“双碳”目标下实现绿色数据中心 冷却关键技术路径的探讨
随着信息技术的高速发展，数据应用需求呈现出爆发式增长，进而带动了新一代数据中心基础设施建设进入加速期，这也势必需要消耗更多的能源在数据中心的建设之中。据中国信息通信研究院统计，2019 年中国数据中心的耗电规模在700多亿kWh，占全国耗电规模的近1%。而在数据中心节能降耗方面目前从制冷空调部分着手是最有效的手段之一，因此，探求高COP值、低PUE值的制冷方式为数据中心进行降温，是当下我国数据中心绿色、低碳发展的时代背景下，推进数据中心绿色、低碳发展以及实现可持续发展的重要研究方向。
1 数据中心发展趋势
1.1 数据中心规模及能耗趋势
随着经济的发展，中国的数据总量将会持续增长，如图1所示。赛迪顾问股份有限公司（以下简称赛迪顾问）认为，2030 年中国数据总量将超过4 YB，占全球数据量30%。为储存和运算处理这些数据，考虑到IT技术自身的发展，初步估计2030年中国数据中心的总规模将是2019年规模的2~3倍。由此带来的总能源消耗量预计将在2019年基础上翻一番，占社会总用电量的1.5%~2%。
图1 中国数据规模增长预测（来源：赛迪顾问）
近两年来，新冠疫情防控期间，全国各地的政府和企事业单位大量使用远程办公、线上教育、线上购物、线上商务往来等措施，这使得中国互联网数据中心（Internet Data Center，以下简称IDC）业务市场规模保持稳定增长态势（图2）。2020年中国IDC业务的总体营收已达1 494.2亿元。未来，国内IDC行业仍将保持30%以上的年复合增长率。
图2 2019—2022年中国IDC业务市场规模及预测（来源：中国信息通信研究院）
作为国家网络信息技术产业发展的基础设施，数据中心在发挥巨大社会发展责任的同时其能耗也备受关注，根据中国电子节能技术协会数据中心节能技术委员会（GDCT）对数据中心行业的调研（图3），2019年的数据中心耗电量达到1 452.2亿kWh，每年的能源消耗增长率不低于9%。巨大的耗电量和增长率与我国节能减排政策不匹配。与欧美发达国家数据中心平均电能利用效率PUE有较大差距，能源利用效率急需快速提升。
图3 2015—2019 年中国数据中心耗电量
在绿色、低碳发展的时代背景下，推进数据中心绿色、低碳发展，是数据中心行业未来快速发展的重要研究方向。
1.2 数据中心节能政策趋势
2012年中国开始了绿色数据中心建设的倡导，工业和信息化部发布《工业节能“十二五”规划》，工业和信息化部节能司第一次提出绿色数据中心。国家以及地方政策重点核心内容如图4所示。
图4 国家及各地方数据中心绿色发展及建设的指导性意见以及政策要求
2 绿色数据中心建设中的绿色能源
2.1 能源输入侧的绿色化
数据中心的能耗一般为电力消耗，数据中心对供电等级要求较高，除了两路市电接入、不间断电源、后备电池以外，还需配置柴油发电机作为备用电源，发电机如开启会直接产生大量的温室气体排放。所以，数据中心供电的绿色化、低碳化是数据中心供能侧的可持续发展的必然要求。首先应倡导在数据中心建设发展中，统筹考虑将光伏发电、风能发电、水力发电、核能发电以及氢能发电等绿色可持续发电以及供电方式纳入数据中心供电侧的绿色发展；二是出台数据中心建设供能侧再生能源使用量的认定的相应的政策或者法规要求；三是将数据中心应用可再生能源利用率纳入数据中心碳减排考核体系。这样一来将促使数据中心在功能侧的绿色、低碳化发展。
2.2 能源利用侧的绿色化
