新形勢下數據中心冷卻技術的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

新形勢下數據中心冷卻技術的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢目 錄數據中心的綠色可持續(xù)發(fā)展010204數據中心的節(jié)能發(fā)展趨勢結語數據中心低碳高效制冷技術03“雙碳”目標意義碳達峰促進綠色低碳轉型推動經濟高質量發(fā)展保障能源安全供應碳中和開創(chuàng)生態(tài)文明新時代邁入能源可持續(xù)發(fā)展階段構建經濟高質量發(fā)展新格局從發(fā)電結構來看，2021年全國風力發(fā)電量為5667億千瓦時，占比為6.99%；核能發(fā)電量為4075.2億千瓦時，占比為5.02%；火力發(fā)電量為57702.7億千瓦時，占比為71.13%；水力發(fā)電量為11840.2億千瓦時，占比為14.60%；太陽能發(fā)電量為1836.6億千瓦時，占比為2.26%。1“東數西算”8個樞紐、10個集群工信部、發(fā)改委、財政部等六部門聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)能效提升行動計劃》:到2025年，新建大型、超大型數據中心PUE優(yōu)于1.3。預計到2025年，XX數據中心集群PUE達到1.25。《關于在長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)加快數字經濟發(fā)展推進先行先試的若干舉措》提出新建大型、超大型數據中心PUE不超過1.25。2東數PUE≤1.25，西算PUE≤1.2數據中心碳排放工信部統(tǒng)計2021年數據中心總用電量為940億度。目前數據中心建設運行呈現(xiàn)出兩個較為顯著的特點：一線城市數據中心需求旺盛，但運行能效相對較低，以“市場優(yōu)先型”數據中心為主；二三線城市數據中心需求相對不足，但運行能效相對較高，適合“成本優(yōu)先型”數據中心。數據中心二氧化碳排放量參數201920202021202220232024202520262027202820292030新增服務器（萬臺）320330360390430460500540590640690750凈增服務器（萬臺）-90100110130130150160180190200220在運行服務器數量（萬臺）120012901390150016301760191020702250244026402860使用功率（MW）9240PUE=1.49930PUE=1.410700PUE=1.411550PUE=1.412550PUE=1.413550PUE=1.413650PUE=1.314800PUE=1.316090PUE=1.317450PUE=1.318880PUE=1.320450PUE=1.3年用電量（億度）810870937101211001187120012961410153016541800折合標煤量(萬噸)251027002900314034103680371040204370474051305550二氧化碳排放量（萬噸）67807290（5461）783084809210994010000（6972）1085011800128001385015000碳排放因子：581gCO2/kWh3數據中心碳排放4PUE=數據中心總能耗IT設備總能耗CUE=碳排放量IT設備總能耗低碳就是低能耗！目 錄數據中心的綠色可持續(xù)發(fā)展010204數據中心的節(jié)能發(fā)展趨勢結語數據中心低碳高效制冷技術035數據中心冷卻技術發(fā)展~20002010201520162017201820202022~小機房時代大型水冷直接新風自然冷卻間接新風自然冷卻冷板液冷浸沒液冷間接冷水自然冷卻全變頻氟泵 風冷&水冷&液冷蒸發(fā)冷凝 氣動熱管風冷DX直膨冷卻分散冷卻末端分布式冷源水側自然冷卻分散冷卻末端集中冷源（大型離心機&板換）風側自然冷卻分散冷卻末端分散/集中冷源風側自然冷卻分散冷卻末端分散/集中冷源冷板試驗機房浸沒液冷試驗機房間接蒸發(fā)冷卻冷水機組間接蒸發(fā)冷卻塔全變頻氟泵冰川相變系統(tǒng)氟泵熱管、混動雙擎熱管、液冷進入規(guī)?