新形勢下數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

新形勢下數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢目 錄數(shù)據(jù)中心的綠色可持續(xù)發(fā)展010204數(shù)據(jù)中心的節(jié)能發(fā)展趨勢結(jié)語數(shù)據(jù)中心低碳高效制冷技術(shù)03“雙碳”目標(biāo)意義碳達(dá)峰促進(jìn)綠色低碳轉(zhuǎn)型推動經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展保障能源安全供應(yīng)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(gòu)建經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展新格局從發(fā)電結(jié)構(gòu)來看，2021年全國風(fēng)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(shù)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(shù)據(jù)中心PUE優(yōu)于1.3。預(yù)計到2025年，XX數(shù)據(jù)中心集群PUE達(dá)到1.25?！蛾P(guān)于在長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)加快數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展推進(jìn)先行先試的若干舉措》提出新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE不超過1.25。2東數(shù)PUE≤1.25，西算PUE≤1.2數(shù)據(jù)中心碳排放工信部統(tǒng)計2021年數(shù)據(jù)中心總用電量為940億度。目前數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)行呈現(xiàn)出兩個較為顯著的特點(diǎn)：一線城市數(shù)據(jù)中心需求旺盛，但運(yùn)行能效相對較低，以“市場優(yōu)先型”數(shù)據(jù)中心為主；二三線城市數(shù)據(jù)中心需求相對不足，但運(yùn)行能效相對較高，適合“成本優(yōu)先型”數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心二氧化碳排放量參數(shù)201920202021202220232024202520262027202820292030新增服務(wù)器（萬臺）320330360390430460500540590640690750凈增服務(wù)器（萬臺）-90100110130130150160180190200220在運(yùn)行服務(wù)器數(shù)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(biāo)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(shù)據(jù)中心碳排放4PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗IT設(shè)備總能耗CUE=碳排放量IT設(shè)備總能耗低碳就是低能耗！目 錄數(shù)據(jù)中心的綠色可持續(xù)發(fā)展010204數(shù)據(jù)中心的節(jié)能發(fā)展趨勢結(jié)語數(shù)據(jù)中心低碳高效制冷技術(shù)035數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)發(fā)展~20002010201520162017201820202022~小機(jī)房時代大型水冷直接新風(fēng)自然冷卻間接新風(fēng)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(fēng)冷&水冷&液冷蒸發(fā)冷凝 氣動熱管風(fēng)冷DX直膨冷卻分散冷卻末端分布式冷源水側(cè)自然冷卻分散冷卻末端集中冷源（大型離心機(jī)&板換）風(fēng)側(cè)自然冷卻分散冷卻末端分散/集中冷源風(fēng)側(cè)自然冷卻分散冷卻末端分散/集中冷源冷板試驗(yàn)機(jī)房浸沒液冷試驗(yàn)機(jī)房間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)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(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用，數(shù)據(jù)中心冷卻形式百花齊放11節(jié)能蒸發(fā)冷卻技術(shù)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(diào)對傳統(tǒng)能源的依賴。健康蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械制冷空調(diào)系統(tǒng)相比，初投資可節(jié)省1/2，維護(hù)費(fèi)用節(jié)省2/3，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省3/4。