Carrier HVAC

开利暖通

自然冷却技术领域

防冻技术

针对数据中心在寒冷地区区域化建设的趋势，为确保数据中心运行安全，麦克维尔为自然冷却风冷螺杆冷水机组搭载了特有的四重防冻技术，确保机组生命周期内高效可靠、安全运行。

快速启动

       为最大限度地满足客户负荷需求，保持工艺设备的冷却，维持客户空调工况的稳定，减少昂贵的停机风险，麦克维尔为自然冷却风冷螺杆冷水机组搭载了领先的掉电快速启动功能，此功能可保护对温度敏感的设备和工艺，避免数据丢失、过热导致的设备损坏及运营中断所带来的经济灾难性后果。

启用快速启动功能后，在不影响系统安全、稳定的情况下，机组控制程序根据设定自动简化部分系统启动过程，清零系统重启剩余时间，调整部分系统部件状态，在机组掉电停机，再次上电之后在30s内尽快启动，更好地适应数据中心制冷系统需求。

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

很多地区都适用自然冷却技术应用，节能率达25％～55％。

自然冷却技术发展背景

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

数据中心能耗分析　　　

数据中心IT设备能耗

自然冷却技术：天然免费冷源

       为满足数据中心和电子、化工、冶金、制药等场所需要全年制冷的需求，空调业界进行了新的一轮研发，研究出可利用冬天或者过度季节低温空气的自然冷却技术，即当室外环境温度比冷冻水温还要低时，通过换热技术将室外低温空气中的“冷量”即天然冷源进行免费利用，对机房进行降温。

自然冷却技术分类

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

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：

节能分析

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

节省水资源

Free Cooling风冷冷水机组无冷却水损耗，相比水冷机组，可节省大量水资源。如全国有20％大型数据中心采用FreeCooling风冷冷水机组，相比水冷机组，则全年可节水3662万吨。

■ 自然冷却机组可以大大节省空调机组运行费用，无水损耗，同时节省水资源并减少CO2 排放量。
■ 能源节约的比例根据设计工况，年运行时间和当地气候条件有关。
■ 北方数据中心冷负荷需求大，全年不停机运行，具备提供自然冷却足够低的环境温度，并且北方大部分地区水资源均比较缺乏，适合采用自然冷却风冷冷水机组。

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。

单纯使用风冷自然冷却机组的系统中，其三个制冷工况的转换条件判断及控制已由厂商集成与冷原自控系统中。该冷源系统相当于将冷却塔、冷却水泵、板式换热器、水冷冷水机组等主要冷源系统部件进行了集成。显然，基于第三方对制冷系统的理解开发的自然冷却水冷冷水机组多设备控制系统架构完实现设计意图的难度将大于由自然冷却风冷冷水机组供应商提供的单一设备控制系统。但在数据中心风冷自然冷却系统设计仍需要注意以下几个问题：

　　第一，合理选择冷源系统架构。N+X或是2N架构是数据中心供冷系统的基本结构。从冷源角度出发，N+X架构较2N架构造价高，但2N系统若采用适宜的管道布置可大大减少N+X架构系统中为避免单点故障每个节点间隔断阀的数量。在一些特定的项目中，这些阀门有一部分甚至会采用电动方式。大口径阀门造价的降低，将可抵消一部分冷源初投资成本，另一个附带的好处是由于阀门和冷源系统组成设备的减少（如冷却塔、冷却水泵等）降低了运维难度。

　　第二，是否需要让防冻液遍布整个系统？北方地区天然冷源的优势也带来了冬季防冻的问题。考虑到防冻液的腐蚀性、排污、运动粘度增加使得输送能耗增加问题和防冻液价格（数千元每立方米的防冻液与几元每立方米的水价之比）问题，应尽量减少和限制防冻液的使用范围。　

　　第三，多台冷水机组矩阵式布置的散热问题。由于单机容量较小，在大型数据中心中布置屋面设备时，应充分重视散热问题（受场地限制，常常出现矩阵式布局方式）。此时CFD模拟分析可为屋面设备布置和消除局部热点提供技术支持，但CFD仅仅是工具，重要的是通过模拟、提出优化措施，达到改善屋面局部微环境散热条件的目的。
第四，冷水机组安装问题。风冷冷水机组通常安装在屋面，由于数据中心分期建设的需求，后期使用吊车进行屋面二次安装的作业空间是否充足将为实施带来挑战。很多项目中不得不考虑初期一次安装到位的实施方案。以上几个问题在风冷自然冷却冷水机组应用于数据中心中经常遇到的，因此设计初期应当更好地预见这些问题，有针对性地加以解决或规避。