；瘧茫瑪祿行睦鋮s形式百花齊放11節(jié)能蒸發(fā)冷卻技術利用環(huán)境空氣未飽和這一特性，充分利用干空氣能這一可再生能源，減少空調對傳統(tǒng)能源的依賴。健康蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械制冷空調系統(tǒng)相比，初投資可節(jié)省1/2，維護費用節(jié)省2/3，運行費用節(jié)省3/4。蒸發(fā)冷卻空調以水為冷卻介質，無氟利昂等傳統(tǒng)制冷劑，不產生溫室效應氣體，是環(huán)境友好型的新技術。經濟蒸發(fā)冷卻空調產生清潔綠色的新風，既能達到降溫需求的同時，有效改善人類生產生活的品質風、水、氟三足鼎立！蒸發(fā)冷卻技術優(yōu)勢所在低碳13技術成熟系統(tǒng)簡單耗水量較少運行費用較低優(yōu)點缺點空氣濕度較大受室外氣象條件影響大機組尺寸較大或數量較多水質要求高。15寧夏XX360數據中心建筑外觀間接蒸發(fā)冷卻直接蒸發(fā)冷卻年均PUE=1.2517XXX科技集團XXX數據中心A棟一層共計6個機房模塊；二層共計16個機房模塊，共提供IT機柜2960臺，運營商機柜72臺。A棟分左右兩個分段，左分段采用64臺新風間接蒸發(fā)自然冷卻機組；右分段采用新風直接蒸發(fā)冷卻機組40臺。其中，新風直接蒸發(fā)冷卻可全年工作在完全自然冷卻模式，不需補充機械制冷，從而實現(xiàn)了最大程度的節(jié)能。XXX科技集團XXX數據中心座落于XXX市XXX國家級高新區(qū)核心區(qū)域。項目整體占地1038畝，總體規(guī)劃建設40萬平方米的數據中心。該項目是目前全球海拔最高、西藏自治區(qū)最大的云計算數據中心。19技術成熟，應用發(fā)展迅速系統(tǒng)簡單便于運維耗水量較少運行費用較低優(yōu)點缺點機組為房間級空調，不適用于高密機房機組占用空間多UPS配電容量大，初投資及占用空間多機組擺放影響建筑立面效果噴淋水水質要求高，水處理成本高。XX市與XX合作建設的XX云數據中心，致力打造成華北大區(qū)云計算產業(yè)支撐中心、全國乃至全球云服務業(yè)務承接中心、全國云服務業(yè)務備份中心。該項目一期8MW，共1056個機柜。由5層共368個預制模塊箱體堆疊，其中2~5層應用間接蒸發(fā)冷卻解決方案制冷，下送風至機房內，模塊內采用密閉熱通道方案，通過吊頂回風，溫度設計在37℃。每層采用14套XXFusionCol8000-E220間接蒸發(fā)冷卻產品，共計56套，15天所有設備就位，4個月完成全部安裝，縮短建設周期TTM50%+。數據中心應用該技術產品后每年節(jié)省用電491萬kW?h，節(jié)約用能2215tce/a,減排4724噸二氧化碳。24項目背景項目規(guī)模一期/二期均為8MW,1000+機柜/（三期共24MW）功率密度8KW/柜項目應用公有云＆XX私有云XX方案由5層共300+個預制模塊箱體堆疊，含96個IT設備箱2~5層應用，每層14套220kwAHU，共計56套客戶價值15天所有箱體就位，4個月完成全部安裝，縮短TTM50%+年均PUE低至1.15，數據中心年省電費12.2%25首個三點式布局的數據中心集群大面積運用AHU大力采用風電、光伏等綠色能源新風結合冷卻水、自然冷卻時間長支持2022北京冬奧會年PUE低于1.2，最低可達1.09XXXXX云數據中心28建筑一體化間接蒸發(fā)冷卻應用案例建筑空間融合設計，充分利用場地高度和室外通風條件，可全年不間斷利用間接蒸發(fā)冷卻對熱回風進行預冷；與水冷、風冷系統(tǒng)結合設計，可減少主機運行時長、降低主機工作負載，提高系統(tǒng)可用性。