数据中心冷却技术革新：平衡成本与绿色发展
环境法规的收紧正不断推高互联网数据中心传统冷却方法的成本。对数据中心运营商而言，如何在降低运营成本的同时获得绿色资质认证，成为亟待解决的问题。
数据中心行业需加强对不同冷却方案的认知，深入理解其对运营支出（OPEX）、能源效率及环境的影响。尽管许多运营商对直接膨胀（DX）空气制冷系统或冷冻水制冷系统较为熟悉，但仍需探索能支撑长期可持续发展目标的新方法。
冷却系统占数据中心能源消耗的 40%，是运营支出的主要组成部分。随着混合冷却等新技术的出现，冷却技术正加速迭代，有望显著降低能源消耗和环境影响。了解各类冷却技术的隐藏成本及差异，对数据中心的可持续发展至关重要。
一、主流冷却技术的特点与局限
1. 直接膨胀（DX）冷却
过去 15-20 年，DX 冷却技术一直是市场主导的冷却解决方案，曾因成本低廉、安装便捷被广泛采用。其优点包括冷却效果稳定、占地面积小，且基于间接冷却技术，可避免外部污染物进入数据中心。
然而，DX 冷却系统在能效和制冷剂成本方面存在明显短板：系统稳定性较差，随着制冷剂价格飙升，其 “低成本” 优势已不复存在，长期运营成本较高。
2. 水冷却
近年来，随着数据中心容量提升，冷冻水系统逐渐受到关注。混合冷却解决方案（含水冷却元素）的优势在于单位制冷剂加注量较低，例如某些大规模混合冷却系统的每个制冷回路仅使用 7.6 千克制冷剂（双回路），而等效的传统冷水机系统制冷剂使用量约为其 40%（按 1:1 比例计算）。
此外，传统大型冷却器若发生故障，可能导致大量制冷剂泄漏；而混合冷却系统采用多设施分散制冷，可显著降低制冷剂大规模流失的风险。
二、混合冷却：融合优势的创新方案
混合冷却技术结合了 DX 冷却系统的可靠性与控制性，以及自然冷却系统的节能优势，其运行模式随外部环境温度动态调整：
温暖月份（外部温度＞20℃）：系统作为水冷 DX 冷却系统运行，制冷压缩机通过板式热交换（PHX）冷凝器将热量排放到冷却水回路，水经泵送进入鼓风冷却器冷却后，热量被释放到空气中。
较冷月份（外部温度＜20℃）：系统自动切换到部分自然冷却模式，冷却水通过比例控制阀，使自然冷却与水冷 DX 冷却系统协同工作，借助冷却器风扇将水温降至目标水平。
冬季（水温或热负荷达阈值）：系统进入 “自然冷却模式”，冷却水仅通过自然冷却盘管冷却，无需机械制冷（通常适用于水温低于设定值 3℃的场景）。
该技术同样采用间接冷却，避免外部污染物进入数据中心。
1. 混合模式冷却的增效空间
混合模式冷却是自然冷却与 DX 冷却的中间状态：当外部空气温度足以预冷供水，但无法将水温降至目标参数（通常比内部设定值低 3℃～6℃，取决于系统效率）时，需启动机械制冷作为 “补充”，以满足数据中心负荷需求。这种模式通常占系统总运行时间的 50%～68%。
数据中心运营商可通过提高回风温度扩展混合冷却的节能潜力：将回风温度从 24℃提高到 27℃，每年可额外节省 40% 的冷却成本。
2. 成本效益与投资回报
与传统 DX 冷却系统相比，混合冷却技术能大幅降低功耗，带来显著成本节约。其投资回报周期取决于系统规模和地理位置：
中型数据中心（约 500kW）的投资回报期约为 3～4 年；
规模较大的混合冷却系统投资回收期更短，效益更明显。
尽管混合冷却系统的初始资本支出（CAPEX）高于传统机房空调（CRAC）单元，但综合考虑长期运营成本后，其总成本优势突出。
三、制冷剂的隐性成本与法规影响
1. 成本飙升与法规压力
作为欧盟能源战略的一部分，到 2030 年氟化温室气体（F 气体）排放需减少 60%。2015 年生效的法规及 2020 年修订目标，直接影响了制冷剂的可用性和成本 —— 制冷剂价格持续飙升：
2017 年 8 月至 2018 年 7 月，R407c 制冷剂价格从每公斤 14.78 英镑涨至 50.66 英镑，R410a 从 29.78 英镑涨至 58.59 英镑；
以 50 米等效长度、80kW 散热能力的系统为例，单个冷却系统的制冷剂成本一年内从 1,800 英镑增至近 3,600 英镑，涨幅达 98%。
混合冷却系统所需制冷剂数量显著减少，在价格飙升背景下成为重要优势。
2. 合规要求与运营负担
未来，数据中心运营公司及员工的认证要求将加强，需保存至少五年的记录，包括 F 气体的类型、数量及回收方式。此外，含 F 气体的设备若超过阈值，需按特定间隔检查泄漏情况，维护从 “反应性响应” 变为法律规定的 “预防性策略”。
四、低 GWP 制冷剂的探索与挑战
行业对全球变暖潜能值（GWP）更低的新型制冷剂（如 R1234ze 和 R1234yf）关注度较高，但相关开发进展缓慢，且需权衡成本与安全性：
低 GWP 制冷剂初始成本可能更高，其可燃性需严格风险评估（如丁烷虽制冷效果好，但危险性高）；
大型单台冷却器（如使用 200 千克制冷剂）的泄漏风险，远高于采用多个小型装置的混合冷却系统（每个装置使用 18 千克制冷剂）。
随着制冷剂法规收紧，数据中心运营商将愈发重视泄漏风险问题。
五、迈向可持续的冷却未来
下一代数据中心（NGD）及其他高端设施已开始采用混合冷却技术，实践表明该技术能实现成本节约、绿色环保与高弹性的平衡。随着制冷剂成本持续上升，传统制冷技术的运营压力将日益增大。
未来，混合冷却技术有望通过降低制冷剂相关风险、利用可持续自然冷却方法，成为数据中心实现绿色发展目标的核心方案，助力运营商在合规前提下优化成本结构，获得长期竞争优势。
