新形勢下數據中心冷卻技術的應用現狀與發展趨勢.pdf

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1、西安工程大學黃翔教授 2023年04月07日 新形勢下數據中心冷卻技術的應用現狀與發展趨勢目 錄數據中心的綠色可持續發展0102數據中心的節能發展趨勢04結語數據中心低碳高效制冷技術03“雙碳”目標意義*中國2030前碳達峰研究報告、中國2060前碳中和研究報告、華經產業研究院碳達峰 促進綠色低碳轉型 推動經濟高質量發展 保障能源安全供應碳中和 開創生態文明新時代 邁入能源可持續發展階段 構建經濟高質量發展新格局從發電結構來看，2021年全國風力發電量為5667億千瓦時，占比為6.99%；核能發電量為4075.2億千瓦時，占比為5.02%；火力發電量為57702.7億千瓦時，占比為71.13%

2、；水力發電量為11840.2億千瓦時，占比為14.60%；太陽能發電量為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、發改委、財政部等六部門聯合發布工業能效提升行動計劃:到2025年，新建大型、超大型數據中心PUE優于1.3。預計到2025年，韶關數據中心集群PUE達到1.25。長三角一體化示范區執委會會同相關部門聯合印發關于在長三角生態綠色一體化發展示范區加快數字經濟發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PUE1.25，西算PUE1.2數據中心碳排放工信部統計2021年數據中心總用電量為940億度。目前數據中心建

3、設運行呈現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“成本優先型”數據中心。*零碳中國數據中心以實現碳中和為目標的數據中心行業發展研究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）12001290139015001

4、6301760191020702250244026402860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

5、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發展0102數據中心的節能發展趨勢04結語數據中心低碳高效制冷技術035數據中心冷卻技術發展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蒸發冷凝風冷&水冷&液冷氣動熱管風冷DX直膨冷卻分散冷卻

6、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冷卻冷水機組間接蒸發冷卻塔全變頻氟泵冰川相變系統氟泵熱管、混動雙擎熱管、液冷進入規?；瘧?，數據中心冷卻形式百花齊放11低碳蒸發冷卻空調以水為冷卻介質，無氟利昂等傳統制冷劑，不產生溫室效應氣體，是環境友好型的新技術。節能蒸發冷卻技術利用環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，減少空調對傳統能源的依賴。經濟 蒸發冷卻空調系統與傳統機械制冷空調系統相比，初投資可節省1/2，維護費用節省2/3，運行費用節省

7、3/4。健康蒸發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！蒸發冷卻技術優勢所在13l 技術成熟l 系統簡單l 耗水量較少l 運行費用較低優點缺點l 空氣濕度較大l 受室外氣象條件影響大l 機組尺寸較大或數量較多l 水質要求高。15寧夏中衛360數據中心建筑外觀間接蒸發冷卻直接蒸發冷卻年均PUE=1.2517寧算科技集團拉薩數據中心寧算科技集團拉薩數據中心座落于拉薩市柳梧國家級高新區核心區域。項目整體占地1038畝，總體規劃建設40萬平方米的數據中心。該項目是目前全球海拔最高、西藏自治區最大的云計算數據中心。A A棟一層共計6 6個機房模塊

8、；二層共計1616個機房模塊，共提供ITIT機柜29602960臺，運營商機柜7272臺。A A棟分左右兩個分段，左分段采用6464臺新風間接蒸發自然冷卻機組；右分段采用新風直接蒸發冷卻機組4040臺。其中，新風直接蒸發冷卻可全年工作在完全自然冷卻模式，不需補充機械制冷，從而實現了最大程度的節能。19l 技術成熟，應用發展迅速l 系統簡單便于運維l 耗水量較少l 運行費用較低優點缺點l 機組為房間級空調，不適用于高密機房l 機組占用空間多l UPS配電容量大，初投資及占用空間多l 機組擺放影響建筑立面效果l 噴淋水水質要求高，水處理成本高。24烏蘭察布市與華為合作建設的烏蘭察布云數據中心，致力

