雙碳”趨勢下，零碳數據中心如何打造，要重點考慮"電從哪里來？熱到哪里去?"
發布時間：2023-09-04
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然后再對比來自國家能源局的2022年全國用電量數據，如下：
數據中心的PUE能否做到更低，直接因素是制冷的功耗，制冷系統能否節能的關鍵在于是否有效的利用自然冷源，充分利用自然冷源也是降低制冷能耗，減少制冷碳排放最直接的方案。所以目前大型數據中心在建設時，都要考慮天然冷源的使用，比如全年氣溫條件是否滿足自然冷卻要求，例如烏蘭察布全年平均溫度是5℃～7℃，寧夏中衛全年平均溫度是4℃～18℃，甘肅慶陽全年平均溫度是5℃～13℃，山西陽泉全年平均溫度是6℃～18℃，張家口全年平均溫度是4℃～16℃。這些區域年平均溫度都比較適合建數據中心，所以“東數西算”數據中心集群優先選址以上區域。除氣候之外，還可以考慮有得天獨厚水資源的地方，例如湖北省長江三峽數據中心集群，就是利用三峽的電力提供算力，用三峽的水資源提供空調的冷卻。像這樣的數據中心集群還有湖南省彬州市東江湖數據中心集群，也是采用東江湖大壩下游的優質水資源作為冷卻方案以降低PUE。
目前數據中心主要的自然冷源利用方案有以下幾大類:
（一）間接蒸發自然冷卻機組方案（AHU）
間接蒸發冷節能機組是通過熱芯體(空-空換熱器)換熱器充分利用大氣自然冷源實現數據機房散熱的設備，室內/外空氣無需混合交換即可實現熱量傳遞，最大限度的降低機械補冷使用時長，從而達到節能低碳環保。同時，AHU機組在室外側利用水蒸發吸熱的原理，對室外空氣進行噴水(霧)，進一步降低室外空氣的溫度(低于室外環境溫度)，從而延長室外自然冷源的利用時長，達到節能降耗目的。通常部署在數據中心屋頂或側邊，是新建、改建大型、中大型數據中心的理想選擇。
AHU間接蒸發冷卻機組方案是整體結構，系統簡單。與傳統水冷冷凍水系統相比，該機組方案是將冷源設備、輸配設備、未端設備、自控系統集成于一體，后期維護非常方便。第二個特點是部署靈活，縮短建設周期。第三個特點是節水節電，可以降低運營成本。該機組方案能夠充分利用室外自然冷源，減少壓縮機開啟時間，運行模式分為干模式、濕模式、混合模式。干模式和濕模式工況下，壓縮機不開啟。混合模式下，壓縮機部分開啟。在冬季氣溫比較低的時候運行干模式，干模式運行時無需噴水。在濕模式蒸發冷卻時耗水量低于水冷冷凍水空調系統，傳統冷凍水系統的WUE為1.8～2.4之間，而AHU系統方案的WUE為0.3～0.8之間。
（二）氟泵系列自然冷卻空調
氟泵技術的發展已經超過十幾年，氟泵技術在數據中心的應用是比較常見的技術。目前存在的氟泵空調系統包含：氟泵空調、磁懸浮相變多聯空調、PHU整體式氟泵機組、氟泵多聯空調等主要的形式。不管什么形式的氟泵空調，其基本原理大同小異，氟泵系統在夏季采用制冷壓縮機制冷運行，在春秋過渡季節采用氟泵和壓縮機“混合模式”運行，在冬季開啟氟泵自然冷卻模式，保證全年機房空調安全可靠運行。氟泵系列空調最大的好處就是使用自然冷源，同時可以適用于干旱缺水的場景。
目前氟泵技術最成熟的產品要屬氣體增壓氟泵機組，該方案為室內機和室外機分體設計，配置靈活，適用于各種規模的數據中心場景。氟泵機組系統具有三種運行模式，并最大限度的充分利用室外自然冷源，例如海悟的氟泵機組其運行原理如下：
