隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)應(yīng)用需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，進而帶動了新一代數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入加速期，這也勢必需要消耗更多的能源在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)之中。據(jù)中國信息通信研究院統(tǒng)計，2019 年中國數(shù)據(jù)中心的耗電規(guī)模在700多億kWh，占全國耗電規(guī)模的近1%。而在數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗方面目前從制冷空調(diào)部分著手是最有效的手段之一，因此，探求高COP值、低PUE值的制冷方式為數(shù)據(jù)中心進行降溫，是當(dāng)下我國數(shù)據(jù)中心綠色、低碳發(fā)展的時代背景下，推進數(shù)據(jù)中心綠色、低碳發(fā)展以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向。

1  數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢

1.1  數(shù)據(jù)中心規(guī)模及能耗趨勢

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國的數(shù)據(jù)總量將會持續(xù)增長，如圖1所示。賽迪顧問股份有限公司（以下簡稱賽迪顧問）認為，2030 年中國數(shù)據(jù)總量將超過4 YB，占全球數(shù)據(jù)量30%。為儲存和運算處理這些數(shù)據(jù)，考慮到IT技術(shù)自身的發(fā)展，初步估計2030年中國數(shù)據(jù)中心的總規(guī)模將是2019年規(guī)模的2~3倍。由此帶來的總能源消耗量預(yù)計將在2019年基礎(chǔ)上翻一番，占社會總用電量的1.5%~2%。

圖1  中國數(shù)據(jù)規(guī)模增長預(yù)測（來源：賽迪顧問）

近兩年來，新冠疫情防控期間，全國各地的政府和企事業(yè)單位大量使用遠程辦公、線上教育、線上購物、線上商務(wù)往來等措施，這使得中國互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，以下簡稱IDC）業(yè)務(wù)市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長態(tài)勢（圖2）。2020年中國IDC業(yè)務(wù)的總體營收已達1 494.2億元。未來，國內(nèi)IDC行業(yè)仍將保持30%以上的年復(fù)合增長率。

圖2  2019—2022年中國IDC業(yè)務(wù)市場規(guī)模及預(yù)測（來源：中國信息通信研究院）

作為國家網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)中心在發(fā)揮巨大社會發(fā)展責(zé)任的同時其能耗也備受關(guān)注，根據(jù)中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會（GDCT）對數(shù)據(jù)中心行業(yè)的調(diào)研（圖3），2019年的數(shù)據(jù)中心耗電量達到1 452.2億kWh，每年的能源消耗增長率不低于9%。巨大的耗電量和增長率與我國節(jié)能減排政策不匹配。與歐美發(fā)達國家數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率PUE有較大差距，能源利用效率急需快速提升。

圖3  2015—2019 年中國數(shù)據(jù)中心耗電量

在綠色、低碳發(fā)展的時代背景下，推進數(shù)據(jù)中心綠色、低碳發(fā)展，是數(shù)據(jù)中心行業(yè)未來快速發(fā)展的重要研究方向。

1.2  數(shù)據(jù)中心節(jié)能政策趨勢

2012年中國開始了綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的倡導(dǎo)，工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》，工業(yè)和信息化部節(jié)能司第一次提出綠色數(shù)據(jù)中心。國家以及地方政策重點核心內(nèi)容如圖4所示。

圖4  國家及各地方數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展及建設(shè)的指導(dǎo)性意見以及政策要求

2  綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的綠色能源

2.1  能源輸入側(cè)的綠色化

數(shù)據(jù)中心的能耗一般為電力消耗，數(shù)據(jù)中心對供電等級要求較高，除了兩路市電接入、不間斷電源、后備電池以外，還需配置柴油發(fā)電機作為備用電源，發(fā)電機如開啟會直接產(chǎn)生大量的溫室氣體排放。所以，數(shù)據(jù)中心供電的綠色化、低碳化是數(shù)據(jù)中心供能側(cè)的可持續(xù)發(fā)展的必然要求。首先應(yīng)倡導(dǎo)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展中，統(tǒng)籌考慮將光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電以及氫能發(fā)電等綠色可持續(xù)發(fā)電以及供電方式納入數(shù)據(jù)中心供電側(cè)的綠色發(fā)展；二是出臺數(shù)據(jù)中心建設(shè)供能側(cè)再生能源使用量的認定的相應(yīng)的政策或者法規(guī)要求；三是將數(shù)據(jù)中心應(yīng)用可再生能源利用率納入數(shù)據(jù)中心碳減排考核體系。這樣一來將促使數(shù)據(jù)中心在功能側(cè)的綠色、低碳化發(fā)展。