蒸發(fā)冷卻空調(diào)以水為冷卻介質(zhì)，無氟利昂等傳統(tǒng)制冷劑，不產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體，是環(huán)境友好型的新技術(shù)。經(jīng)濟(jì)蒸發(fā)冷卻空調(diào)產(chǎn)生清潔綠色的新風(fēng)，既能達(dá)到降溫需求的同時，有效改善人類生產(chǎn)生活的品質(zhì)風(fēng)、水、氟三足鼎立！蒸發(fā)冷卻技術(shù)優(yōu)勢所在低碳13技術(shù)成熟系統(tǒng)簡單耗水量較少運(yùn)行費(fèi)用較低優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)空氣濕度較大受室外氣象條件影響大機(jī)組尺寸較大或數(shù)量較多水質(zhì)要求高。15寧夏XX360數(shù)據(jù)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(tuán)XXX數(shù)據(jù)中心A棟一層共計6個機(jī)房模塊；二層共計16個機(jī)房模塊，共提供IT機(jī)柜2960臺，運(yùn)營商機(jī)柜72臺。A棟分左右兩個分段，左分段采用64臺新風(fēng)間接蒸發(fā)自然冷卻機(jī)組；右分段采用新風(fēng)直接蒸發(fā)冷卻機(jī)組40臺。其中，新風(fēng)直接蒸發(fā)冷卻可全年工作在完全自然冷卻模式，不需補(bǔ)充機(jī)械制冷，從而實(shí)現(xiàn)了最大程度的節(jié)能。XXX科技集團(tuán)XXX數(shù)據(jù)中心座落于XXX市XXX國家級高新區(qū)核心區(qū)域。項(xiàng)目整體占地1038畝，總體規(guī)劃建設(shè)40萬平方米的數(shù)據(jù)中心。該項(xiàng)目是目前全球海拔最高、西藏自治區(qū)最大的云計算數(shù)據(jù)中心。19技術(shù)成熟，應(yīng)用發(fā)展迅速系統(tǒng)簡單便于運(yùn)維耗水量較少運(yùn)行費(fèi)用較低優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)機(jī)組為房間級空調(diào)，不適用于高密機(jī)房機(jī)組占用空間多UPS配電容量大，初投資及占用空間多機(jī)組擺放影響建筑立面效果噴淋水水質(zhì)要求高，水處理成本高。XX市與XX合作建設(shè)的XX云數(shù)據(jù)中心，致力打造成華北大區(qū)云計算產(chǎn)業(yè)支撐中心、全國乃至全球云服務(wù)業(yè)務(wù)承接中心、全國云服務(wù)業(yè)務(wù)備份中心。該項(xiàng)目一期8MW，共1056個機(jī)柜。由5層共368個預(yù)制模塊箱體堆疊，其中2~5層應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻解決方案制冷，下送風(fēng)至機(jī)房內(nèi)，模塊內(nèi)采用密閉熱通道方案，通過吊頂回風(fēng)，溫度設(shè)計在37℃。每層采用14套XXFusionCol8000-E220間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品，共計56套，15天所有設(shè)備就位，4個月完成全部安裝，縮短建設(shè)周期TTM50%+。數(shù)據(jù)中心應(yīng)用該技術(shù)產(chǎn)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(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)模一期/二期均為8MW,1000+機(jī)柜/（三期共24MW）功率密度8KW/柜項(xiàng)目應(yīng)用公有云＆XX私有云XX方案由5層共300+個預(yù)制模塊箱體堆疊，含96個IT設(shè)備箱2~5層應(yīng)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(shù)據(jù)中心年省電費(fèi)12.2%25首個三點(diǎn)式布局的數(shù)據(jù)中心集群大面積運(yùn)用AHU大力采用風(fēng)電、光伏等綠色能源新風(fēng)結(jié)合冷卻水、自然冷卻時間長支持2022北京冬奧會年P(guān)UE低于1.2，最低可達(dá)1.09XXXXX云數(shù)據(jù)中心28建筑一體化間接蒸發(fā)冷卻應(yīng)用案例建筑空間融合設(shè)計，充分利用場地高度和室外通風(fēng)條件，可全年不間斷利用間接蒸發(fā)冷卻對熱回風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷；與水冷、風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計，可減少主機(jī)運(yùn)行時長、降低主機(jī)工作負(fù)載，提高系統(tǒng)可用性。廣東XXX云計算數(shù)據(jù)中心額定制冷量260kW制冷量補(bǔ)充形式DX補(bǔ)充補(bǔ)充制冷量230kW數(shù)量36套間接蒸發(fā)冷空調(diào)等T-block技術(shù)，實(shí)現(xiàn)像樂高搭積木一樣快速建設(shè)的同時，進(jìn)一步提升自動化高效運(yùn)營。