除了分體氟泵機組以外，近幾年又興起了整體式氟泵機組方案（PHU），PHU針對于大型數據中心場景的制冷解決方案。PHU整體式氟泵空調機組是通過低功率氟泵充分利用自然冷源實現數據中心制冷的一體化設備，同樣具備三種運行模式，通過對室外環境溫度監測自動切換運行模式，能最大限度的提高制冷系統的能效比。例如海悟的PHU機組運行模式如下：
磁懸浮相變多聯系統同樣具備三種運行模式，例如海悟磁懸浮相變多聯系統其運行原理如下：
（三）全時水源自然冷卻
利用自然界江、河、湖、海的水源為數據中心提供冷卻水，可以不耗費電力制冷，全年幾乎大部分時間可以做到水源自然冷，大大降低數據中心全年PUE。
該方案最關鍵點在于數據中心選址，數據中心需要選在接近自然水源的地方，通過抽取江水或湖水，經過簡單的過濾直接作為冷卻水使用，因為江水、湖水的溫度通常在十幾攝氏度，比空氣溫度低得多，且四季溫度波動非常小，可有效地帶走服務器產生的熱量。具體實現方式是將江水或湖水抽上來經過過濾，然后引入數據中心的冷卻水管路，通過板換和數據中心空調冷凍水進行二次換熱，冷凍水的回水溫度通常是21℃，經過板換后冷卻至15℃去空調降溫。通過板換的湖水溫度升高后又排到江里，從而將服務器等設備的熱量轉移到江水中，達到冷卻的目的。在設計方案時，需要考慮到水源的水質、流速、溫度等因素，以確保冷卻效果和設備的安全。
采用湖水冷卻的數據中心比較有名的是阿里杭州千島湖數據中心，該數據中心采用深層湖水，數據中心外部有兩臺湖水處理器，通過密封管道從湖面下35米深處取水，水溫基本維持在10度左右。經過緩沖池進入湖水處理器，然后再進入數據中心，通過板換和冷凍水進行換熱，幫助服務器降溫，經過板換帶出熱量后，再流經2.5公里的青溪新城中軸溪，作為城市景觀呈現，最終流回到千島湖。該數據中心年平均做到了PUE1.3。
采用長江水冷卻的案例比較有名的是湖南省資興市東江湖數據中心。東江湖數據中心利用東江湖水庫大壩下游的江水作為自然冷源，大壩下游的江水溫度常年8～13℃，且江水流穩定且水質達到國家一級標準，經過濾處理后進入能源站，通過板式換熱器制取冷凍水為機房降溫。江水在換熱后經密閉管道排入下游，整個過程不消耗水資源且不對江水水質造成影響。這種冷卻方式可以降低數據中心的能耗，相比傳統的制冷方式，僅需五分之一的能耗即可保障設施的正常運行。東江湖數據中心在全年99%的時間里都完全利用江水源冷卻，全年幾乎不啟動冷水機組。采用江水全時冷卻，年平均PUE為1.15。
三、液冷技術方案的應用
創新技術是推動數據中心節能減碳的核心動力、制冷方式的革新、設計建設方式的優化。在數據中心領域，服務器的數量決定了整個數據中心的業務處理能力，而中大型數據中心服務器都是以數千臺來計算，按照一個機架放置10臺服務器，大型數據中心就需要數百個機架。這樣巨量的服務器設備同時運轉，按照每臺運行功率300W來計算，一萬臺就要3兆瓦，所以如果每臺服務器都能節省一點能耗，一萬臺服務器節省的能耗就非常可觀。因此有不少的專家從服務器入手，在服務器上下功夫，在不降低服務器運行性能的前提下，盡量降低運行的能耗和改善服務器的運行環境，在這樣的迫切需求情況下，更加高效的系列液冷方案就應運而生。液冷的冷卻能力遠遠高于傳統風冷的冷卻能力，同體積的空氣和水相比，比如1個立方的水和空氣，在常溫下溫度變化1℃時，空氣的傳熱大約是1.3千焦, 而水的傳熱大約是4200千焦，可見水的傳熱能力超過空氣的3000倍多。