2.2  能源利用側(cè)的綠色化

數(shù)據(jù)中心的耗能部分主要包括IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及其他設(shè)施等，其能耗分布如圖5所示。其中，由IT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的45%，空調(diào)系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%，電源和照明系統(tǒng)分別占數(shù)據(jù)中心總耗電量的10%和5%。我國數(shù)據(jù)中心技術(shù)節(jié)能潛力的分析結(jié)果表明：IT設(shè)備系統(tǒng)的綜合技術(shù)節(jié)能潛力為11%～39%，平均為29%；空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力為4%～69%，平均為36%；配電系統(tǒng)的綜合節(jié)能潛力為8%～27%，平均為18%?？梢?，空調(diào)系統(tǒng)仍是數(shù)據(jù)中心提高能源效率的重點環(huán)節(jié)。

圖5  數(shù)據(jù)中心能耗組成占比分析

然而，隨著云計算以及虛擬化的進一步發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的單體建設(shè)規(guī)模將繼續(xù)增大，不管是局部散熱，還是整體散熱，傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷等技術(shù)均無法滿足綠色、低碳發(fā)展的要求。因此，大力發(fā)展數(shù)據(jù)中心用能側(cè)的綠色化發(fā)展應(yīng)重點集中在大力推廣高效的自然冷卻關(guān)鍵技術(shù)推進綠色數(shù)據(jù)中心優(yōu)化升級。那么在自然冷卻中間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)、液冷技術(shù)、氟泵技術(shù)等關(guān)鍵冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心自然冷卻發(fā)展中得到了行業(yè)的廣泛認可。在工業(yè)和信息化部印發(fā)《綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術(shù)產(chǎn)品目錄》中連續(xù)兩年（2019年、2020年）都將蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術(shù)。這些關(guān)鍵制冷技術(shù)將更好地推動數(shù)據(jù)中心的綠色、高效的用能、節(jié)能。

3  “干空氣能”助力數(shù)據(jù)中心綠色冷卻

“干空氣能”即是因為干燥空氣可以容納更多水蒸氣，而水蒸發(fā)成氣體會吸收熱量同時降低空氣的溫度，所以干空氣在由干變潮濕的過程中能吸收空氣中的顯熱能量，這種能量即是空氣所具備的干空氣能。早在2007年我國新能源開發(fā)利用“干空氣能”用于蒸發(fā)冷卻空調(diào)制冷，取得重大突破。蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)在我國新疆、西藏、青海、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西、云南等干燥地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)也成為干燥地區(qū)國家倡導(dǎo)的制冷空調(diào)技術(shù)。

對于數(shù)據(jù)中心而言，其冷卻溫度要求并不像其他場所要求送風(fēng)溫度或者環(huán)境溫度在較低的溫度。美國供熱、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會（ASHREA）早在2008就將推薦IT設(shè)備入口空氣溫度的上限值從25 ℃提高到27 ℃。而ASHREA 2015設(shè)計手冊中又給出了A1~A4分級推薦和允許環(huán)境參數(shù)分布圖，圖6為其給出的分級推薦和允許環(huán)境參數(shù)分布圖。

圖6  ASHRAE設(shè)計手冊推薦機柜進風(fēng)溫度、濕度范圍

我國新的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中將機房熱濕環(huán)境要求改為：冷通道或機柜進風(fēng)區(qū)域的溫度為18 ℃~27 ℃，露點溫度為5.5 ℃~15 ℃，同時相對濕度不大于60%；當(dāng)IT設(shè)備對環(huán)境溫度和相對濕度可以放寬要求時，機房冷通道或機房進風(fēng)區(qū)域的溫度允許擴大到15 ℃~32 ℃。所以對于數(shù)據(jù)中心而言，其降溫需求與利用高效、綠色的自然蒸發(fā)冷卻制冷空調(diào)系統(tǒng)可制取的冷風(fēng)或者冷水有著很好的匹配度。

2021年5月，國家發(fā)展和改革委員會等四部門聯(lián)合印發(fā)了《全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實施方案》（發(fā)改高技〔2021〕709號），明確提出啟動實施“東數(shù)西算”工程，構(gòu)建國家算力網(wǎng)絡(luò)體系?！皷|數(shù)西算”不僅是數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)碳中和的優(yōu)質(zhì)選擇同時也能高效緩解我國資源和發(fā)展之間的矛盾，也將促使“干空氣能”富集區(qū)的西北地區(qū)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的綠色低碳發(fā)展得到進一步提升。