数据中心的耗能部分主要包括IT设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其他设施等，其能耗分布如图5所示。其中，由IT设备系统所产生的功耗约占数据中心总能耗的45%，空调系统占数据中心总能耗的40%，电源和照明系统分别占数据中心总耗电量的10%和5%。我国数据中心技术节能潜力的分析结果表明：IT设备系统的综合技术节能潜力为11%～39%，平均为29%；空调系统的节能潜力为4%～69%，平均为36%；配电系统的综合节能潜力为8%～27%，平均为18%。可见，空调系统仍是数据中心提高能源效率的重点环节。
图5 数据中心能耗组成占比分析
然而，随着云计算以及虚拟化的进一步发展，数据中心的单体建设规模将继续增大，不管是局部散热，还是整体散热，传统的风冷、水冷等技术均无法满足绿色、低碳发展的要求。因此，大力发展数据中心用能侧的绿色化发展应重点集中在大力推广高效的自然冷却关键技术推进绿色数据中心优化升级。那么在自然冷却中间接蒸发冷却技术、液冷技术、氟泵技术等关键冷却技术在数据中心自然冷却发展中得到了行业的广泛认可。在工业和信息化部印发《绿色数据中心先进适用技术产品目录》中连续两年（2019年、2020年）都将蒸发冷却技术作为绿色数据中心先进适用技术。这些关键制冷技术将更好地推动数据中心的绿色、高效的用能、节能。
3 “干空气能”助力数据中心绿色冷却
“干空气能”即是因为干燥空气可以容纳更多水蒸气，而水蒸发成气体会吸收热量同时降低空气的温度，所以干空气在由干变潮湿的过程中能吸收空气中的显热能量，这种能量即是空气所具备的干空气能。早在2007年我国新能源开发利用“干空气能”用于蒸发冷却空调制冷，取得重大突破。蒸发冷却空调技术在我国新疆、西藏、青海、宁夏、甘肃、内蒙古、陕西、云南等干燥地区得到广泛应用，该技术也成为干燥地区国家倡导的制冷空调技术。
对于数据中心而言，其冷却温度要求并不像其他场所要求送风温度或者环境温度在较低的温度。美国供热、制冷与空调工程师学会（ASHREA）早在2008就将推荐IT设备入口空气温度的上限值从25 ℃提高到27 ℃。而ASHREA 2015设计手册中又给出了A1~A4分级推荐和允许环境参数分布图，图6为其给出的分级推荐和允许环境参数分布图。
图6 ASHRAE设计手册推荐机柜进风温度、湿度范围
我国新的国家标准GB 50174—2017《数据中心设计规范》中将机房热湿环境要求改为：冷通道或机柜进风区域的温度为18 ℃~27 ℃，露点温度为5.5 ℃~15 ℃，同时相对湿度不大于60%；当IT设备对环境温度和相对湿度可以放宽要求时，机房冷通道或机房进风区域的温度允许扩大到15 ℃~32 ℃。所以对于数据中心而言，其降温需求与利用高效、绿色的自然蒸发冷却制冷空调系统可制取的冷风或者冷水有着很好的匹配度。
2021年5月，国家发展和改革委员会等四部门联合印发了《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》（发改高技〔2021〕709号），明确提出启动实施“东数西算”工程，构建国家算力网络体系。“东数西算”不仅是数据中心实现碳中和的优质选择同时也能高效缓解我国资源和发展之间的矛盾，也将促使“干空气能”富集区的西北地区数据中心产业的绿色低碳发展得到进一步提升。
早在2013年1月，工业和信息化部等五部门联合发布了《关于数据中心建设布局的指导意见》，根据气候等因素、能源富集程度和地质灾害将我国地区主要分为三大类地区（表1）。
表1 数据中心建设布局三类地区划分
在一、二类地区或城市建设数据中心将有利于蒸发冷却技术等（自然冷源降温技术）的利用，这些地区冬季寒冷且持续时间长，夏季环境空气炎热干燥，空气自身干球-湿球温差较大，特别适合蒸发冷却技术的应用，用蒸发冷却技术与数据中心自然冷却技术相结合，能够有效地延长自然冷却运行的时间，从而实现最大限度地降低数据中心冷却系统的能源消耗。最大限度地降低数据中心的运营成本。数据中心自然蒸发冷却技术应用形式分类如图7所示。
