R6-02 自然冷却小时数与气候区选址

课程代码 R6-02 · 板块 R 算力中心与液冷 / R6 冷源、自然冷却与能效 时长 约 2.5~3.0 小时（6 讲） 适合对象 要做选址评估或全年能耗估算的系统岗与项目岗（主修）；要为方案出全年运行成本、写进可研报告的方案岗与商务岗（主修）；要评审别人交上来的「自然冷却小时数」报表的技术负责人（主修，可略读第 3 讲的脚本细节，直接用第 6 讲的评审十问）；机电顾问、总包与运维岗（选修，读第 1、4、5 讲即可）。 前置 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器（本课直接接着它的反推链往下走，⛔ 不重复推）；R5-03 逼近温度与换热器选型 逼近温度与换热器选型。⚠ 建议同时具备 R1-03 机房热环境等级与供液温度等级（ASHRAE A 级与 W 级） 机房热环境等级与供液温度等级 的基础。 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义。本课是统计口径课与决策权重课，不是取值手册——它教你把「这个地方一年有多少小时不用开压缩机」这个听起来只需要查一下的问题，还原成一串必须逐条声明的口径选择；再教你把这个数放回它该在的位置：它是选址评估里的一项，不是选址结论本身。⛔ 它不给任何地点的自然冷却小时数、任何地区的电价与气候数据，那些量由当地气象序列与你自己的设备要求共同决定，抄一个数就是把别人的边界条件搬进你的项目。

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你手上的事	直接看	还要配
拿到一份写着「本地自然冷却 X 小时」的报表，要判它可不可信	第 1 讲 1.5：六个必须声明的口径	第 6 讲 6.2：评审十问
要自己从气象数据统计一遍	第 3 讲 3.4：可以自己写的统计流程	第 2 讲 2.4：会静默改结果的数据坑
设备侧问「供液温度放宽两度值多少钱」	第 4 讲 4.1：时数—水温曲线的斜率	第 4 讲 4.5：这个价怎么报才站得住
要在两个候选地点之间给建议	第 5 讲 5.5~5.6：折算成同一种货币	第 5 讲 5.2：八项因素与各自的硬度
要估这个方案的全年冷却电费	第 3 讲 3.5：逐时累加而不是峰值乘时间	第 3 讲 3.6：结果给区间不给单值
老板说「北方冷，就选北方」，要判这句话缺了什么	第 5 讲 5.1：冷却只占总电耗的一块	第 5 讲 5.3：权重从哪来
项目所在地有能效硬性要求，要判方案还成不成立	第 5 讲 5.4：监管强度把冷却变成准入项	R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管 能效指标口径与监管本体
报表算出来的时数和别人做的差很多，要找差在哪	第 1 讲 1.2：三档还是两档	第 2 讲 2.2：单年、典型年还是多年
要给可研报告写选址结论并留痕	第 6 讲 6.3：哪些结论要写进设计基准	第 6 讲 6.1：交付物八样

⛔ 本课不覆盖 · 栏一（每样带去向）：冷却塔、干冷器与水侧经济器的设备机理、逼近温度的成因与选型判据 → R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器；能效与用水指标（PUE / WUE / ERF / REF）的口径定义、计量点与监管报告义务 → R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管；分配单元换热器那一环的逼近温度机理与换热面积权衡 → R5-03 逼近温度与换热器选型；分配单元形态与整机选型 → R5-01 CDU 形态与选型：液-液 / 液-气；供液温度等级与机房热环境等级的分级体系 → R1-03 机房热环境等级与供液温度等级（ASHRAE A 级与 W 级）；机柜功耗谱与热源特征 → R1-02 芯片到机柜的功耗谱与热源特征；风冷的密度上限与何时必须换液冷 → R1-04 风冷的物理上限：什么时候必须换液冷；冷板本体与二次侧均流 → R3-01 冷板结构与流道设计；混合系统里风侧与液侧的分账做法 → R3-03 混合系统：剩余风冷那一部分怎么设计；密度 × 供液温度 × 气候区的三因素选型决策 → R8-02 三因素选型决策：密度 × 供液温度 × 气候区；标准全景与各体系分别管什么 → R8-01 标准全景：ASHRAE / OCP / GB / EU 各管什么；湿空气物性、露点、干湿球换算与焓湿图的完整推导 → A2-04 湿空气物理与焓湿图：空调负荷计算基石；蒸气压缩循环本体与机组部分负荷能效曲线 → C1-01 汽车空调制冷系统原理与部件匹配；一维系统建模与逐时仿真的方法本体 → J1-01 1D 热管理仿真导论（KULI/AMESim/GT/Flowmaster）；成本模型、贴现与全生命周期核算方法 → M3-01 热管理成本结构与成本工程；标准法规体系与合规流程 → M4-01 热管理相关标准（GB/ISO/SAE）体系。