目前，我國液冷數據中心還處于快速發展階段，但已經部分大型企業和機構開始嘗試部署液冷技術，如阿里巴巴、騰訊、華為等公司都在新建或改造部分數據中心為液冷數據中心。此外，還有一些創業公司也在液冷領域進行探索和實踐，如云酷智能、綠色云圖、依米康、海悟、申菱等。
目前液冷技術主要有三大類，分別是噴淋式液冷、浸沒式液冷、冷板式液冷，其示意原理圖如下：
1. 噴淋式液冷：將冷卻液通過噴淋的方式淋在服務器的散熱元件上帶走服務器產生的熱量。
2. 浸沒式液冷：將服務器的發熱元器件完全浸沒在冷卻液中，通過冷卻液的對流或相變將服務器的熱量帶走的散熱系統。根據目前主流氟化液的單相換熱能力是同體積空氣換熱能力的1200倍以上。如果采用相變浸沒式，氟化液的相變換熱能力是同體積空氣換熱能力的10000倍以上。
3. 冷板式液冷：在服務器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱，其他少量發熱器件（如硬盤、接口卡等）仍采用風冷散熱系統。冷板液冷優點是對現有機房的架構影響不大，采用水的散熱能力是同體積空氣散熱能力的3200倍，而且具備低噪音、空間利用率高、熱能可回收的特點。
其中，冷板式液冷技術開發較早，是目前成熟度最高、行業布局最多、應用最廣泛的液冷散熱方案，根據CCID前瞻產業研究院的調研數據，2022年我國液冷市場規模約為600億元左右，其中冷板液冷的市場份額約占65%，浸沒式液冷約占34%，2023年我國液冷市場規模將增至800億元，到2025年我國液冷市場規模預計將達到1300億元左右。
2018年，阿里建設了大型浸沒液冷張北數據中心，該數據中心是阿里云首個應用全浸沒式液冷服務器的數據中心，與傳統制冷系統相比，熱傳導效率要高百倍，節能效果超過70%。阿里張北液冷數據中心不僅在技術上具有創新和領先優勢，同時也注重環保和節能。該數據中心采用自然冷卻等先進節能技術，可將電能利用效率（PUE）控制在1.25以內，最低可達1.13。
浸沒液冷技術的優勢不僅在于導熱散熱，還能夠容納更多IT設備，提高了計算能力。阿里張北液冷數據中心功耗密度達到60千瓦，將計算密度提升了10倍。同時，液冷機柜具有高密封性特點，使得電子元器件遠離濕度、灰塵、振動的影響，提升了設備的穩定性、降低了故障發生率。阿里張北液冷機房運行3年來，與同等規模的其他機房相比，故障發生率降低了54%。基于阿里對張北液冷數據中心的經驗，2020年阿里又在杭州建設了中國首座綠色等級達5A級的液冷數據中心—阿里杭州仁和液冷數據中心，該數據中心整棟樓采用了全浸沒液冷服務器。由于大規模使用全浸沒液冷服務器技術，使得整體PUE值為1.09，達到目前世界最領先水平。
2023年6月5日，移動、聯通、電信三大運營商在第31屆中國國際信息通信展覽會“算力創新發展高峰論壇”上發布了《電信運營商液冷技術白皮書》，白皮書分析了數據中心目前面臨的形勢和液冷技術發展現狀，介紹了電信運營商液冷技術實踐和目前的發展挑戰，提出電信運營商液冷技術發展三年愿景和具體技術路線，對冷板式和浸沒式液冷兩種型式關鍵技術選擇做了介紹。總體來看，冷板式液冷與單相浸沒式液冷各有優劣，生態均需完善，兩者演進均尚需時日，未來一定時間內將并存發展，為當前業內發展主流。綜上，電信運營商現階段主要推進冷板式液冷與單相浸沒式液冷兩種技術路線，詳細如下：
根據《電信運營商液冷技術白皮書》，預計到2025年50%以上數據中心項目將應用液冷技術。互聯網行業液冷數據中心占比達24.0%，金融行業占比達25.0%、電信行業占比達23.0%、能源行業占比達10.5%，生物、醫療和政務等行業需求將加快融入通用數據中心新業態。