图7 数据中心自然冷却技术分类
3.1 数据中心风侧蒸发冷却
3.1.1 数据中心直接蒸发冷却技术及应用
3.1.1.1 直接蒸发冷却技术原理
数据中心风侧直接蒸发冷却系统如图8所示，即送入数据中心的室外空气先与水通过直接蒸发冷却填料进行直接接触，因水的蒸发吸收汽化潜热而使空气的温度下降，低温空气用于数据中心的冷却。充分利用外部空气，在夏季，该装置可通过直接蒸发冷却将数据中心的空气加湿和冷却，而在冬季，该装置采用一部分的机房回风来确保对送风湿度的控制，同时不会存在凝结水，对机房的服务器造成影响。
图8 数据中心风侧直接蒸发冷却系统
3.1.1.2 应用案例
目前国际上采用喷淋式直接蒸发冷却方式最著名的是Facebook在美国普林维尔建造的大数据中心，该数据中心使用喷雾式蒸发冷却器的风侧自然冷却实现了很好的节能效果。中国宁夏中卫西部云基地亚马逊云计算数据中心。当地冬寒夏凉，全年年平均气温在7.3 ℃~9.5 ℃之间的外界空气冷源，在数据中心冷却系统中采用了直接空气侧自然冷却如图9所示，该系统将蒸发冷却装置与数据中心建筑结构紧密结合，其直接蒸发冷却湿帘墙如图10所示，在室外气象条件变化时切换不同的运行模式，此系统与传统大型数据中心制冷方案相比，全年节能率超过60%，年平均PUE为1.25。在国内还有宁算科技集团拉萨数据中心A栋右分段也采用新风直接蒸发冷却机组40台（图11）。其中，新风直接蒸发冷却可全年工作在完全自然冷却模式，不需补充机械制冷，从而实现了最大程度地节能。
图9 宁夏中卫亚马逊云计算数据中心直接空气侧自然冷却
图10 直接蒸发冷却湿帘墙
图11 宁算科技集团拉萨数据中心直接蒸发冷却空调设备
3.1.2 数据中心间接蒸发冷却技术原理及应用
3.1.2.1 风侧间接蒸发冷却技术原理
由于大部分地区室外空气质量不能达到数据中心进风洁净度的要求，所以直接将室外新风引入数据中心，并不能达到相应的洁净要求。因此，为了降低数据中心的能耗同时可更大的限度地利用自然冷源，间接蒸发自然冷却技术因此成为数据中心减碳节能的首选技术。图12为典型的数据中心风侧间接蒸发自然冷却系统示意图。间接蒸发自然冷却系统有3种工作模式，其运行状态如图13所示，分别为：干模式（冷却器空气/空气换热）、湿模式（风侧间接蒸发冷却）、耦合模式（风侧间接蒸发冷却+机械制冷）。根据室外环境参数全年的动态变化，3种工作模式依次动态切换，为数据中心热环境提供保障。
图12 数据中心间接蒸发冷却空调系统技术框架
图13 数据中心风侧间接蒸发冷却示意图
3.1.2.2 数据中心应用案例
某企业临沂大数据中心位于山东省临沂市沃尔沃路与合肥路交会处沂蒙云谷内，如图14所示，该项目占地约63 333.33m2，总建筑面积13 315 m2，设有标准化模块机房6所，可承载服务器机柜1 000台、服务器1万余个，该项目规模一期300个机柜，其中低密区4 kW/柜，高密区8 kW/柜，共使用10套风侧间接蒸发冷却空调，3个月完成所有部件安装，缩短50%的建设周期，数据中心年省电费11.3%，是某企业全球首例采用间接蒸发冷却技术的数据中心，PUE值低于1.25。
图14 华为临沂大数据中心
内蒙古自治区乌兰察布市与某企业合作建设的乌兰察布云数据中心（图15），致力打造成华北大区云计算产业支撑中心、全国乃至全球云服务业务承接中心、全国云服务业务备份中心。该项目一期8 MW，共1 056个机柜。由5层共368个预制模块箱体堆叠，其中2~5层应用间接蒸发冷却解决方案制冷，下送风至机房内，模块内采用密闭热通道方案，通过吊顶回风，温度设计在37℃。每层采用14套某品牌FusionCol8000-E220间接蒸发冷却产品，共计56套，15 d所有设备就位，4个月完成全部安装，缩短建设周期50%，年均PUE低至1.15，数据中心年省电费12.2%。数据中心应用该技术产品后每年节省用电491万kWh，减排4 724吨二氧化碳。