9、打造成華北大區云計算產業支撐中心、全國乃至全球云服務業務承接中心、全國云服務業務備份中心。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 25 層應用間接蒸發冷卻解決方案制冷，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 套華為FusionCol8000-E220 間接蒸發冷卻產品，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 TTM 50%+。數據中心應用該技術產品后每年節省用電 491 萬 kWh，節約用能 2215 tce/a,減排 4724 噸二氧化碳。項目背景項目規模一期

10、/二期均為8MW,1000+機柜/（三期共24MW）功率密度8KW/柜項目應用公有云華為私有云華為方案由5層共300+個預制模塊箱體堆疊，含96個IT設備箱25層應用，每層14套220kw AHU，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%25l 首個三點式布局的數據中心集群l 大面積運用AHUl 大力采用風電、光伏等綠色能源l 新風結合冷卻水、自然冷卻時間長l 支持2022北京冬奧會l 年PUE低于1.2，最低可達1.09深圳百旺信云數據中心28建筑一體化間接蒸發冷卻應用案例建筑空間融合設計，充分利用場地高度

11、和室外通風條件，可全年不間斷利用間接蒸發冷卻對熱回風進行預冷；與水冷、風冷系統結合設計，可減少主機運行時長、降低主機工作負載，提高系統可用性。廣東清遠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套間接蒸發冷空調等T-block技術，實現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 清遠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。騰訊清遠云計算數據中心通過采用間接蒸發冷卻、HVDC+市電直供、冷熱通道隔離、優化氣流組織、太陽能供電等節能技術和系統方案，并充分利用自然冷源等的辦法，數據中心PUE（數據中

12、心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值）低于1.25，在整個華南地區處于最優水平。2122部分采用間接蒸發制冷PUE1.25l 模塊化設計，分期建設，滿足集團不同業務部門需求l 冷卻塔和柴發做隔音、消音處理，適應城市區域環境l 雙冷源一主一備，兼顧節能與高可用l 采用小母線供電，提高機房空間利用率l 較強的軟件開發和運維能力，服務業務的意識極佳中國平安深圳觀瀾數據中心多層側墻安裝平層屋頂安裝間接蒸發冷卻機組原理中國平安深圳觀瀾金融管理學院信息中心數據中心中國平安深圳觀瀾金融管理學院信息中心數據中心l 國內首個采用7 7層堆疊式間接蒸發冷卻空調系統。l 深圳金融數據中心項目中首個實現并通過測

13、試的數據中心PUE1.25PUE1.25項目。l 按照數據中心設計規范A A級機房標準建設。l 是國內金融數據中心的節能技術標桿。l 相比傳統設計，每年至少節能電費16001600萬度。水側間接蒸發冷卻技術間接蒸發冷卻冷水機組或間接蒸發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。間接蒸發冷卻冷水系統原理預冷方式：內冷、外冷 換熱器：間接蒸發冷卻器 表冷器預冷式間接蒸發冷卻冷水機組或間接蒸發冷卻塔26烏魯木齊開發區某聯通數據中心31水側蒸發冷卻技術應用案例國內 烏魯木齊市開發區某核心機房建設地點：烏魯木齊市開發區地上5層建筑，總建筑面積1

14、0738.2，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層規劃區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輔助和備份冷源輔助和備份冷源44臺（N+4、N+2冗余）80KW、16000m/h全年主導冷源全年主導冷源16臺（N+4冗余）232KW、40m/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）百旺信云數據中心28間接蒸發冷卻塔結合的應用案例惠州百旺

15、信云數據中心采用近露點間接蒸發冷卻塔、相變蓄冷系統及冷熱通道全封閉等技術。海南電信鳳翔數據中心30項目情況：海南電信鳳翔數據中心原空調系統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 的間接蒸發冷卻一體化集成冷站作為冷源對現有機房空調系統進行改造，室內新增 20 臺高效冷凍水末端。通過間接蒸發冷卻技術應用，可實現項目約 12

