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雙碳”趨勢下，零碳數(shù)據(jù)中心如何打造，要重點考慮"電從哪里來？熱到哪里去?"（二）

發(fā)布時間：2024-12-16

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二、自然冷源的利用：

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)能耗是數(shù)據(jù)中心基礎設施能耗的主要部分，是數(shù)據(jù)中心節(jié)能減碳的重點，例如在一個PUE 為1.3的數(shù)據(jù)中心，制冷能耗要占16%左右，供電及其它損耗約占7%，比例如下：

數(shù)據(jù)中心的PUE能否做到更低，直接因素是制冷的功耗，制冷系統(tǒng)能否節(jié)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(shù)據(jù)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(wèi)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(qū)域年平均溫度都比較適合建數(shù)據(jù)中心，所以“東數(shù)西算”數(shù)據(jù)中心集群優(yōu)先選址以上區(qū)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(shù)據(jù)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(diào)的冷卻。像這樣的數(shù)據(jù)中心集群還有湖南省彬州市東江湖數(shù)據(jù)中心集群，也是采用東江湖大壩下游的優(yōu)質(zhì)水資源作為冷卻方案以降低PUE。

目前數(shù)據(jù)中心主要的自然冷源利用方案有以下幾大類:

（一）間接蒸發(fā)自然冷卻機組方案（AHU）

間接蒸發(fā)冷節(jié)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(xiàn)數(shù)據(jù)機房散熱的設備，室內(nèi)/外空氣無需混合交換即可實現(xiàn)熱量傳遞，最大限度的降低機械補冷使用時長，從而達到節(jié)能低碳環(huán)保。同時，AHU機組在室外側(cè)利用水蒸發(fā)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(huán)境溫度)，從而延長室外自然冷源的利用時長，達到節(jié)能降耗目的。通常部署在數(shù)據(jù)中心屋頂或側(cè)邊，是新建、改建大型、中大型數(shù)據(jù)中心的理想選擇。

AHU間接蒸發(fā)冷卻機組方案是整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)簡單。與傳統(tǒng)水冷冷凍水系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)水節(jié)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(fā)冷卻時耗水量低于水冷冷凍水空調(diào)系統(tǒng)，傳統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)的WUE為1.8～2.4之間，而AHU系統(tǒng)方案的WUE為0.3～0.8之間。

（二）氟泵系列自然冷卻空調(diào)

氟泵技術的發(fā)展已經(jīng)超過十幾年，氟泵技術在數(shù)據(jù)中心的應用是比較常見的技術。目前存在的氟泵空調(diào)系統(tǒng)包含：氟泵空調(diào)、磁懸浮相變多聯(lián)空調(diào)、PHU整體式氟泵機組、氟泵多聯(lián)空調(diào)等主要的形式。不管什么形式的氟泵空調(diào)，其基本原理大同小異，氟泵系統(tǒng)在夏季采用制冷壓縮機制冷運行，在春秋過渡季節(jié)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(diào)安全可靠運行。氟泵系列空調(diào)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(chǎn)品要屬氣體增壓氟泵機組，該方案為室內(nèi)機和室外機分體設計，配置靈活，適用于各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心場景。氟泵機組系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心場景的制冷解決方案。PHU整體式氟泵空調(diào)機組是通過低功率氟泵充分利用自然冷源實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(huán)境溫度監(jiān)測自動切換運行模式，能最大限度的提高制冷系統(tǒng)的能效比。例如海悟的PHU機組運行模式如下：

除了分體氟泵和整體式氟泵PHU以外，針對大型數(shù)據(jù)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(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應用了磁懸浮變頻技術、蒸發(fā)冷凝器技術、變頻氟泵技術、末端多聯(lián)技術等。目前主要的冷卻形式有磁懸浮蒸發(fā)多聯(lián)系統(tǒng)和磁懸浮風冷多聯(lián)系統(tǒng)。

磁懸浮相變多聯(lián)系統(tǒng)同樣具備三種運行模式，例如海悟磁懸浮相變多聯(lián)系統(tǒng)其運行原理如下：

當夏季室外溫度較高時，開啟純壓縮機模式運行，確保室內(nèi)送回風溫度滿足機房要求。

在過渡季節(jié)（冬、夏之間交替的季節(jié),一般以春、秋兩季為過渡季節(jié)）時，開啟壓泵混合模式，系統(tǒng)能效顯著提升。

當室外溫度低于一定值時，開啟氟泵自然冷模式，此時壓縮機停止工作，完全利用自然冷源制冷，大大降低數(shù)據(jù)中心制冷能耗。

除了以上三種形式的氟泵系統(tǒng)方案以外，為適配室外機安裝空間有限的數(shù)據(jù)中心場景，于是氟泵多聯(lián)機系統(tǒng)運應而生，即由一個室外機拖多個室內(nèi)機的氟泵系統(tǒng)，簡稱氟泵多聯(lián)機。氟泵多聯(lián)機同樣具備三種運行模式，例如海悟氟泵多聯(lián)其運行模式如下：

（三）全時水源自然冷卻

利用自然界江、河、湖、海的水源為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心全年PUE。

該方案最關鍵點在于數(shù)據(jù)中心選址，數(shù)據(jù)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(jīng)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(chǎn)生的熱量。具體實現(xiàn)方式是將江水或湖水抽上來經(jīng)過過濾，然后引入數(shù)據(jù)中心的冷卻水管路，通過板換和數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水進行二次換熱，冷凍水的回水溫度通常是21℃，經(jīng)過板換后冷卻至15℃去空調(diào)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(zhuǎn)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(zhì)、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(shù)據(jù)中心比較有名的是阿里杭州千島湖數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心采用深層湖水，數(shù)據(jù)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(jīng)過緩沖池進入湖水處理器，然后再進入數(shù)據(jù)中心，通過板換和冷凍水進行換熱，幫助服務器降溫，經(jīng)過板換帶出熱量后，再流經(jīng)2.5公里的青溪新城中軸溪，作為城市景觀呈現(xiàn)，最終流回到千島湖。該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心。東江湖數(shù)據(jù)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(wěn)定且水質(zhì)達到國家一級標準，經(jīng)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(jīng)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(zhì)造成影響。這種冷卻方式可以降低數(shù)據(jù)中心的能耗，相比傳統(tǒng)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(shù)據(jù)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。

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