液冷技術的出現，不但為“雙碳”戰略做出了貢獻，同時也推動了數據中心節能新技術的落地，改善了傳統風冷的散熱形式，更能滿足高密機柜、芯片級精確制冷、更節能、更節地、更低噪聲。
液冷方案在實際數據中心場景應用中，結合不同的產品制定了場景化的解決方案，例如海悟的場景化液冷解決方案，分別是：
場景一：采用冷板式液冷，配合集中式CDU解決方案，該方案最大支持的功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.2及以下。
場景二：此方案采用冷板式液冷，配合分布式CDU方案，該方案最大支持功率密度為50～80kW，整體液冷方案年平均PUE同樣可以做到1.2及以下。
場景三：此方案采用單相浸沒式液冷，室外采用干冷器，配合雙機柜式CDU,最大支持功率密度為30～100KW，整體液冷方案年平均PUE可以做到1.1及以下。
目前各液冷設備廠家的方案有所不同，因為液冷技術當前生態不完善，各家產品形態各異，產品規范化程度較低，機柜與服務器深度耦合，尚無統一接口標準，難以標準化、規模化推廣應用。推廣液冷技術，需集思廣益、凝聚共識，完善液冷產業標準化和生態建設、促進液冷技術有序發展，開辟數據中心液冷行業高質量發展道路。
四、熱回收方案的應用
隨著“雙碳”政策的推進，更多的數據中心從業者把目光鎖定在數據中心余熱上，數據中心在運行過程中產生的中低品位余熱，這些余熱是一種優質熱源，可以用于加熱生活用水、供暖，在幫助用戶降低用熱成本的同時，也可間接減少因使用化石燃料產生的二氧化碳。根據現有數據，我國北方地區數據中心的可回收余熱總量約10GW，理論上可支持3億平方米建筑供暖。目前，一些大型數據中心已經采用了數據中心余熱回收技術，如阿里千島湖數據中心、騰訊天津數據中心、中國電信重慶云計算基地、萬國數據北京三號數據中心和Ucloud烏蘭察布云計算數據中心等。采用余熱回收給園區供暖和熱水的技術不僅可以減少能源的消耗，還能降低數據中心的運營成本，可謂是一舉兩得。
目前采用余熱回收的主要方案包括以下幾種：
（一）冷凍水型機房空調系統的余熱利用
冷凍水型機房空調系統制冷流程為：冷凍水泵將機房內的熱量通過水循環帶入冷機蒸發器，壓縮機在電力驅動下將蒸發器吸取的熱量傳遞給冷凝器，冷卻水泵推動水循環將冷凝器的熱量換取并帶入冷卻塔，冷卻塔通過直接或間接的方式將循環水內的熱量通過強制換熱散發到室外環境中去。如此往復循環。
冷凍水型機房空調系統通常全年能源效率較低，一般多采用冷凍水側余熱回收，系統原理如下：
余熱回收利用主要發生在冬季，通過余熱回收機組進行熱回收，進而為周圍建筑物供暖。
（二） AHU空調系統機房回風余熱回收
AHU空調系統是一種被大型數據中心機房廣泛采用的溫控方式，尤其是在北方地區，能很好的利用自然冷源，大幅降低全年運行PUE。其余熱回收原理見下：
此處（AHU機組換熱芯體室內回風側）熱量品位較高，回收效果最佳。然后，再過AHU機組中的空-空換熱器與室外空氣換熱，此時AHU可根據室內回風溫度自動調節進入空空換熱器的室外冷風。