⛔ 本课不覆盖 · 栏二（真正不给的数）：① 任何地点的自然冷却小时数、任何气候区的温度分布数值——它们由当地逐时气象序列与你自己的目标水温共同决定，本课只给算法与口径，⛔ 不给结果，也⛔ 不给任何可以照抄的城市对照表；② 任何标准、规范或法规的条款内容、等级取值与限值——本课涉及的数据中心能效指标体系与各法域的能效准入要求只写「它管什么、在哪一步卡住你」，⛔ 未逐条核过原文，编号与版次一律以现行有效目录为准，本课不复述任何一条条款，也不给任何限值；③ 电价、水价、土地价格与电网接入费用——它们是项目的地方性商务与行政输入，不是工程量，且随时间与合同条件变化；④ 任何具体冷源产品的逼近温度、部分负荷效率曲线与耗电量——属主是 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 与 C1-01 汽车空调制冷系统原理与部件匹配，且必须向供应商索取带工况点的实测曲线。

⚠ 栏二之外的平台相关量（自然冷却比例、部分自然冷却档的时间份额、冷却系统电耗占设施总电耗的比例、冷源输配功率占比、气象数据的年际波动幅度、时数对目标水温的敏感度），本课照给典型区间与常见值锚点，逐条标注「⚠ 典型值、⛔ 不是验收依据，须实测确认」并写明拿到它的路。汇总表在 1.6。

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引言：这个数为什么两个人算出来会差一倍

一个新机房要做可研。方案岗去查了当地气象数据，回来说：「这个地方全年自然冷却 5200 小时。」另一个人拿同一份气象数据算，得出 7100 小时。第三个人拿了另一份数据，得出 4300 小时。

三个数都不是算错的。它们差在三个人回答的根本不是同一个问题：

• 第一个人算的是「冷源出水能独立满足目标水温的小时数」——完全不开压缩机；
• 第二个人把「冷源出水虽然达不到目标、但仍低于系统回水，压缩机只需补一段」的小时也算了进去；
• 第三个人用的是当地一个真实年份的实测数据，而那一年是个热年。

⇒ 「自然冷却小时数」不是一个从气象数据里读出来的数，它是一个由六项口径选择共同定义出来的数。口径不同，同一份数据能给出成倍的差异。而这六项选择，在绝大多数报表里一项都没写——报表上只有一个孤零零的数字和一个百分比。

这就是本课要解决的第一件事：让你能在看到一个时数之前，先问清楚它是怎么定义的；也让你在给出一个时数的时候，把定义一起交出去。

第二件事更容易被忽略。假设时数算对了，它到底能决定多少？

一份典型的选址评审会上，最响亮的论据往往是「A 地比 B 地自然冷却多两千小时」。这句话本身可能是对的，但它回答不了选址问题，因为：

• 自然冷却时数影响的只是冷却系统那一部分电耗，而冷却系统只占设施总电耗的一块；
• 两地的电价差可能在数量级上盖过这块电耗差；
• 电网容量、网络时延、水资源、土地与政策，每一项都可能是硬约束——硬约束不参与加权，它直接一票否决。

