从最初考虑送风要高于机房环境的露点开始到现在为了充分利用冷机的特性，数据中心的冷冻水供、回水温度逐步在提升，从最初与民用建筑用的供、回水7 / 12 ºC，到10 / 15 ºC，和12 / 18 ºC、15 / 21 ºC，现在已经出现17/ 23 ºC的供回水温度的数据中心了。供水水温的提高，可以让冷源系统中冷机的能效提升，设备供应商给出的参数大约是，每提升1 ºC，大约可以降低3%的能耗。
不同供、回水温度下冷水机组COP值的变化趋势
近年在数据中心领域又提出了大温差、小流量系统设计思路，将冷源系统的供、回水的温差从原来的5～6ºC提升到8～10ºC，通过提高温差，可以降低系统水流量的需求，可以降低系统管路的延程损失并且可以降低循环水泵的功率，从而进一步提升了冷源系统的能效。
对于数据中心不间断制冷，水蓄冷的应用形式可以分为开式和闭式2种。开式蓄冷系统技术成熟、冷水的分层效果明显、造价相对较低，因此数据中心空调系统的设计大多采用这种形式。另一方面，设计中常将开式蓄冷罐并联至空调系统中，为水系统定压，使其液位高度高于系统最高点（通常大于等于0.5 m），罐体直径根据系统需要确定，这使得开式蓄冷罐的高径比较大，蓄冷效率较高。巨型数据中心采用的开式蓄冷罐的蓄水容积通常大于300 立方米，其高径比通常大于3，蓄冷效率一般在85％以上。
开式蓄冷罐应用示意
闭式蓄冷罐单体容积一般较小，通常设置在建筑内部，串联接入空调系统中，蓄冷罐内的冷水持续流动以保证随时保有备用蓄冷量。闭式蓄冷罐要求有承压能力，对于材质的要求较高，其施工难度与造价也相对较高。当布水器配置不好时，罐内的冷温水混合现象非常严重，形不成稳定的斜温层，使得闭式蓄冷罐的蓄冷效率通常较开式蓄冷罐低。
由于大型数据中心普遍采用离心式冷水机组，当制冷负荷减小到一定程度时，制冷机会发生喘振现象，严重损坏压缩机的导叶。而数据中心在初始运行时，制冷负荷有时可能只有额定负荷的15％～20％。这时可以停止冷水机组工作，利用蓄冷罐进行供冷，从而保护冷水机组，并且提高其运行效率。
由于水蓄冷空调系统具有削峰填谷的功能，因此整个空调系统可以考虑节能运行模式设计，空调系统设置一用一备的蓄冷罐，在夜间利用备用制冷机制备冷水存储在蓄冷罐内，白天利用蓄冷罐存储的冷量进行放冷。对于前期低负荷运行时，蓄冷罐承担末端的全部用冷需求；当后期负荷加大时，蓄冷罐承担末端部分时段的用冷需求。这样一方面可以有效利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统，避免冷水机组部分负荷运行，提高其运行效率；另一方面减少制冷机白天开机时间，对于有合理分时峰、谷电差价的地区，可降低空调系统的运行费用。
开式蓄冷罐的节能应用示意
某数据中心的冷源配置为三用一备，离心式冷水机组的容量为4550 kW，设计供回水温度为10 ℃/16 ℃，夜间低谷电价时段开启备用制冷机制备6 ℃冷水存储在蓄冷罐内，白天用电高峰时段，蓄冷水与冷水回水混合成为10 ℃供给末端空调设备。分析表明，采用蓄冷系统夜间蓄冷、白天放冷的节能运行策略，可以降低制冷系统运行费用，每年运行电费节约9.03％。
上述案例中的蓄冷温差为10 ℃，取得了良好的节能效果，而对于采用中、高温冷水（供水温度高于12 ℃）设计的数据中心空调系统，如果降低蓄冷水温，采用大温差蓄冷（7 ℃/18℃），节能效果会更加显著。
数据中心蓄冷量的设计值一般是整个空调系统满负荷运行15分钟的冷量，假设系统前期运行时的设备负载只有设计负荷的10％～20％，那么单个蓄冷罐可以保证系统75~150分钟的运行供冷。而对于双路供水设计或者备份蓄冷罐设计的空调系统，蓄冷系统则可以保证数据中心约2.5~5小时的运行供冷，减少白天制冷机在部分负荷的运行时间，保证冷水机组始终运行在高效制冷区间。
水蓄冷空调系统的节能运行模式设计，可以有效地利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统，减少白天制冷机的运行时间，保证冷水机组运行在高效区间。而对于分时峰、谷电差价的地区，可以显著降低空调系统的运行费用，提高电能利用效率。
在数据中心蓄冷空调系统的设计中，可以通过采用低温水蓄冷，增大蓄冷温差，系统的节能效果会更加显著。
随着数据中心对环境温、湿度限制的降低以及对能耗降低的追求，让越来越多的数据中心会以自然冷源为主 部分机械制冷的方式，下面介绍几种已经采用的方案。
1、新风自然冷源系统
室外新风自然冷却是直接用室外的低温空气冷却室内设备，通过调节新风和回风的比例，经过过滤系统处理后直接引入室内机房，使室内温度达到设定的范围内，这种方式直接利用了室外冷空气。直接新风自然冷却精密空调系统主要由风机模块、节能混风箱模块（含新风阀、回风阀及防霜风阀）、排风阀等组成。