廣東XXX云計算數據中心額定制冷量260kW制冷量補充形式DX補充補充制冷量230kW數量36套間接蒸發(fā)冷空調等T-block技術，實現(xiàn)像樂高搭積木一樣快速建設的同時，進一步提升自動化高效運營。國內XXX云計算數據中心采用了多項目前最領先的技術，是騰訊在新基建領域技術和實力的集中體現(xiàn)。騰訊XXX云計算數據中心通過采用間接蒸發(fā)冷卻、HVDC+市電直供、冷熱通道隔離、優(yōu)化氣流組織、太陽能供電等節(jié)能技術和系統(tǒng)方案，并充分利用自然冷源等的辦法，數據中心PUE（數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值）低于1.25，在整個華南地區(qū)處于最優(yōu)水平。2122部分采用間接蒸發(fā)制冷PUE<1.25模塊化設計，分期建設，滿足集團不同業(yè)務部門需求冷卻塔和柴發(fā)做隔音、消音處理，適應城市區(qū)域環(huán)境雙冷源一主一備，兼顧節(jié)能與高可用采用小母線供電，提高機房空間利用率較強的軟件開發(fā)和運維能力，服務業(yè)務的意識極佳多層側墻安裝平層屋頂安裝間接蒸發(fā)冷卻機組原理XXXX數管據理中學心院信息中心數據中心中國XXXXXXX金融管理學院信息中心數據中心國內首個采用7層堆疊式間接蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)。XXX金融數據中心項目中首個實現(xiàn)并通過測試的數據中心PUE<1.25項目。按照《數據中心設計規(guī)范》A級機房標準建設。是國內金融數據中心的節(jié)能技術標桿。相比傳統(tǒng)設計，每年至少節(jié)能電費1600萬度。水側間接蒸發(fā)冷卻技術間接蒸發(fā)冷卻冷水機組或間接蒸發(fā)冷卻塔利用空氣的干濕球溫度差，輸出高溫冷水或冷卻水，以得到較低的供冷溫度（亞濕球溫度）和較大的供冷量。間接蒸發(fā)冷卻冷水系統(tǒng)原理預冷方式：內冷、外冷換熱器：間接蒸發(fā)冷卻器表冷器預冷式間接蒸發(fā)冷卻冷水機組或間接蒸發(fā)冷卻塔26XXX開發(fā)區(qū)某聯(lián)通數據中心31水側蒸發(fā)冷卻技術應用案例——國內XXX市開發(fā)區(qū)某核心機房建設地點：XXX市開發(fā)區(qū)地上5層建筑，總建筑面積10738.2㎡，建筑高度23.3m單層建筑面積均為2147.64㎡、層高4.8m最大可布置1500+架機柜1層主要為高低壓配電室、電力電池室及預留大機房機房2至4層規(guī)劃區(qū)域為品字形主要為電力室、小機房及大機房第1期項目（2樓傳輸機房、2樓通信機房和4樓IDC機房）總負荷2767kw輔助和備份冷源44臺（N+4、N+2冗余）80KW、16000m3/h全年主導冷源16臺（N+4冗余）232KW、40m3/h、19KW一次管路（介質：水；藍色供水管、金色回水管）二次管路（介質：45%濃度乙二醇水溶液；綠色供水管、紅色回水管）XX云數據中心28間接蒸發(fā)冷卻塔結合的應用案例惠州XX云數據中心采用近露點間接蒸發(fā)冷卻塔、相變蓄冷系統(tǒng)及冷熱通道全封閉等技術。XX電信XX數據中心30項目情況：XX電信XX數據中心原空調系統(tǒng)全部為風冷冷媒精密空調，氣流組織形式為地板下送風，風冷模塊設置在屋面。改造前共設置 316 個機架，設計 IT 負載為1068.8kW，上架率為48.2%，空調系統(tǒng)年平均制冷因子為0.672，年平均PUE值在1.78，同時夏季高溫時，容出現(xiàn)空調停機保護，為機房安全運營帶來風險。改造方案采用一臺400kW的間接蒸發(fā)冷卻一體化集成冷站作為冷源對現(xiàn)有機房空調系統(tǒng)進行改造，室內新增20臺高效冷凍水末端。通過間接蒸發(fā)冷卻技術應用，可實現(xiàn)項目約1200h自然冷卻應用，新建間接蒸發(fā)冷卻冷水系統(tǒng)不考慮備份冗余，原空調不拆除，與新建空調系統(tǒng)進行聯(lián)動控制，實現(xiàn)機房空調系統(tǒng)2N備份，在提高機房安全供冷的基礎上，實現(xiàn)最大程度節(jié)能。