⇒ 把一个分项指标当成总账，是选址评估里代价最高的一类错误，因为选址是不可逆决策：设备可以换，方案可以改，地点一旦建成就锁定了整个运行期的成本结构与合规环境。

所以本课的形状是这样的：第 1~3 讲教你把这个数算对并说清楚，第 4 讲教你把它和设备要求绑在一起看，第 5~6 讲教你把它放回它该在的位置。

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第 1 讲　这个数到底是什么：口径先于统计

本讲的目标：让你能说出「自然冷却小时数」这个词背后有哪几个自由度，能把二值统计改成分档统计，并能定义一个可以横向比较的等效量。

1.1 一个「小时数」背后有六个自由度

先把式子写出来。基本统计式只有一行：

$$f_{\text{free}} = \frac{H_{\text{free}}}{8760}$$

其中 H_free 是满足条件的小时数，8760 是一年的小时数，f_free 是自然冷却比例。这个式子简单到不需要解释——它的全部难度都藏在「满足条件」四个字里。

要把「满足条件」变成一行可以在表格里写出来的判断，你必须先做完六个选择：

#	自由度	两端各是什么	不写明的后果
①	拿哪个气象量去比	干球温度 T_db / 湿球温度 T_wb	干冷器与冷却塔的结果不可比；同一地点两者可以差出很大一截
②	阈值怎么来的	从设备要求逐级反推 / 直接取一个「经验值」	反推链里每一段温差的取值不透明 ⇒ 结果不可复核
③	几档	二值（开 / 不开）/ 三档（全自然 / 部分 / 全机械）	二值口径系统性低估价值；把部分档整档计入则系统性高估
④	用哪一年的数据	某个真实年 / 典型年 / 多年逐年统计	单年结果带着那一年的天气运气，别的年份不成立
⑤	负荷当成常数还是变量	满负荷定阈值 / 按负荷分档各定各的阈值	满负荷阈值在低负荷时段过严 ⇒ 低估时数
⑥	报小时数还是报能耗	H_free 小时 / 年冷却电量 kWh	小时数不带权，两个时数相同的地点年电耗可以差很多

⇒ 这六项就是本课第 1~3 讲的骨架：本讲处理 ①③⑥，第 2 讲处理 ④，第 3 讲处理 ②⑤ 并把六项拼成一个可跑的流程。

⚠ 先说一句会贯穿全课的话：这六项没有「正确答案」，只有「必须写明」。不同的项目会因为不同的理由做出不同的选择——为可研做的粗算与为能效承诺做的核算，本来就该用不同的口径。⛔ 但只要不写明，任何两份报表就都不可比，而评审会上一定会拿它们互比。

1.2 三档而不是两档：H_free、H_part 与 H_mech

R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 在讲水侧经济器时已经点出这件事：实际运行里存在一个中间档——冷源出水温度做不到目标值，但比系统回水温度低，于是它仍然能把水预冷一段，压缩机只需要补上剩下那一段。这一档在很多气候区里占的时间份额相当可观。

本课把三档正式定义下来，全年小时数满足：

$$H_{\text{free}} + H_{\text{part}} + H_{\text{mech}} = 8760$$

三档的判据，用室外参照温度 T_ref（干冷器取干球 T_db，冷却塔取湿球 T_wb）来写：

档	判据	这一小时发生了什么
H_free	T_ref ≤ T_ref,max	冷源独立满足目标水温，压缩机停
H_part	T_ref,max < T_ref ≤ T_ref,eco	冷源预冷一段，压缩机补一段
H_mech	T_ref > T_ref,eco	冷源无预冷能力，压缩机全担

其中 T_ref,eco 是第二个阈值，对应「冷源出水恰好等于系统回水温度」——再高一点，冷源就不但不降温，反而会把水加热，这时经济器必须被旁通掉。

⚠ 第二个阈值 T_ref,eco 比第一个阈值 T_ref,max 更依赖系统设计，而不是更依赖气候。它由系统的回水温度决定，而回水温度由供液温度加上二次侧温升得到——也就是说，同一个地点、同一台冷源，把二次侧温差设计得大一点，T_ref,eco 就会往右挪，中间那一档就会变宽。这是一条容易被漏掉的设计杠杆：⇒ 二次侧温差不只影响流量与泵功，它还直接影响部分自然冷却档的宽度。

