林 静

北京航空航天大学航空科学与工程学院

摘要(Abstract)：

数据中心冷却系统能耗占机房总电耗40%~60%，充分挖掘室外空气、水体、岩土等自然冷源潜力是降低机房PUE、实现算力基础设施低碳运行的核心路径。现有自然冷源评价多依靠全年冷却时长、综合性能系数等宏观能量指标，仅能表征系统能耗总量变化，无法从能量品质层面量化冷源可提取做功能力，难以精准识别冷热供需匹配失衡带来的品质损耗。能势理论作为统一描述各类冷热介质能量品位、传递驱动力的热力学分析框架，可弥补传统能量平衡分析忽略能量品质差异的固有缺陷。本文系统梳理能势概念的理论起源、标准化定义，辨析能势与热势、㶲的内在关联与适用边界，搭建包含介质能势量化、传递势差约束、势损耗溯源的完整能势理论框架；构建适配数据中心冷却场景的自然冷源可用能分析范式，建立室外空气干湿球耦合能势量化表征方法，形成从气象参数采集、冷源能势计算、换热势损耗分解到冷源利用效率评价的标准化分析流程，提出基于能势差值的冷源可用能效率评价指标；依托能势匹配逻辑，分别从冷却系统设备构型设计、多工况动态运行调控、全国气候分区差异化策略三个维度，给出自然冷源深度利用优化路径。研究表明：能势差值是冷热换热过程不可逆损耗的唯一底层驱动力，传统仅依靠温度单一参数判定自然冷源可用时长存在显著偏差，干湿球耦合能势可完整表征空气冷源全部可用品位；数据中心机房内热负荷能势与室外自然冷源能势匹配度越高，换热过程势损耗越小，冷源可用能利用率越高；西北干燥高原地区空气能势全年均值远高于南方湿热区域，适宜推广风侧直接自然冷却，长江中下游高湿地区水体能势稳定性更优，优先采用水侧板式换热自然冷却架构。本文建立的能势理论分析范式，突破传统能量均衡评价的局限，为多类型自然冷源耦合系统精细化设计、全年多模式智能切换控制、全国不同气候区数据中心冷源技术路线选型提供能量品位维度的完整热力学工具。

关键词(KeyWords)：能势理论；自然冷源；数据中心冷却；可用能；能量品位；势损耗；冷热匹配；气候分区适配

参考文献(References)：