國內(nèi)XXX云計算數(shù)據(jù)中心采用了多項(xiàng)目前最領(lǐng)先的技術(shù)，是騰訊在新基建領(lǐng)域技術(shù)和實(shí)力的集中體現(xiàn)。騰訊XXX云計算數(shù)據(jù)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(shù)和系統(tǒng)方案，并充分利用自然冷源等的辦法，數(shù)據(jù)中心PUE（數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)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(shè)計，分期建設(shè)，滿足集團(tuán)不同業(yè)務(wù)部門需求冷卻塔和柴發(fā)做隔音、消音處理，適應(yīng)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(jī)房空間利用率較強(qiáng)的軟件開發(fā)和運(yùn)維能力，服務(wù)業(yè)務(wù)的意識極佳多層側(cè)墻安裝平層屋頂安裝間接蒸發(fā)冷卻機(jī)組原理XXXX數(shù)管據(jù)理中學(xué)心院信息中心數(shù)據(jù)中心中國XXXXXXX金融管理學(xué)院信息中心數(shù)據(jù)中心國內(nèi)首個采用7層堆疊式間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)。XXX金融數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中首個實(shí)現(xiàn)并通過測試的數(shù)據(jù)中心PUE<1.25項(xiàng)目。按照《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》A級機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。是國內(nèi)金融數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)標(biāo)桿。相比傳統(tǒng)設(shè)計，每年至少節(jié)能電費(fèi)1600萬度。水側(cè)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)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(yù)冷方式：內(nèi)冷、外冷換熱器：間接蒸發(fā)冷卻器表冷器預(yù)冷式間接蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組或間接蒸發(fā)冷卻塔26XXX開發(fā)區(qū)某聯(lián)通數(shù)據(jù)中心31水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用案例——國內(nèi)XXX市開發(fā)區(qū)某核心機(jī)房建設(shè)地點(diǎn)：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(jī)柜1層主要為高低壓配電室、電力電池室及預(yù)留大機(jī)房機(jī)房2至4層規(guī)劃區(qū)域?yàn)槠纷中沃饕獮殡娏κ摇⑿C(jī)房及大機(jī)房第1期項(xiàng)目（2樓傳輸機(jī)房、2樓通信機(jī)房和4樓IDC機(jī)房）總負(fù)荷2767kw輔助和備份冷源44臺（N+4、N+2冗余）80KW、16000m3/h全年主導(dǎo)冷源16臺（N+4冗余）232KW、40m3/h、19KW一次管路（介質(zhì)：水；藍(lán)色供水管、金色回水管）二次管路（介質(zhì)：45%濃度乙二醇水溶液；綠色供水管、紅色回水管）XX云數(shù)據(jù)中心28間接蒸發(fā)冷卻塔結(jié)合的應(yīng)用案例惠州XX云數(shù)據(jù)中心采用近露點(diǎn)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(shù)。XX電信XX數(shù)據(jù)中心30項(xiàng)目情況：XX電信XX數(shù)據(jù)中心原空調(diào)系統(tǒng)全部為風(fēng)冷冷媒精密空調(diào)，氣流組織形式為地板下送風(fēng)，風(fēng)冷模塊設(shè)置在屋面。改造前共設(shè)置 316 個機(jī)架，設(shè)計 IT 負(fù)載為1068.8kW，上架率為48.2%，空調(diào)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(diào)停機(jī)保護(hù)，為機(jī)房安全運(yùn)營帶來風(fēng)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(jī)房空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，室內(nèi)新增20臺高效冷凍水末端。通過間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目約1200h自然冷卻應(yīng)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(diào)不拆除，與新建空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)2N備份，在提高機(jī)房安全供冷的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最大程度節(jié)能。