⛔ 这里有一个必须防的简化：把三档写成两档时，无论怎么合并都会引入系统性偏差。

• 合并成「H_free vs 其余」：报出的时数偏低，⇒ 会低估提高目标水温的价值，也会低估自然冷却方案本身的价值；
• 合并成「H_free + H_part vs H_mech」：报出的时数偏高，⇒ 会高估节能量，因为中间那一档并不省下全部压缩机电耗。

⇒ 两种做法都不是「错」，都是没有说明的近似。而近似一旦不说明，下游就会当成精确值用。

1.3 等效自然冷却小时数 H_eq：把三档折成一个可加的数

三档报表更准确，但它不方便比较：两个地点，一个绿段长黄段短，另一个绿段短黄段长，谁更好？

⇒ 本课引入一个可加的等效量。对第 i 个小时，定义自然冷却分担率 x_i：

$$x_i = \frac{\text{该小时由冷源承担的排热量}}{\text{该小时的总排热量}}, \qquad 0 \le x_i \le 1$$

于是：

$$H_{\text{eq}} = \sum_{i=1}^{8760} x_i$$

三档在这个定义下是 x_i 的三种取值区间：H_free 的小时 x_i = 1，H_mech 的小时 x_i = 0，H_part 的小时 0 < x_i < 1。⇒ 于是恒有：

$$H_{\text{free}} \le H_{\text{eq}} \le H_{\text{free}} + H_{\text{part}}$$

这个不等式就是「二值口径低估、宽口径高估」那句话的数学形式。它同时告诉你：如果一份报表给出的时数落在这个区间之外，那份报表一定有错——这是评审时可以当场用的一条硬判据。

⚠ x_i 怎么算，有两种口径，⛔ 必须写明用的是哪一种。

口径	x_i 的定义	好处	代价
热量口径	冷源承担的排热量 / 总排热量	只需要温度序列就能算，输入少	它不等于节省的电——压缩机的电耗与承担的热量不成正比（部分负荷效率会变）
电耗口径	（全机械制冷时的电耗 − 该小时实际电耗）/ 全机械制冷时的电耗	直接对应省下来的钱	需要压缩机的部分负荷效率曲线，输入多且要向供应商索取

⇒ 两者的关系可以说死一句：热量口径的 H_eq 通常比电耗口径的 H_eq 乐观，因为压缩机在低负荷率下效率下降，承担 30% 的热往往要花掉多于 30% 的满载电耗份额。⚠ 差多少取决于机组形式与调节方式，本课⛔ 不给数——机组部分负荷能效曲线的属主是 C1-01 汽车空调制冷系统原理与部件匹配，且必须向机组厂索取带工况点的实测曲线。

⇒ 可研阶段用热量口径够用（输入少、可自己算），但要在报表上标明它偏乐观；做能效承诺或算投资回收期时必须用电耗口径。

1.4 符号约定与跨课口径提醒（⛔ 这一节别跳）

本课与 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 是同一条链上的前后两环，符号直接沿用，⛔ 不另起。下面这张表把「哪些是沿用的、哪些是本课首次定义的」分开列清楚——这一区分在你跨课引用时很重要。

