工程师撰文：数据中心的自然冷却、风冷和水冷到底有啥区别？
数据中心冷却主要分类，抛开自然冷却方式，简单笼统来讲就是风冷和水冷。以前，我们用动图详细科普过机房空调的水冷系统和风冷系统，本期我们就再从专业角度来看一看，数据中心的自然冷却、风冷冷却、水冷冷却的差别和应用。
根据冷却介质的不同，数据中心机房级冷却方案可分为2类：仅有制冷剂循环的风冷式精密空调方案和既有制冷剂循环又有载冷剂循环的水冷式冷水机组方案。
关于风冷系统和水冷系统详细的科普内容，请点击以下2篇文章链接：
【科普】风冷型、水冷型、冷冻水型、双冷源型和自然冷却型精密空调
在数据中心发展的早期，由于其规模不大（单个数据机房内机柜数量不大于1 000台），且单机柜功率密度也不高（数据机房整体功率一般不超过2 000 kW），一般以风冷式精密空调方案为主。
根据《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（国发〔2010〕32号：数据中心机架数量在3 000~10 000台的大型和超大型数据中心），其业务规模越来越大，单机柜功率密度也越来越大，风冷式精密空调方案已经满足不了规模化增长的需求，也无法冷却越来越高的单机柜发热量。因此，在大型数据中心中水冷式冷水机组方案逐渐成为主流，如下图所示。
图 典型的水冷式冷水机组方案
虽然民用建筑行业业已使用水冷式冷水机组方案，但因为其冷却对象的差异，造成冷水机组的运行工况不同。
在数据中心领域，一般使用高温冷水机组或双工况冷水机组，一方面满足数据中心高显热比的要求，另一方面提高冷冻水的供回水温度可以提高冷水机组能效，达到节能降耗的目的。在不同的换热或制冷环节，有不同的冷却方案和制冷方案，常见的数据中心冷却方案如下表所示。
表 常见的数据中心冷却方案
过去很多年以来，数据中心内水不进机房成了一条不成文的规定。但随着数据中心功率密度越来越高，规模越来越大，风冷式冷却方案已经难以满足数据中心的散热需求，在这一大环境下水冷式冷却方案开始逐渐登上了舞台。
如下表所示，数据中心的单机柜功率密度每5年几乎以15%~20%的增速在提高，发热量越来越大，最高的单机柜功率密度已经达到50 kW，超过了风冷式冷却方案的冷却极限。广州超算中心定制的超级计算机单机柜功率密度高达80 kW，采用的就是水冷式冷却方案。
表 服务器功率密度发展趋势
数据中心的冷却方案从风冷式转为水冷式，除了功率密度的提高和规模效益，还有节能减排在驱动这种转变。水的比热容是空气的4倍多，单位流量的水比空气要携带更多的热量或冷量；另外，水的密度是空气的800倍多，携带相同的热量或冷量时水比空气需要更小的流量，意味着可以使用更小的管径，而且耗电量能够降低。从下表可以看出，传递10 Rt的热量或冷量，风冷式冷却方案的耗电量比水冷式冷却方案多出14倍。
表 风冷式冷却方案与水冷式冷却方案对比
自然冷却技术本不是新鲜事物。数据中心自然冷却技术的兴起源自国家政策对新建机房低PUE的要求。
2013年，工信部、发改委、国土部、电监会和能源局联合发布《关于数据中心建设布局的指导意见》，明确提出将数据中心从市场需求和环境友好角度出发，分类型引导建设的指导要求：新建数据中心PUE要求低于1.5；老旧数据中心经改造后PUE要求低于2.0。
根据数据中心冷却方案的不同，自然冷却技术分为风侧自然冷却技术和水侧自然冷却技术。
1、 风侧自然冷却技术
当室外温度达到ASHRAE TC9.9（2015版）《数据处理设备热指南》要求时，室外空气经过处理后直接送入室内，从而利用室外自然冷源，这是风侧直接自然冷却技术，如下图所示。
图 风侧直接自然冷却示例