經結合海悟AHU產品的運行參數進行測算，該熱回收方式只要在機房回風腔加裝翅片蒸發器，回風進回熱蒸發器的溫度38℃，出蒸發器的溫度26～28℃，可利用溫度達到10℃以上，而翅片風阻最高僅增加40Pa左右，造成的AHU風機總功耗增加約0.85kW，但海悟余熱回收熱泵在此工況下的運行COP卻可以達到6.31以上，使得四季制取45℃熱水的單位耗能都可以降低到傳統電暖設備的1/6以下，如充分加以利用，將取得非常好的經濟和社會效益。
（三）海悟PHU全天候節能機組熱回收
PHU機組本是在“嚴控PUE、WUE”政策壓力下誕生的，開發理念里自帶節約、增效、環境友好的基因。其中，海悟出品的帶熱回收的PHU機型，是2022年新推出的“能源技術與信息技術融合型產品”，是為了推動行業向著“構建綠色、低碳數據中心”為目標的正確方向上發展而做出的努力和貢獻。
在冬季采暖季節， 海悟PHU熱回收機組可維持更高的蒸發溫度，利用小壓比壓縮機，以極致的的效率產出熱能，整機制熱能效比空氣源熱泵機組有顯著提升，從下面的對比表里可以一探端倪：
在壓縮機排氣管路上并聯一個熱回收模塊（水氟換熱板換），通過電磁閥來控制熱量的流向控制，回收排氣熱量，提供采暖熱水。通過電磁閥與電動球閥調節整機供熱量。A/B系統分級切入/切出熱回收工況，避免水溫劇烈波動。
（四）液冷數據中心方案中的余熱回收
前面展示的三種典型的數據中心余熱回收利用技術，其共同的特點是：余熱回收利用占全年總排熱的比例還很低，熱量利用的形式都是低溫的熱水，用途也受限于洗滌、供暖、養殖、印染……等較小的領域。由于低溫熱水的傳輸半徑極其有限，一般受管網及泵送成本的制約，僅能覆蓋在2-3公里范圍內，而數據中心的選址有特殊需求，周邊大概率缺少合適的熱量用戶，造成供需雙方的可望而不可及。
現在也有在探索冷板或浸沒式液冷方案中的熱回收，比如冷板液冷方案中，冷板液冷通常的出水溫度最大45℃，直接在冷板的出水管增加水源熱泵機組，以此來制造出較高溫度的熱水，但這種方案對熱利用的效率仍然不高。如果在芯片的溫度上考慮是否可以提高冷板液冷的出水溫度至65℃，甚至更高一些，通常芯片內部最大能承受的溫度不超過80℃，如果能提升冷板的出水溫度至65℃，這對于熱回收來說直接利用余熱的用處更廣泛。浸沒式液冷也同樣，如果能提升浸沒液體的溫度，對于熱回收的使用價值更大。
總之，數據中心的余熱回收在整個行業還處在摸索階段，目前供暖對象比較單一，與相關行業合作不多，規模還需進一步擴大，相關技術還需進一步完善，熱能利用率還需進一步提升。在這個領域，數據中心的發展遠遠沒有達到預期的水平。數據中心的熱到哪里去了？值得我們所有數據中心從業者考慮和研究，希望在余熱回收方面能為“雙碳”戰略做得更多。
除了分體氟泵和整體式氟泵PHU以外，針對大型數據中心場景，并對PUE有著極高要求的場景（例如：PUE≤1.2），可以采用磁懸浮相變多聯系統，該系統主要應用了磁懸浮變頻技術、蒸發冷凝器技術、變頻氟泵技術、末端多聯技術等。目前主要的冷卻形式有磁懸浮蒸發多聯系統和磁懸浮風冷多聯系統。
除了以上三種形式的氟泵系統方案以外，為適配室外機安裝空間有限的數據中心場景，于是氟泵多聯機系統運應而生，即由一個室外機拖多個室內機的氟泵系統，簡稱氟泵多聯機。氟泵多聯機同樣具備三種運行模式，例如海悟氟泵多聯其運行模式如下：
從機房出來的38℃熱風流過為余熱回收而增設的熱泵機組的蒸發器，溫度被降低到26～28℃，氣流原理如下：
將數據中心制冷與辦公區域采暖集成于一體，最大限度的實現能源的綜合利用。其熱回收原理如下：
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