早在2013年1月，工業(yè)和信息化部等五部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》，根據(jù)氣候等因素、能源富集程度和地質(zhì)災(zāi)害將我國地區(qū)主要分為三大類地區(qū)（表1）。

表1  數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局三類地區(qū)劃分

在一、二類地區(qū)或城市建設(shè)數(shù)據(jù)中心將有利于蒸發(fā)冷卻技術(shù)等（自然冷源降溫技術(shù)）的利用，這些地區(qū)冬季寒冷且持續(xù)時間長，夏季環(huán)境空氣炎熱干燥，空氣自身干球-濕球溫差較大，特別適合蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用，用蒸發(fā)冷卻技術(shù)與數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)相結(jié)合，能夠有效地延長自然冷卻運行的時間，從而實現(xiàn)最大限度地降低數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的能源消耗。最大限度地降低數(shù)據(jù)中心的運營成本。數(shù)據(jù)中心自然蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用形式分類如圖7所示。

圖7  數(shù)據(jù)中心自然冷卻技術(shù)分類

3.1  數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻

3.1.1  數(shù)據(jù)中心直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)及應(yīng)用

3.1.1.1  直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)如圖8所示，即送入數(shù)據(jù)中心的室外空氣先與水通過直接蒸發(fā)冷卻填料進行直接接觸，因水的蒸發(fā)吸收汽化潛熱而使空氣的溫度下降，低溫空氣用于數(shù)據(jù)中心的冷卻。充分利用外部空氣，在夏季，該裝置可通過直接蒸發(fā)冷卻將數(shù)據(jù)中心的空氣加濕和冷卻，而在冬季，該裝置采用一部分的機房回風(fēng)來確保對送風(fēng)濕度的控制，同時不會存在凝結(jié)水，對機房的服務(wù)器造成影響。

圖8  數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)直接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

3.1.1.2  應(yīng)用案例

目前國際上采用噴淋式直接蒸發(fā)冷卻方式最著名的是Facebook在美國普林維爾建造的大數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心使用噴霧式蒸發(fā)冷卻器的風(fēng)側(cè)自然冷卻實現(xiàn)了很好的節(jié)能效果。中國寧夏中衛(wèi)西部云基地亞馬遜云計算數(shù)據(jù)中心。當(dāng)?shù)囟臎?，全年年平均氣溫?.3 ℃~9.5 ℃之間的外界空氣冷源，在數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中采用了直接空氣側(cè)自然冷卻如圖9所示，該系統(tǒng)將蒸發(fā)冷卻裝置與數(shù)據(jù)中心建筑結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，其直接蒸發(fā)冷卻濕簾墻如圖10所示，在室外氣象條件變化時切換不同的運行模式，此系統(tǒng)與傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心制冷方案相比，全年節(jié)能率超過60%，年平均PUE為1.25。在國內(nèi)還有寧算科技集團拉薩數(shù)據(jù)中心A棟右分段也采用新風(fēng)直接蒸發(fā)冷卻機組40臺（圖11）。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，不需補充機械制冷，從而實現(xiàn)了最大程度地節(jié)能。

圖9  寧夏中衛(wèi)亞馬遜云計算數(shù)據(jù)中心直接空氣側(cè)自然冷卻

圖10  直接蒸發(fā)冷卻濕簾墻

圖11  寧算科技集團拉薩數(shù)據(jù)中心直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)備

3.1.2  數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理及應(yīng)用

3.1.2.1  風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

由于大部分地區(qū)室外空氣質(zhì)量不能達到數(shù)據(jù)中心進風(fēng)潔凈度的要求，所以直接將室外新風(fēng)引入數(shù)據(jù)中心，并不能達到相應(yīng)的潔凈要求。因此，為了降低數(shù)據(jù)中心的能耗同時可更大的限度地利用自然冷源，間接蒸發(fā)自然冷卻技術(shù)因此成為數(shù)據(jù)中心減碳節(jié)能的首選技術(shù)。圖12為典型的數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)示意圖。間接蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)有3種工作模式，其運行狀態(tài)如圖13所示，分別為：干模式（冷卻器空氣/空氣換熱）、濕模式（風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻）、耦合模式（風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻+機械制冷）。根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)全年的動態(tài)變化，3種工作模式依次動態(tài)切換，為數(shù)據(jù)中心熱環(huán)境提供保障。