16、00h 自然冷卻應用，新建間接蒸發冷卻冷水系統不考慮備份冗余，原空調不拆除，與新建空調系統進行聯動控制，實現機房空調系統 2N 備份，在提高機房安全供冷的基礎上，實現最大程度節能。氟側蒸發冷卻技術（蒸發冷凝）32用蒸發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末端裝置來承擔空調區熱負荷和濕負荷的空調系統。蒸發冷凝式散熱空調系統填料型蒸發式冷凝器氟側蒸發冷卻空調系統特點 蒸發冷卻系統、壓縮制冷系統聯合運行；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；自然冷源利用優先，壓縮制冷進行冷量補充或冷量備份；自然冷源利用時間長，能效比高；模塊化、定制化建設方案，

17、實現不同空調末端超級多聯；系統簡單，維護方便；33氟側蒸發冷卻技術（蒸發冷凝）l 技術發展迅速l 無水進機房，易維護l 分期部署靈活l 不需冷凍站和水泵房，不占用輔助房間l 系統制冷效率高優點缺點l 大規模應用案例較少l 初投資高l 耗水量大l 室外機占用屋面空間多l UPS配電容量大，占用室內空間多氟泵熱管技術+蒸發冷凝34創造性集成熱管相變、無油泵、蒸發冷卻、變頻多聯等技術，具備高適應性、快速交付及成本優勢，以相變冷卻系統為散熱核心，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場直接落地，實現一鍵開機，服務上也實現一體化預制，全自動運維。系統內置傳感器，能自動采

18、集數據，對機組運行可能出現的故障進行預判“氣動熱管”采用全新壓縮機，實現液泵+氣泵組合，更多利用室外自然冷源，通過系統“智能平衡控制”，壓縮機與室外風機動態調優，結合室外溫度，負荷參數，選擇最優的節能模式。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勢。1.1071.1031.0781.1071.1011.073260 KW230 KW115 KW間接蒸發冷AHUVS 氟泵熱管A

19、HUpPUE對比氟泵熱管間接蒸發冷卻在全國絕大部分地區，間接蒸發冷卻干工況適用時間優于氟泵熱管機組；南方地區，空氣干濕球溫差減小，蒸發冷卻驅動勢較小，蒸發冷卻效率較低，氟泵熱管機組的小壓比機械制冷系統制冷密度大于間冷機組；間接蒸發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AHUpPUEAHUpPUE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冷卻AHU與氟泵熱管AHU對比分析氟泵熱管技術+蒸發冷凝應用案例中國聯通天津空港數據中心中國聯通天津空港數據中心園區共有3棟建筑物，1#和3#分別為數據中心，2#為辦公樓。1#樓地上5層，一共109個微模塊，機柜數量約2

20、750個，分別為8kW/Rack和4kW/Rack，用戶為某互聯網企業。3#數據中心的制冷方案采用了全變頻風冷氟泵直膨的方案，并且冷凝器采用集中機組，一共10臺集中機組布置在屋面，每臺集中機組供冷能力為720 kW，分為10+2臺獨立的小機組，整體供冷能力達到7200 kW，即主用6000 kW+備用1200 kW，可根據IT負荷以及氣候情況靈活調整?？照{設備的不間斷供冷采用UPS作為備用電源。機組換熱器周邊設置了水噴霧的噴頭，可以在夏季炎熱季節進行噴霧降溫，提高效率。集中冷凝器相對傳統分散冷凝器，其設備占地面積大大節約，從屋面布置能看出，10臺設備擺放僅僅占據屋面一半面積，而且設備間距很大，

21、避免了熱島效應。噴淋使冷凝溫度降低6度，可有效避免送回風風溫度降低了短路造成的熱島效應，同時提高機組能效IT負載率IT功率 kW基礎設施系統功耗 kW PUE 25%10122761.27250%20015111.25575%30238081.267100%401310391.258備注：假負載測試當天2019年8月13日，室外溫度22，濕度80%-90%41蒸發冷卻+液冷技術液冷機架液冷分配單元間接蒸發冷卻塔冷卻塔外部冷源風冷冷凝器46蒸發冷卻+液冷技術泵熱交換單元換熱器外循環回水45-60外循環供水35-50水平分液單元內循環回水 50-65內循環供水 40-55供水 40-55回水 50

