[科普中国]-自然冷却

自然冷却是通过热交换、对流、热辐射等热传递形式由物体向环境介质排出热量，降低物体的温度，最终达到与环境温度相同的自发性的过程。

自然冷却简介自然冷却是利用密度随温度变化而产生的流体循环过程来带走热量的冷却方式。自然冷却空调系统从上世纪 70 年代后期开始，最早出现在高度重视节能的西欧运营商机房中。该系统广泛用于大型数据机房， 交换机房，IDC 等一切需要全年365 天，全天24 小时供冷，而室外温度在过渡季节和冬季又比较低的地区。

自然冷却技术即使在中国也已经不是一个刚刚出现的崭新的技术。2000 年建造的中国网通大连数据中心就采用了这个系统。事实上， 对于全年有供冷要求的IDC 机房或通讯机房都可以采用这种免费的能源。该系统给使用用户节约了大量的电费，同时站在中国能源战略和低碳经济的角度上讲，也是必须推广的全球领先的节能技术。1

自然冷却原理我们所介绍的自然冷却机组原理如下：

1． 整个空调系统采用风冷冷水机组作为冷源（输出 9～15℃的冷冻水，可调整），机房部分采用冷冻水型机房空调；（有别于一期采用的水冷冷水机组）

2． 风冷冷水机组附加了特殊设计的空气-冷冻水换热盘管，在室外温度低于回水温度2℃时，冷却盘管自动打开，利用室外冷风冷却回水。如果室外温度低于回水温度5℃以上，则压缩机完全停止工作。

3． 冬季和春季，秋季，压缩机可以处于半工作甚至全部停止状态；对于中国的气候条件，可以用于长江以北的广大地区；当然，随着纬度提高，节能效果越来越大，最高可到50%，最低也要达到25%以上。大金：高效节能的新型制冷机大金欧洲公司最近宣布推出一系列新型空气制冷机，该机可以利用外部较冷的空气实现“自然冷却”，从而达到节省能源，减少运行花费的目的。当外部空气足够冷时（有些型号大约在3摄氏度左右），制冷机就可以仅仅利用空气实现无消耗的运作。减少能源消耗，增加运行寿命

这种自然制冷机拥有附加的自然制冷装置，利用外界的空气直接冷却建筑中水循环系统，从而在较冷的季节实现减少压缩机工作负荷，有效减少机器运行消费的目的。

自然制冷系统利用的是外界空气与回水的温差，使它在回流到系统之前先将水温降到一个低值。而当外界温度足够冷时（根据不同机器类型，所谓足够冷的温度为3摄氏度或更低），冷水机的压缩机会完全停止工作，实现不消耗能源的制冷。而由此，同时减少了压缩机的工作压力，延长了它的运作寿命，进一步地减少了对于机器进行维护安装的总花费。

应用范围广，操作简便，配套灵活新型制冷机有11种不同型号，装机容量从600千瓦到1565千瓦不等（分别为EWAD~CF 和 EWAD~CG系列），全部可以实现三重强度的调节，机器摆脱了对乙二醇的依赖，全部符合标准。由此应用范围十分广泛，可以在外部温度-18°C ～+40°C的范围内使用，同时可以提供-8°C ～+15°C的出水温度。该机采用了新型第三代微控技术更方便监控系统的各项参数，适于各种常规建筑管理系统。2

自然冷却设计1）大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。

2）最大限度地利用导热、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却技术。

3）尽可能地缩短传热路径，增大换热或导热面积。

4）应尽量将组件内产生的热量通过组件机箱和安装架散发出去。

5）减小安装时的接触热阻，元器件的排列有利于流体的对流换热。

6）采用散热电路板，热阻小的边缘导轨。

7）元器件的安装方向和安装方式应保证能最大限度地利用对流方式传递热量。元器件的安装方式应充分考虑到周围元器件等的热辐射影响，以保证每个元器件的温度都不超过其最大工作温度，并应避免过热点。

8）电路板组件之间的距离控制在19～21mm，且在振动环境下相邻板上的元器件及接插座、头之间不应干涉。

9）对靠近热源的对热敏感的元器件，应采取热隔离措施；增大机箱表面的黑度，增强辐射换热。

10）变压器自然冷却设计的关键是如何降低传热路径的热阻。应该采用较粗的导线，并使之与安装结构件之间有良好的热接触。安装表面应平整、光滑。接触界面处可加金属箔，以便减小其界面热阻。如果变压器有屏蔽罩，应尽可能使屏蔽罩与底座有良好的热连接。在外壳或铁心与机座之间装上铜带有助于增强导执能力。3

自然冷却应用如果气候条件是天气冷，湿度较小，自然冷却是冷却系统改造，唯一可取的办法，否则，后果将无法证明对自然冷却的投资是正确的。例如，如果外部空气相对比较冷，但很潮湿，这将需要一个必要的设备投资，把湿度降低到可以承受的极限，因此这将抵消因自然冷却而得到的成本节约。

对于相对较高温的环境条件，使用空气是可取的做法。这一原则后面的主要原因是，节水器的安装，相对较贵，因此，在相对炎热的地区，节水器的安装可能不完全合理。

另一个补充自然冷却的间接方法是，通过在一定程度上，提高数据中心内的温度，以减少冷负荷。据观察，大多数的数据中心是过冷的，如果温度高一点，还是可以的。毫无疑问，这将导致更有效地利用自然冷却。

相关拓展自然冷却天线

自然冷却方法依靠天线表面进行热辐射、热对流，用于天线功率热耗小、热流密度低或者工作时间很短的场合。

自然辐射冷却方法广泛用于星载有源相控阵天线的热控。考虑到复杂性和可靠性，当天线散热量及热流密度较低时，天线热控系统一般不用液冷或两相流系统，这时传导和辐射是最主要的热控方式。

传统的热控系统分为不具有自动调节能力的被动热控技术和能根据温度的要求主动改变换热特性参数的主动热控技术两种基本类型。对于轨道和姿态相对稳定的SAR天线来说，所处的热环境及工作模式都比较固定，也不用考虑来自人为干扰的不利因素。但大多数航天器都采用被动为主、主动为辅的热控模式，而其针对周期性外热流的变化也可依靠涂层、多层隔热材料等简单的被动热控技术实现。一种典型的星载SAR天线热控实现方案如图所示，其发热单机包括T/R组件、电源模块、波控单机等，天线通过表面辐射向深空辐射进行散热。

近年来，随着SAR天线技术的发展及实际需求，特别是天线威力及分辨率的提高使得其产生的阵面功耗及热流密度快速增大，已有热控技术已越来越不能满足使用要求。“自主热控技术”的设计理念成为了国内外的研究热点之一。自主热控汲取了航天器自主运行的思想，意味着热控系统不依赖外界的信息注入或者尽可能少地依赖外界干预，结合自身状态，合理进行智能控制行动，从而完成热控任务。4

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学