符号	含义	单位	来源与口径要点
T_db	室外干球温度	℃	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器；干冷器与风侧自然冷却的参照温度
T_wb	室外湿球温度	℃	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器；蒸发式冷源的参照温度，恒不高于 T_db
T_ref	室外参照温度	℃	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器；干冷器取 T_db，冷却塔取 T_wb，⛔ 一份统计里只能取一个
T_cs	冷源出水温度	℃	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 与 R5-03 逼近温度与换热器选型，同一断面（冷源出水）
T_cs,max	冷源出水温度上限（目标）	℃	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 4.1，由设备要求逐级反推得到
ΔT_ap,cs	冷源自身逼近温度	K	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器；干冷器写 ΔT_ap,dc，冷却塔写 ΔT_ap,ct
ΔT_app	分配单元换热器逼近温度	K	属主 R5-03 逼近温度与换热器选型；⚠ 本课⛔ 不使用裸符号，凡引用一律注明属主
T_ref,max	全自然冷却的参照温度阈值	℃	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器；T_ref,max = T_cs,max − ΔT_ap,cs
H_free	全自然冷却小时数	h	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 的名字与含义（压缩机完全停机的小时数）
T_ref,eco	部分自然冷却的上边界阈值	℃	本课首次定义：对应「冷源出水恰好等于系统回水温度」
H_part	部分自然冷却小时数	h	本课首次定义：落在两个阈值之间的小时数
H_mech	全机械制冷小时数	h	本课首次定义；三者之和恒为 8760
x_i	第 i 小时的自然冷却分担率	—	本课首次定义，0 ≤ x_i ≤ 1；⚠ 热量口径与电耗口径两种，必须写明
H_eq	等效自然冷却小时数	h	本课首次定义，H_eq = Σ x_i；⚠ 它带口径，⛔ 不同口径的 H_eq 不可互比
f_free	自然冷却比例	—	本课首次定义，= H_free / 8760；⚠ 分子用哪个 H 必须写明
E_cool	年冷却系统电耗	kWh	本课首次定义；含冷源风机、循环泵与压缩机，⛔ 不含 IT 设备与供配电损耗
Q_rej	设施要经冷源排到大气的总热量	W 或 kW	沿用 R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器；⛔ 大于 R3-03 混合系统：剩余风冷那一部分怎么设计 的 Q_总，更大于 R9-01 NVIDIA 机柜级参考架构解构：GB200 NVL72 与 MGX 的冷却约束 的 P_rack

⚠⚠ 三条跨课口径提醒，⛔ 别跳过：

第一，f_free 这个「比例」与本课程体系里另外几个「份额」不是一回事。R3-03 混合系统：剩余风冷那一部分怎么设计 定义的液冷份额是热量的份额（液侧带走的热除以总热），R9-01 NVIDIA 机柜级参考架构解构：GB200 NVL72 与 MGX 的冷却约束 的机柜级份额分母是单机柜 IT 功率；而本课的 f_free 是时间的份额（小时数除以 8760）。三者都无量纲、都在 0 到 1 之间、都可能被口头说成「百分之多少」，⇒ 放在同一张表里时必须写全称，⛔ 不能只写一个百分数。一个具体的后果：某地 f_free ＝ 70% ⛔ 不代表冷却电耗省下 70%，因为剩下那 30% 的小时恰恰是最热、压缩机最费电的小时——时间份额与能量份额在这里是系统性错位的，且错的方向固定：⇒ 用时间份额去估能量节省，恒偏乐观。

第二，本课的 E_cool 与 R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管 的能效指标分母不是同一个口径。能效指标的分子分母包含哪些计量点，由所依据的规范写死（含不含办公照明、含不含变电损耗，不同规范答案不同）；而本课的 E_cool 是一个工程量，只含冷却系统自身的电耗，用于做方案之间的相对比较。⇒ E_cool 可以拿来比两个方案，⛔ 不能直接拿去填能效指标的报表，那一层的口径属主是 R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管。

第三，「逼近温度」在本课程体系里被用在两个不同的设备上，R6-01 一次侧冷源：冷却塔、干冷器与水侧经济器 1.4 已经把这件事写透：冷源那一环（一边是空气）与分配单元那一环（两边都是液体）量级不同、⛔ 不可互代。本课凡写 ΔT_ap,cs 一律指冷源那一环；本课的阈值反推链只用得到冷源那一环，⛔ 不使用裸符号 ΔT_app。

