源，需要启动备用机械制冷系统或混风系统，这些都是“自然冷死区”。
由此看见，减少切换死区，是提高自然冷利用效率的必然方向。随着技术的不断进步，对死区控制、减小死区间的研究也取得了进步。其中之一的重要思路就是混合制冷模式，即压缩机和自然冷同时工作，而无需进行强制性切换。如氟泵双循环维谛精密空调机组，就增加了压缩机和泵的混合模式，通过泵做功增大冷量，提高压缩机效率，从而实现更高的自然冷利用效率（图1）；在冷却水模式系统中，创新的“动态双冷源（DDF，DualDynamicFreeCooling”系统，通过三通阀切换压缩机和经济盘管的工作模式，维谛空调压缩机采用变冷量设计，该方案极大的颠覆了原有的维谛精密空调设计思路，以自然冷经济盘管冷量为主，压缩机为辅助进行补足，从而获得在杭州、上海纬度区域年均6000+小时的自然冷利用效果，实现极强的节能效果。如图
7、图8所示，在杭州地区采用DDF系统，实际机组运行8069小时，自然冷源利用时间达到6843小时，自然冷利用占比高达84.8%。
图7DDF机组应用自然冷源开启时长显示图
在冷冻水系统方面，部分高端的冷水主机产品同样设计有压缩机与自然冷盘管同时工作的经济模式减少切换死区，更有创新的进风蒸发预冷设计、高水温设计，从而得到极其优异的节能效果；在间接蒸发冷解决方案中，领先的机组后备压缩机可随时与蒸发制冷同时开启，以达到用水、用电达到最佳平衡的节能策略，保证系统最大化利用自然冷源（图5）。
但是这些方案，尽管维谛空调采用了预冷的方案，但是由于系统还是游离于压缩机的启停切换技术中，并不能真正完全匹配室外温度带来的自然冷红利。真正的无死区自然冷，该做到，随着室外温度的下降，维谛精密空调系统功率就可以做出实时的改变而降低功耗。从上面的分析中，我们可以看到，要解决这一问题，必须实现整个系统的全自动控制。
3、全自动自然冷
随着对成本降低和运营效率的要求，未来的数据中心，必然会越来越智能化、自动化，目前DCIM解决方案正成为数据中心炙手可热的关注点。智慧的管控方案，离不开智能的基础设施，只有基础设备全部实现远程可控，智能化系统才有用武之地。因此，维谛精密空调系统的全自动化也是节能的必然方向。
从系统架构上来看，越复杂的系统变量越多，控制难度当然越大。冷冻水系统往往有多台冷水主机、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、末端精密维谛精密空调等数百个可控变量，同时还有成百成千个阀门，而且由于成本原因，这些阀门很少采用电动可控阀门。从成本和变量控制逻辑上来看，几千个控制点，而且之间存在复杂的串、并联关系，互相影响和作用，几乎不可能有一套控制系统可以较好的控制整个系统的精确运行（图7）。如果再增加自然冷技术，其系统需要进行复杂的切换和控制，如前文所述，和室内负荷、室外的干球、湿球温度，运维水平都有较大关系，目前只能进行人工干预，无法实现全自动运行。
图9冷冻水系统示意图
而直接膨胀式维谛精密空调系统架构简单，仅有压缩机、室内风机、室外风机、电子膨胀阀这四个控制变量，即使采用其他的自然冷技术，也仅需引入变频泵或其他变频节能装置变量，系统控制变量在4-8个，自控逻辑难度大大降低，完全可行。多台机组之间，可根据每个机房形成独立的控制网络，这样，可以化大型网络为独立的若干小型网络，控制更为精准，控制难度也大幅下降。一般单个机房单元受制于建筑面积、消防分区、电缆桥架、楼板承重等，不会超过200个机柜，或1000kW，因此，较大规模的机房单元组成如图×所示，维谛精密空调系统控制变量一般不会超过16个，维谛精密空调的下级压缩机、室内风机、室外风机、电子膨胀阀、变频泵都由维谛精密空调自动控制完成，这个控制逻辑久经考验，属于非常成熟，亦可根据机房的需求进行定制。
如图×所示，一个传统的大型10MW数据中心，由10个1MW的数据机房单元组成，而每个单元由2×（5+1）共计12台维谛精密空调组成，共计120台维谛精密空调。则按照离心式冷冻水系统和风冷维谛精密空调系统来统计自控变量数据如下：
冷冻水系统集中控制，维谛空调风冷系统多级分散控制由此可见，冷冻水系统需要将数百个变量纳入同一个系统去进行控制，复杂度可想而知，每一个变量的变化都会对系统产生影响。而风冷控制系统仅需控制十几个变量，然后将数十个子系统纳入到统一的控制系统去做集中管控，这样可以精准快速的直接调整某一个子系统，而对其他子系统不产生影响，因此调整难度大幅下降。因此，维谛空调风冷直膨式系统才是数据中心全自动控制、全自动精益运维的可行方向。
由此可见，维谛空调高温自然冷、无死区自然冷、全自动自然冷这三大技术要素，组成了自然冷技术的演进方向。由于这三个方向综合要求数据中心维谛精密空调系统在全部时间、全部状态下均能全自动的达到利用自然冷，因此，用“全时自然冷“来定义这一自然冷趋势是非常贴切和充分的。
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