氟側蒸發(fā)冷卻技術（蒸發(fā)冷凝）32用蒸發(fā)冷卻技術給冷水機組的冷凝器散熱，制取的冷水通過空調區(qū)末端裝置來承擔空調區(qū)熱負荷和濕負荷的空調系統(tǒng)。蒸發(fā)冷凝式散熱空調系統(tǒng)填料型蒸發(fā)式冷凝器氟側蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)特點①蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、壓縮制冷系統(tǒng)聯(lián)合運行；②冷凝器運行在相對較低的冷凝壓力下，從而降低壓縮機運行功率，提高壓縮機制冷效率；③自然冷源利用優(yōu)先，壓縮制冷進行冷量補充或冷量備份；④自然冷源利用時間長，能效比高；⑤模塊化、定制化建設方案，實現(xiàn)不同空調末端超級多聯(lián)；⑥系統(tǒng)簡單，維護方便；33氟側蒸發(fā)冷卻技術（蒸發(fā)冷凝）技術發(fā)展迅速無水進機房，易維護分期部署靈活不需冷凍站和水泵房，不占用輔助房間系統(tǒng)制冷效率高優(yōu)點缺點大規(guī)模應用案例較少初投資高耗水量大室外機占用屋面空間多UPS配電容量大，占用室內空間多氟泵熱管技術+蒸發(fā)冷凝34創(chuàng)造性集成熱管相變、無油泵、蒸發(fā)冷卻、變頻多聯(lián)等技術，具備高適應性、快速交付及成本優(yōu)勢，以相變冷卻系統(tǒng)為散熱核心，提升數據中心算力。氟泵熱管AHU工廠預制化生產和組裝，通過一體化運輸至現(xiàn)場直接落地，實現(xiàn)一鍵開機，服務上也實現(xiàn)一體化預制，全自動運維。系統(tǒng)內置傳感器，能自動采集數據，對機組運行可能出現(xiàn)的故障進行預判“氣動熱管”采用全新壓縮機，實現(xiàn)液泵+氣泵組合，更多利用室外自然冷源，通過系統(tǒng)“智能平衡控制”，壓縮機與室外風機動態(tài)調優(yōu)，結合室外溫度，負荷參數，選擇最優(yōu)的節(jié)能模式。45氟泵熱管機組結構設計簡潔，因此氣流阻力小，同等設計冷量下，其風機功率遠小于間接蒸發(fā)冷機組；隨著輸出冷量降低，風機轉速下降，氟泵熱管機組機內阻力減少更顯著。風機功率隨之快速下降；得益于風機系統(tǒng)的低阻力，在各個制冷輸出功率段下，氟泵熱管的整機能效都有較大的優(yōu)勢。1.1071.1031.0781.1071.1011.073260KW 230KW 115KW間接蒸發(fā)冷AHUVS氟泵熱管AHUpPUE對比間接蒸發(fā)冷卻 氟泵熱管在全國絕大部分地區(qū)，間接蒸發(fā)冷卻干工況適用時間優(yōu)于氟泵熱管機組；南方地區(qū)，空氣干濕球溫差減小，蒸發(fā)冷卻驅動勢較小，蒸發(fā)冷卻效率較低，氟泵熱管機組的小壓比機械制冷系統(tǒng)制冷密度大于間冷機組；間接蒸發(fā)冷卻器換熱芯體風阻較大，風道更長，風機消耗功率占比高，是導致間冷AHUpPUE較低的主要原因。不同運行模式下機組全年運行時長占比間接蒸發(fā)冷卻AHU與氟泵熱管AHU對比分析蒸發(fā)冷卻+液冷技術液冷機架液冷分配單元間接蒸發(fā)冷卻塔冷卻塔外部冷源風冷冷凝器46蒸發(fā)冷卻+液冷技術換熱器外循環(huán)回水45-60℃外循環(huán)供水35-50℃內循環(huán)回水50-65℃內循環(huán)供水40-55℃泵供水40-55℃回水50-65℃…機房外墻間接蒸發(fā)式冷水機組液冷冷板 水平分液單元豎直分液單元 熱交換單元液冷技術與蒸發(fā)冷卻冷水機組結合的冷卻系統(tǒng)形式冷卻塔or48目 錄數據中心的綠色可持續(xù)發(fā)展010204數據中心的節(jié)能發(fā)展趨勢結語數據中心低碳高效制冷技術0352能源綠色化綠電干空氣可再生能源以純綠色能源+能源綜合利用實現(xiàn)數據中心建設“零碳”目標全熱回收模塊式直接蒸發(fā)冷卻空調機組A BCD53技術集成化