1.5 六个必须写在报表旁边的口径声明

把 1.1 的六个自由度变成可以直接抄进报表的六行声明。⇒ 这六行是本课最实用的产出之一，评审时缺任何一行都可以当场退回。

1. 参照量：本统计用的是干球温度 / 湿球温度（二选一），对应的冷源形式是 ______。
2. 阈值与来源：T_ref,max ＝ ______ ℃，由 T_cs,max ＝ ______ ℃ 减去 ΔT_ap,cs ＝ ______ K 得到；T_cs,max 的反推链逐段列在附表（每段温差的取值、来源与是否为实测）。
3. 分档：本统计报的是 H_free / H_eq / H_free + H_part（三选一）；若报 H_eq，其 x_i 用的是热量口径 / 电耗口径（二选一）。
4. 数据来源与年份：数据集名称 ______，年份或典型年构造方式 ______，缺测行数 ______ 及其处理方式 ______。
5. 负荷假设：本统计按满负荷定阈值 / 按 ______ 个负荷档分别定阈值（二选一）；负荷曲线来源 ______。
6. 结果形态：本统计给出的是单值 / 区间（二选一）；若为区间，区间由 ______ 得到（年际波动、输入敏感性或两者）。

⚠ 第 6 行值得单独说一句：一个不带区间的时数，在工程上是一个假精确。它的输入里至少有三个量本身就是区间（逼近温度、气象年际波动、负荷曲线），⇒ 输出不可能比输入更确定。第 3 讲 3.6 会给出把区间算出来的做法。

1.6 平台相关量汇总表（⚠ 全部是典型值，⛔ 不是验收依据）

下面这些量，本课照给区间与常见锚点，但它们全部随地点、设备与运行策略变化。⚠ 每一条都是典型值、⛔ 不是验收依据，须用你自己的数据实算或向供应商索取工况点下的实测数据确认。

量	典型区间	常见锚点	拿到它的路
自然冷却比例 f_free	⛔ 本课不给——它由当地逐时气象与你自己的目标水温共同决定，同一地点换一度目标温度就能显著改变	—	取当地典型年逐时数据自己统计，做法在第 3 讲 3.4
部分自然冷却档 H_part 占全年的份额	约 5%~25%	约 10%~15%	⚠ 它由两个阈值的间距决定，而间距由系统回水温度定 ⇒ 必须用你自己的二次侧温差算，⛔ 别引用别人项目的数
冷却系统电耗占设施总电耗的比例	约 15%~40%	约 25%	由方案自己算：压缩机 + 冷源风机 + 各级水泵，逐项累加；⚠ 与能效指标的分母口径强相关，属主 R6-03 能效指标体系：PUE / WUE / ERF / REF 的口径与监管
冷源侧输配（风机与泵）占冷却系统电耗的比例	约 20%~50%	约 30%	逐台设备的额定功率与运行小时数累加；⚠ 自然冷却时段越长，这一比例越高——因为压缩机停了，分母变小
逐时气象数据的年际波动（同一阈值下时数的逐年差）	约 ±3%~±10%（相对值）	约 ±5%	取该地点连续多年（不少于十年）逐时数据，逐年统计一遍看散布；⛔ 别用单年数据推断波动
时数对目标水温的敏感度	⛔ 不给单一锚点——它是曲线的局部斜率，随所处的温度段变化极大，可以相差数倍	—	用你自己的温频分布算：把阈值上下各挪 1 K 重统计一遍，做法在第 3 讲 3.6
时数对逼近温度的敏感度	⛔ 同上——它与上一行是同一条曲线的同一段斜率（阈值 ＝ 目标水温 − 逼近温度）	—	⚠ 这意味着「设备放宽 1 K」与「冷源逼近温度改善 1 K」在时数上等价，可以互相折算

⇒ 用法只有两条：可行性阶段用它们粗排方案、判一份报表合不合常理；⛔ 不可用于确定设备容量、写进技术协议当验收指标、或作为能效承诺与投资回收期计算的依据。