图15 乌兰察布某数据中心应用间接蒸发冷却技术案例
3 “干空气能”助力数据中心绿色冷却
3.2 数据中心水侧蒸发冷却
3.2.1 水侧蒸发冷却技术原理
由于风的载冷量远小于水，水侧蒸发自然冷却系统因此成为数据中心制冷空调系统的重点研究对象。对于间接蒸发冷却冷水机组，其技术关键在于空气和水直接接触进行蒸发冷却过程之前，先对空气进行间接预冷等湿降温从而使得进风有更低的湿球温度进而制取温度更低的冷水。间接蒸发冷却冷水机组所产生的冷水的极限温度为空气的露点温度。间接蒸发冷却冷水机组一般由高温表冷段、间接蒸发冷却预冷段与淋水填料段3段构成如图16所示，焓湿图如图17所示。
图16 间接蒸发冷却冷水机组示意图
图17 间接蒸发冷却冷水机组空气与水的处理过程焓湿图
3.2.2 应用案例
新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市联通数据中心采用了自然蒸发冷却空调系统，用直接蒸发冷却技术、间接蒸发冷却技术及乙二醇自然冷却技术，实现蒸发冷却空气—水空调系统在数据中心机房空调系统领域中的首次应用（图18），并实现全年100%自然冷却。
图18 新疆乌鲁木齐市联通数据中心
当室外干球温度低于3 ℃时，该系统为干运行模式，如图19（a）所示。此时空调系统通过表冷器内的防冻冷却介质（例如乙二醇）与室外温度较低的空气换热，为进行排热。当室外环境温度高于3 ℃时，单靠乙二醇表冷换热已经无法保证数据中心的有效散热，于是间接蒸发冷却冷水机组开始工作，空调系统切换到湿运行模式，利用间接蒸发冷却冷水机组制取的冷水通过板式换热器为数据中心排热，如图19（b）所示。当室外环境温度继续升高，环境湿球温度高于18 ℃时，此时该系统开启水侧、风侧复合蒸发冷却运行模式，如图19（c）所示。间接蒸发冷却冷水机组的表冷预冷与立管间接预冷段都开启，将制取的冷风供给新风机组进风预冷表冷器，新风经等湿降温后再由后面直接蒸发冷却实现等焓降温最终送入数据中心吸收热量后排出。实测表明，冷水机组、新风机组的耗水量分别为0.34 m3/h、0.06 m3/h，该系统SCOP为16.64、COP为6.65，该数据中心全年理论PUE为1.285，相比机房空调系统常用的两种制冷方式全年最大节能率为73%。
图19 新型数据中心水侧间接蒸发冷却系统示意图
3.3 数据中心氟利昂侧蒸发冷却
3.3.1 技术原理
蒸发式冷凝器将冷却塔和冷凝器“合二为一”，以空气和水作为冷却介质，工作时，启动水泵和风机。此时水箱中的水经过水泵的抽吸作用通过喷嘴喷出，淋在换热盘管表面，形成均匀的水膜；空气由进风口进入，由于风机作用，强迫掠过盘管表面后排出。空气在盘管表面与水膜接触，水膜和空气在温度差和水蒸气分压力差的共同作用下进行热质交换，发生直接蒸发冷却过程，水膜表面温度被降低，然后通过换热盘管的导热作用，冷却管内介质，使高温高压的制冷剂蒸汽冷凝成低温的制冷剂液体。冷凝热被管外侧空气通过风机排到外界。
图20 蒸发冷凝器示意图
3.3.2 应用案例
某公司天津空港数据中心园区3#数据中心的制冷方案采用了全变频风冷氟泵直膨的方案，如图21所示。并且冷凝器采用集中式蒸发冷凝器，一共10台集中机组布置在屋面，每台集中机组供冷能力为720 kW，分为10+2台独立的小机组，整体供冷能力达到7 200 kW，即主用6 000 kW+备用1 200 kW，可根据IT负荷以及气候情况灵活调整。空调设备的不间断供冷采用UPS作为备用电源。在夏季炎热季节进行喷雾降温，提高效率。喷淋使冷凝温度降低6 ℃，可有效避免送回风风温度降低了短路造成的热岛效应，同时提高机组能效。