22、-65液冷冷板機房外墻間接蒸發式冷水機組 豎直分液單元液冷技術與蒸發冷卻冷水機組結合的冷卻系統形式冷卻塔or48國家電網寧波北侖單相浸沒式液冷數據機房50項目概況：國家電網寧波北侖單相浸沒式液冷數據機房，機房建造于國家電網寧波北侖高塘變電站，采用模塊化液冷機房部署方式，外置冷卻塔系統散熱。機房總容量 334U、總功率 100kW，占地約 18m2。項目采用浸沒式液冷技術，以及高度集成化的設計理念，將原有數據中心的配電、控制、散熱、消防等子系統集成于一體，將傳統數據中心工程產品化，無需土建裝修，即布即用，可露天堆疊部署，節約用地，移動便捷，還可實現計算集群的模塊化部署和按需擴容，有效降低投資造價

23、。中國移動南方基地數據中心28液冷技術與間接蒸發冷卻塔結合的應用案例間接蒸發冷卻塔一體化冷站控制柜該項目建設地點位于廣東省廣州市，使用新一代間接蒸發冷卻一體化集成冷站，與液氣雙通道系統進行融合，打造一套全新的數據中心空調系統，實現在南方地區（廣州）系統全年無壓縮機運行的技術革新，實現數據中心節能，目前該項目已處于調試階段。通過新技術、新產品、新模式的融合，實現數據機房系統全年PUE平均值達到1.1，最低值1.05，使得PUE進入“零”時代（1.1），從而達到國內領先，世界先進水平。該項目是高溫高濕地區蒸發冷卻冷水系統與液/氣雙通道結合的首個應用。目 錄數據中心的綠色可持續發展0102數據中心的

24、節能發展趨勢04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+能源綜合利用實現數據中心建設“零碳”目標全熱回收模塊式直接蒸發冷卻空調機組BACD53技術集成化熱管技術蒸發冷凝技術氟泵技術蒸發冷卻技術機械制冷技術蒸發冷卻技術液冷技術數據中心制冷空調系統設備一體化54氣象條件能源供給及政策建筑風格及條件搭積木式間接蒸發冷AHU高密度數據中心液冷+蒸發冷卻散熱集中式蒸發冷凝風冷散熱系統山洞融合自然冷卻數據中心智能高效熱管+蒸發冷凝散熱海水（湖水）潛冷自然冷卻數據中心形式多樣化55控制智能化56l AI無人巡檢，數字運維，運 維成本35%l 智能資產管理，資源利用率

25、從65%提升到85%安全：AI故障預測，安全可信lAI預測性維護，保障業務0l中斷l軟硬全面防御，7*24h網絡 安全智能：AI加持，DC自動化 間接蒸發冷卻機組進行 AI 智能群控示意圖 國家超級計算鄭州中心浸沒式液冷BA控制系統目 錄數據中心的綠色可持續發展0102數據中心的節能發展趨勢04結語數據中心低碳高效制冷技術03數據中心蒸發冷卻團體標準57數據中心蒸發冷卻空調技術規范、數據中心蒸發冷卻空調設備、數據中心蒸發冷卻空調系統運維管理及數據中心蒸發冷卻水質標準四個標準共同組成了數據中心蒸發冷卻系列團體標準，這四個標準之間相輔相成，側重面各不相同，從而滿足數據中心冷卻領域設計工程師、設備制造商、大型互聯網公司、運營商、用戶等各自的特殊需要?？傊?，制定數據中心蒸發冷卻系列標準的宗旨是“把傳統技術用好，把新技術用對?！闭舭l冷卻參考書籍58結語 “今后全球通訊行業乃至整個電子信息今后全球通訊行業乃至整個電子信息產業發展的瓶頸不是大規模集成技術，而產業發展的瓶頸不是大規模集成技術，而是散熱技術，它不僅影響到電子信息技術，是散熱技術，它不僅影響到電子信息技術，而且將影響整個世界的經濟而且將影響整個世界的經濟”。美國英特爾（Intel）公司總裁 帕特蓋爾辛格（Gelsinger）59