随着信息技术的迅猛发展，数据中心已成为现代社会运行"不可或缺的重要基石"（Tupper,2012）。这些数字基础设施承担着海量数据的存储、处理与传输任务，支撑着云计算、大数据、人工智能等前沿技术的广泛应用（Oróetal.,2015a;2015b）。然而，随着数据中心规模的持续扩大与计算能力的不断提升，能耗问题日益凸显，成为制约数据中心可持续发展的核心因素之一（Lui,2010;Zhouetal.,2011）。在数据中心的能耗构成中，空调系统占据相当大的比例（DaraghmehandWang,2017）——数据中心内大量服务器与电子设备运行时会产生巨额热量，若无法及时有效排出，将导致设备过热、性能下降甚至损坏（Patankar,2010）。因此，空调系统的性能直接关系到数据中心的稳定运行与能效水平。
　　
　　一、传统空冷技术的应用现状与瓶颈
　　
　　作为此前应用最广泛的冷却方式，空冷空调凭借良好的性能与经济性占据市场主流（QuirkandPatterson,2010）。早期从双极技术向半导体的转型中，功耗降低一个数量级的特性使空冷成为当时最具成本效益的散热方案（NiandBai,2017）。数据中心机房目前主要采用的卡式机房空调（CRAC）机组，通过将冷空气输送至IT设备入口，利用对流换热实现机架内各组件的散热（Lietal.,2022）。根据ASHRAE设计标准，CRAC送风温度范围为12.8-15.6°C（DesignASHRAE,2009），机房内回风温度通常设定为24°C（Sorell,2008）。
　　
　　空冷技术具有可靠性高、初始成本低、维护成本低等显著优势（中国工程建设标准化协会；Daietal.,2012），但其局限性也随算力提升日益明显：冬季室外低温环境下，压缩机仍需启动制冷，无法高效利用自然冷源（IntelInformationTechnology,2008），导致实际空调能效偏低、能耗高企；夏季高温时，冷凝器换热能力不足使压缩机模式效率大幅下降（Yanetal.,2015;SGandAV,2007;Kim,2007）。如何在低温环境下提高自然冷源利用率、在高温环境下增强冷凝器与外界的换热效率，成为全球研究者关注的焦点。
　　
　　二、自然冷源利用与高温环境优化的探索
　　
　　早期冬季高效冷却的常见方案是引入室外自然冷源：通过在系统中串联液泵，利用制冷剂将室外冷源热量转移至室内完成换热。实验表明，该方案较单纯压缩机系统可降低50%的输入功率（Silketal.,2008）。Gang等人设计的新型空气-水换热器（AWHE），通过表面带锯齿翅片的微热管阵列（MHPA）强化传热，在不同进水温度、水流量和空气流量下的测试显示，该换热器最高效率达81.4%，较原有系统节电28.3%（IntelInformationTechnology,2008）。
　　
　　针对高温工况，Wang等学者总结近年空冷散热器性能提升研究指出，尽管可靠性与易实施性使空冷仍是电子散热设计的主流方案（Luetal.,2021），Jing等通过空冷、液冷与芯片级两相冷却的对比研究也认为空冷仍具高吸引力（Wang,2008），但全年高温地区冷凝器高温环境下换热能力不足的问题亟待解决。Yang等提出将喷雾蒸发冷却系统与空调机组空冷冷凝器耦合（Jingetal.,2020），实验显示高温下该系统可降低空调功耗22%，能效比（COP）提升约42.6%；Chen等为超级计算机中心设计的喷雾冷却系统更实现49%的节能率，制冷功耗降至系统总能耗的16%（Yangetal.,2021）；Hajidavalloo等研发的窗式冷凝器蒸发冷却新设计，使系统能耗降低约16%，性能系数提升55%（Chenetal.,2017）。
　　
　　三、蒸发冷却技术的发展与挑战
　　