由于整个送风过程中间没有换热环节，因此它是自然冷却技术中效率最高、全年自然冷却时间最长的方案。但是在某些地区，由于空气污染比较严重，而数据中心机房对空气洁净度要求较高，一般要求达到ISO 8级或MEVR 13，因此必须对直接引入的新风进行除硫、除尘和过滤净化。另外，直接引入新风会引入新的湿负荷，还需要对新风的湿度进行控制。鉴于上述原因，尽管风侧直接自然冷却的效率高，但其运维成本也很高，在数据中心的实际工程项目中极少采用风侧直接自然冷却方案。
将室外空气（或进行喷水降温处理后）通过热交换器与机房内空气换热，使室内温度达到ASHRAE TC9.9（2015版）《数据处理设备热指南》要求，从而达到利用室外冷源的目的，这就是风侧间接自然冷却技术，如下图 所示。
与风侧直接自然冷却相比，它仅需要采用室外新风维持室内正压，从而保证室内相对稳定的湿度和洁净度。风侧直接自然冷却会发生室内和室外空气的热质交换；风侧间接自然冷却使得室内和室外空气只发生热交换，没有质交换。
图 风侧间接自然冷却示例
2、 水侧自然冷却技术
水侧自然冷却技术分为水侧直接自然冷却技术和水侧间接自然冷却技术。水侧直接自然冷却如下图所示。在夏季，开启冷水机组正常运行模式，为传统机械式制冷方案，如下图（a）所示。
图 水侧直接自然冷却技术示意图
在冬季，关闭冷水机组，将冷却水作为冷冻水使用直接导入空调末端设备，从而实现自然冷却，如下图（b）所示。
优点是，自然冷却时直接使用冷却水，可以最大化地使用自然冷源；
缺点是，对水质要求很高，若水质得不到保证，冷却水进入空调末端设备长期运行会造成盘管脏堵，致使换热性能降低甚至影响设备正常运行。
水侧间接自然冷却如下图所示，其基本原理是在冷却塔与冷水机组之间增加一个板式换热器。在夏季，开启冷水机组正常运行模式，板式换热器停止使用，此为传统机械式制冷方案，如下图（a）所示。
图 水侧间接自然冷却技术示意图
在冬季，关闭冷水机组，冷却塔中的冷却水与空调末端设备中的冷冻水通过板式换热器进行换热，从而实现自然冷却，如下图（b）所示。
优点是，实现了冷却水与冷冻水的物理隔离，保护了空调末端设备，也保证了供冷的可靠性；
缺点是，增加了板式换热器这个换热环节，使得相比直接自然冷却全年可进行自然冷却的时长缩短。
ASHRAE TC9.9要求的数据中心温湿度包络区如下图所示。室外空气的状态点落在包络区内表明在此种情况下有自然冷却的可能性，还需要结合具体状态的时长进行经济性分析，从而判定自然冷却的可行性。
因此，结合地理气象条件和建筑特点，空气调节技术是开源的和定制化的，不受限于某一单一的冷却技术，而是多种冷却技术创新的结合体，可以是冷却，也可以是蒸发，还可以是冷凝，甚至还有加热。
图 焓-湿图包络区（依据ASHRAE TC9.9《数据处理设备热指南》2004版绘制）
绿色网格组织结合中国的地理气象数据，绘制了中国的自然冷却地图。它指出了自然冷却技术应用的地理位置及在满足干球温度≤27 ℃和露点温度≤15 ℃状态下自然冷却的相应时长。为各种自然冷却技术应用的可行性提供了地理位置参考。
自然冷却技术方案的工程应用对现场施工工艺要求高。但随着近年来数据中心工厂制造的兴起，出现了一些将工程产品化的自然冷却设备。其中以风侧自然冷却为典型代表，这种风侧自然冷却设备有多种安装方式，可以侧墙安装，如下图（a）所示；也可以屋顶安装，如图（b）所示。
图 风侧自然冷却设备安装示意图
目前主流的风侧自然冷却方案均是以间接冷却为主，且有3种冷却技术依据室外工况的变化联合工作：在不会发生潜热交换的室外工况下为间接蒸发冷却模式；在发生潜热交换的室外工况下为间接新风自然冷却；在其他情况下以机械式制冷作为补充。