图21 某公司天津空港数据中心园区3#数据中心集中式蒸发冷凝解决方案
4 多技术结合下的数据中心冷却技术
4.1 蒸发冷却技术与余热回收技术的结合
随着国家发展的数字化转型，数据中心建设数量和规模将呈指数型增长，但数据中心只要运行，其必然是一个连续发热的场所，而为了保证数据中心中服务器的正常运行我们需要给其匹配安全可靠的、高效的制冷空调系统。这势必导致数据中心能耗较高的这一弊病。所以，如果能利用热回收技术将数据中心这些热量加以利用那么数据中心的碳排放将会明显降低。目前，已有相关政策、标准规范对数据中心余热回收利用提出来了要求，例如相关国家标准提出数据中心空调系统设计时，应对自然冷却和余热回收的经济效益分别进行计算，并应采用经济效益最大的节能设计方案。例如在西藏、新疆、甘肃等西北地区，因为气候干燥且因为以上地区含有地处高原地区，其全年有超过50%的时间其气温处于20 ℃以下。但在冬季时这些地区多数建筑及生产生活场所都需要供热。那么在“东数西算”的大的发展背景下，西部地区数据中心的建设与发展将走上快车道，所以结合这些地区的气候特点以及各行各业协同绿色发展将数据中心的余热利用空气源热泵技术以及蒸发冷却技术相结合的方式打造出近零碳数据中心建设新思路，如图22、图23所示分别为数据中心蒸发冷却+热回收技术架构图与应用效果图。
图22 数据中心蒸发冷却+热回收技术架构图
图23 数据中心蒸发冷却+热回收技术应用效果图
4.2 蒸发冷却技术与液冷技术的结合
很多主流的互联网公司的数据中心单机柜功率密度已有8 kW左右，高性能计算中心单机柜功率密度在30 kW～50 kW范围内。随着单机柜功率密度不断快速增长，数据中心服务器的冷却方式将更加贴近服务器本身。进而引进液冷技术在内循环侧将芯片级热量由特制的液冷冷板带出服务器经换热单元将热量送给外循环，而外循环的散热设备通常则为冷却塔或者间接蒸发冷却冷水机组，如图24所示。由于冷却塔内发生的是直接蒸发冷却过程出水温度在进口空气湿球温度之上。而间接预冷式蒸发冷却冷水机组通过预冷段对进口空气进行预冷，可使出水温度达到进口空气湿球温度以下。夏季极端热湿气象条件下冷却塔出水温度有局限，不能满足液冷散热的需求，无法保证数据中心全年安全运行。所以在不同地区不同的气候环境下保证数据中心绝对安全的情况下应选择合理的液冷外循环散热方式。
图24 数据中心液冷技术+蒸发冷却散热结构
5 展望与总结
1） 国家2030碳达峰和2060碳中和的目标的提出，自然冷却解决方案将是绿色数据中心的必然选择。在合适的气象环境以及资源环境下尽可能使用高效的、绿色的制冷空调空调系统。目前在数据中心中蒸发冷却空调的系统的风侧蒸发冷却空调系统、水侧蒸发冷却空调系统以及氟利昂侧蒸发冷凝散热空调系统的应用已经趋于成熟化。对于数据中心不同的蒸发冷却空调系统形式，应当综合考虑其应用条件和场景，实现数据中心空调系统最大程度的利用可再生能源-干空气能，从而降低数据中心空调系统的能耗。
2） 随着数据中心热流密度的进一步升级，有效地将自然冷却技术与液冷技术、背板热管等可靠近散热芯片段的制冷技术相结合，形成内外循环互补、高效梯级用能使得“干空气能”等可再生能源更好地迎合数据中心高速发展、快速建设的需求。同时在“东数西算”的背景下应尽可能地将数据中心的热量进行热回收用于生活生产，实现高效集约、节能低碳化可持续发展打造真正的零碳数据中心。
来源：网络
本文标题：“双碳”目标下实现绿色数据中心 冷却关键技术路径的探讨
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