　　尽管单纯空冷散热成本低廉，但随计算负载与外界环境变化，其局限性日益显著（Hajidavalloo,2007）。以水蒸发吸热为核心的蒸发冷却技术因其高效节能特性广受关注（Yangetal.,2021;IntelInformationTechnology,2015），较传统空冷系统具有更高能效比与更低能耗（Huang,2016），其在数据中心的应用已形成空气侧、水侧、氟侧蒸发冷却空调系统，可将数据中心年PUE降至1.25以下，极具推广价值（Huang,2016）。Shahram等对比间接蒸发冷却与传统机械制冷系统的实验表明，前者可降低75%冷负荷与55%功耗（ChuaandHuang,2023）；Han等构建的蒸发冷却耦合空调系统数学模型显示，当系统PUE低于1.40时，该系统在不同气候条件下均具节能优势（Delfanietal.,2010）。
　　
　　然而，该技术仍面临双重挑战：一方面，温湿度等环境因素显著影响其冷却效果与能耗（Hanetal.,2021），优化不同环境下的性能成为当务之急；另一方面，设备可靠性、维护成本及与其他系统的兼容性等实际应用问题亟待解决（AmericanSocietyofHeating,2004）。例如小型数据中心或基站空调可能面临冷却能力冗余（Shenetal.,2019），同时该技术应用伴随大量水消耗，节水策略亦成为研究重点（Xiang,2016）。总体而言，蒸发冷却技术在数据中心空调系统中的应用仍需进一步优化、研究与评估（IntelInformationTechnology,2015;PirouzandMaiolo,2018）。
　　
　　四、复合冷却系统的研究进展
　　
　　在此背景下，融合不同冷却技术优势以应对复杂多变运行环境的复合空调系统概念逐渐进入研究视野（Azevedoetal.,2011）。数据中心领域研究者正尝试通过空冷、液冷、蒸发冷却等多技术融合实现更高效散热与更低能耗。
　　
　　Cui等提出的热管与蒸汽压缩耦合空调制冷系统测试显示，在室外日平均温度24-28°C、28-32°C、32-36°C、36-40°C区间，耦合制冷机组节能率分别达71.9%、67.7%、39.5%、6.9%（Zhangetal.,2015）；Zhang等构建的机械制冷与热虹吸集成系统（ISMT）实验表明，当室外温度低于19°C、风速超过0.5m³/s时，双模式运行可显著提升冷却效率（Cuietal.,2023）；Kumar等研发的窗式空调与直接蒸发冷却复合系统，在高温干燥地区实测4月最大节能7.39%、3月最小节能5.18%，系统投资回收期仅3.76年（Zhangetal.,2015）。但现有研究多聚焦高温环境下的换热效率提升，对低温环境下自然冷源高效利用的复合系统研究尚显不足——夏季强化冷凝器传热、冬季高效利用室外自然冷源，仍是当前数据中心空调研究的两大核心方向（AmratKumaretal.,2018）。
　　
　　五、空冷-蒸发冷却耦合系统的创新与实验验证
　　
　　鉴于此，本研究提出一种空冷与蒸发冷却耦合的数据中心空调系统（ACEC-AC），通过分析其在不同室外工况下的工作模式与性能系数，对比干冷模式、干湿复合模式与传统CRAC的性能差异。实验表明，该系统融合空冷与蒸发冷却技术优势：高温环境下通过蒸发冷却提升传热效率，低温环境下高效利用室外自然冷源，尤其在干湿球温差较大地区可充分利用干燥空气能量实现冷却，较传统蒸发冷却更节水。
　　
　　这项创新突破了传统空冷与蒸发冷却系统的单一局限，为提升数据中心能效水平、降低能耗与运营成本提供了新路径，有望为数据中心空调系统的发展提供兼具技术创新性与工程实用性的解决方案。未来研究将进一步聚焦复合系统在复杂气候条件下的长期运行可靠性、多能互补策略优化及全生命周期成本分析，推动该技术从实验室走向大规模工程应用。
　　
　　编辑：Harris