新风直接自然冷却方案示意图
2、蒸发冷却系统
蒸发冷却主要分为直接蒸发冷却（DEC：DirectEvaporative Cooling）和间接蒸发冷却（IEC：Indirect Evaporative Cooling）。
直接蒸发冷却（DEC）是指空气与水大面积的直接接触，由于水的蒸发使空气和水的温度都降低，此过程中空气的含湿量有所增加，空气的显热转化为潜热，这是一个绝热降温加湿过程。整个蒸发冷却过程通常在冷却塔、喷水室或其他绝热加湿设备内实现。直接蒸发冷却可以和直接自然冷方案结合使用，进一步提高自然冷应用时间，降低能耗。
直接蒸发冷却
间接蒸发冷却（IEC）是指把直接蒸发冷却过程中降温后的空气和水通过非接触式换热器冷却待处理的空气，那么就可以得到温度降低而含湿量不变的送风空气，此过程为等湿冷却过程。若把直接蒸发冷却中用的空气称二级空气，待处理的空气称一级空气，则可得到用间接蒸发冷却装置原理图：
间接蒸发冷却原理图
间接蒸发冷却设备的核心部件是空气-空气热交换器，按热交换器形式不同大致可分为以下三种：板式，管式和热管式。无论哪种换热器都具有两个互不联通的空气管道，借助两个通c道的间壁，使一级空气得到冷却。
目前在数据中心应用较多的是板式和管式间接蒸发冷却设备。
管式换热器，数据中心内热空气从侧面进入换热器管内，沿管道被冷却后再次送入数据中心。室外侧干冷空气从底部进入换热器，在管道外侧蒸发冷却降温后再冷却管内的热空气，然后从上部排出。
管式换热器换热过程图
板式间接蒸发冷却设备由一组金属板或复合材料组成。板式间接蒸发冷却其中的二级空气来自于室外新风，一二级空气的比例对板式间接蒸发冷却其的冷却效率影响较大，两侧空气在金属板面上进行热交换。
板式换热器换热过程图
国内已经有采用直接新风系统、直接蒸发冷却（DEC）和间接蒸发冷却（IEC）的大型数据中心应用的案例，应用前景非常良好。
3、地表水
利用地表水作为冷源，是非常高效的一种冷却方式。地球表面浅层水源（一般在1000 米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，水源的温度一般都十分稳定。由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的。此类方案应用现在还比较少，需要因地制宜。一般采用闭式系统，即仅仅利用自然水源的冷量，但不消耗水源的水。2000年美国康奈尔大学（Cornell University）抽取大学附近的深层湖水为近40万平方米的校区供冷，2010年Goolge在芬兰湾建立了一座大型利用海水冷却的数据中心，还有日内瓦某数据中心采用的是湖水散热, 2015年在千岛湖的阿里巴巴数据中心采用了深湖水自然冷，水温常年恒定，可以全年采用自然冷。
地表水自然冷却方案需要注意：
（1）利用江河湖水作为冷源
利用江河湖水作为冷源，需要对地表水水体资源和环境进行评估，不能影响生态环境（湖水温是分层的，对应的生物群也是分层的），取得相关部门的批准。当江河湖作为航运通道时，取水口和排水口的设置位置，还应该取得航运主管部门的同意。取水口应设在水位较深、水质较好的位置，并在排水口的上游，远离排水口。应考虑丰水、枯水季节的水位差，并应有措施防止洪水对数据中心造成影响。寒冷地区使用，系统要有防冻设计。
采用江河湖水作为冷源的系统，中间应设计有换热器，将外界水源与空调循环水进行隔离，换热器应可以现场拆卸和清洗。还应该设计有过滤、清洗和灭藻等水处理措施。
（2）利用海水作为冷源
应收集海水的水文状况，温度变化规律（30年取水点区域的变化）等进行设计，并应有措施避免涨潮、海啸等事件对数据中心造成危害。
开式系统的取水口深度应距离海底高度宜大于2.5米，取水口应能抵抗大风和海水的潮汐引起的水流应力。取水口应设置过滤器、杀菌除藻和防微生物附着的装置，排水口与取水口应保持一定距离，与海水接触的设备及管道，应具有耐海水腐蚀特性，和采用防微生物附着的措施，在结冻区需要注意防冻。海水冷却系统应设置中间换热器，海水不能进入室内侧空调系统，将外界水源与空调循环水进行隔离，换热器应可以现场拆卸和清洗。
（3）采用污水作为冷源
应考虑污水水温、水质及流量的变化规律和对后续污水处理工艺的影响，采用开式原生污水源系统时，取水口应设置过滤装置和连续反冲洗功能，取水口处的污水量应稳定，排水口与取水口应保持一定距离，系统应设置中间换热器，污水不应进入数据中心, 换热器应具备拆卸、清洗的条件。
(本文节选自《数据中心冷源技术白皮书》)
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