氟側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)（蒸發(fā)冷凝）32用蒸發(fā)冷卻技術(shù)給冷水機(jī)組的冷凝器散熱，制取的冷水通過空調(diào)區(qū)末端裝置來承擔(dān)空調(diào)區(qū)熱負(fù)荷和濕負(fù)荷的空調(diào)系統(tǒng)。蒸發(fā)冷凝式散熱空調(diào)系統(tǒng)填料型蒸發(fā)式冷凝器氟側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)①蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、壓縮制冷系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行；②冷凝器運(yùn)行在相對較低的冷凝壓力下，從而降低壓縮機(jī)運(yùn)行功率，提高壓縮機(jī)制冷效率；③自然冷源利用優(yōu)先，壓縮制冷進(jìn)行冷量補(bǔ)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(shè)方案，實(shí)現(xiàn)不同空調(diào)末端超級多聯(lián)；⑥系統(tǒng)簡單，維護(hù)方便；33氟側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)（蒸發(fā)冷凝）技術(shù)發(fā)展迅速無水進(jìn)機(jī)房，易維護(hù)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(diǎn)缺點(diǎn)大規(guī)模應(yīng)用案例較少初投資高耗水量大室外機(jī)占用屋面空間多UPS配電容量大，占用室內(nèi)空間多氟泵熱管技術(shù)+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(shù)，具備高適應(yīng)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(shù)據(jù)中心算力。氟泵熱管AHU工廠預(yù)制化生產(chǎn)和組裝，通過一體化運(yùn)輸至現(xiàn)場直接落地，實(shí)現(xiàn)一鍵開機(jī)，服務(wù)上也實(shí)現(xiàn)一體化預(yù)制，全自動運(yùn)維。系統(tǒng)內(nèi)置傳感器，能自動采集數(shù)據(jù)，對機(jī)組運(yùn)行可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)判“氣動熱管”采用全新壓縮機(jī)，實(shí)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(jī)與室外風(fēng)機(jī)動態(tài)調(diào)優(yōu)，結(jié)合室外溫度，負(fù)荷參數(shù)，選擇最優(yōu)的節(jié)能模式。45氟泵熱管機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，因此氣流阻力小，同等設(shè)計冷量下，其風(fēng)機(jī)功率遠(yuǎn)小于間接蒸發(fā)冷機(jī)組；隨著輸出冷量降低，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，氟泵熱管機(jī)組機(jī)內(nèi)阻力減少更顯著。風(fēng)機(jī)功率隨之快速下降；得益于風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)組；南方地區(qū)，空氣干濕球溫差減小，蒸發(fā)冷卻驅(qū)動勢較小，蒸發(fā)冷卻效率較低，氟泵熱管機(jī)組的小壓比機(jī)械制冷系統(tǒng)制冷密度大于間冷機(jī)組；間接蒸發(fā)冷卻器換熱芯體風(fēng)阻較大，風(fēng)道更長，風(fēng)機(jī)消耗功率占比高，是導(dǎo)致間冷AHUpPUE較低的主要原因。不同運(yùn)行模式下機(jī)組全年運(yùn)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(shù)液冷機(jī)架液冷分配單元間接蒸發(fā)冷卻塔冷卻塔外部冷源風(fēng)冷冷凝器46蒸發(fā)冷卻+液冷技術(shù)換熱器外循環(huán)回水45-60℃外循環(huán)供水35-50℃內(nèi)循環(huán)回水50-65℃內(nèi)循環(huán)供水40-55℃泵供水40-55℃回水50-65℃…機(jī)房外墻間接蒸發(fā)式冷水機(jī)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(shù)與蒸發(fā)冷卻冷水機(jī)組結(jié)合的冷卻系統(tǒng)形式冷卻塔or48目 錄數(shù)據(jù)中心的綠色可持續(xù)發(fā)展010204數(shù)據(jù)中心的節(jié)能發(fā)展趨勢結(jié)語數(shù)據(jù)中心低碳高效制冷技術(shù)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心建設(shè)“零碳”目標(biāo)全熱回收模塊式直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組A BCD53技術(shù)集成化