圖12  數(shù)據(jù)中心間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)框架

圖13  數(shù)據(jù)中心風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻示意圖

3.1.2.2  數(shù)據(jù)中心應(yīng)用案例

某企業(yè)臨沂大數(shù)據(jù)中心位于山東省臨沂市沃爾沃路與合肥路交會處沂蒙云谷內(nèi)，如圖14所示，該項目占地約63 333.33m2，總建筑面積13 315 m2，設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)化模塊機房6所，可承載服務(wù)器機柜1 000臺、服務(wù)器1萬余個，該項目規(guī)模一期300個機柜，其中低密區(qū)4 kW/柜，高密區(qū)8 kW/柜，共使用10套風(fēng)側(cè)間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，3個月完成所有部件安裝，縮短50%的建設(shè)周期，數(shù)據(jù)中心年省電費11.3%，是某企業(yè)全球首例采用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，PUE值低于1.25。

圖14  華為臨沂大數(shù)據(jù)中心

內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市與某企業(yè)合作建設(shè)的烏蘭察布云數(shù)據(jù)中心（圖15），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。該項目一期8 MW，共1 056個機柜。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套某品牌FusionCol8000-E220間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品，共計56套，15 d所有設(shè)備就位，4個月完成全部安裝，縮短建設(shè)周期50%，年均PUE低至1.15，數(shù)據(jù)中心年省電費12.2%。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kWh，減排4 724噸二氧化碳。

圖15  烏蘭察布某數(shù)據(jù)中心應(yīng)用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)案例

3  “干空氣能”助力數(shù)據(jù)中心綠色冷卻

3.2  數(shù)據(jù)中心水側(cè)蒸發(fā)冷卻

3.2.1  水側(cè)蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理

由于風(fēng)的載冷量遠小于水，水側(cè)蒸發(fā)自然冷卻系統(tǒng)因此成為數(shù)據(jù)中心制冷空調(diào)系統(tǒng)的重點研究對象。對于間接蒸發(fā)冷卻冷水機組，其技術(shù)關(guān)鍵在于空氣和水直接接觸進行蒸發(fā)冷卻過程之前，先對空氣進行間接預(yù)冷等濕降溫從而使得進風(fēng)有更低的濕球溫度進而制取溫度更低的冷水。間接蒸發(fā)冷卻冷水機組所產(chǎn)生的冷水的極限溫度為空氣的露點溫度。間接蒸發(fā)冷卻冷水機組一般由高溫表冷段、間接蒸發(fā)冷卻預(yù)冷段與淋水填料段3段構(gòu)成如圖16所示，焓濕圖如圖17所示。

圖16  間接蒸發(fā)冷卻冷水機組示意圖

圖17  間接蒸發(fā)冷卻冷水機組空氣與水的處理過程焓濕圖

3.2.2  應(yīng)用案例

新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市聯(lián)通數(shù)據(jù)中心采用了自然蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)、間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)及乙二醇自然冷卻技術(shù)，實現(xiàn)蒸發(fā)冷卻空氣—水空調(diào)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域中的首次應(yīng)用（圖18），并實現(xiàn)全年100%自然冷卻。

圖18  新疆烏魯木齊市聯(lián)通數(shù)據(jù)中心

當(dāng)室外干球溫度低于3 ℃時，該系統(tǒng)為干運行模式，如圖19（a）所示。此時空調(diào)系統(tǒng)通過表冷器內(nèi)的防凍冷卻介質(zhì)（例如乙二醇）與室外溫度較低的空氣換熱，為進行排熱。當(dāng)室外環(huán)境溫度高于3 ℃時，單靠乙二醇表冷換熱已經(jīng)無法保證數(shù)據(jù)中心的有效散熱，于是間接蒸發(fā)冷卻冷水機組開始工作，空調(diào)系統(tǒng)切換到濕運行模式，利用間接蒸發(fā)冷卻冷水機組制取的冷水通過板式換熱器為數(shù)據(jù)中心排熱，如圖19（b）所示。當(dāng)室外環(huán)境溫度繼續(xù)升高，環(huán)境濕球溫度高于18 ℃時，此時該系統(tǒng)開啟水側(cè)、風(fēng)側(cè)復(fù)合蒸發(fā)冷卻運行模式，如圖19（c）所示。間接蒸發(fā)冷卻冷水機組的表冷預(yù)冷與立管間接預(yù)冷段都開啟，將制取的冷風(fēng)供給新風(fēng)機組進風(fēng)預(yù)冷表冷器，新風(fēng)經(jīng)等濕降溫后再由后面直接蒸發(fā)冷卻實現(xiàn)等焓降溫最終送入數(shù)據(jù)中心吸收熱量后排出。實測表明，冷水機組、新風(fēng)機組的耗水量分別為0.34 m3/h、0.06 m3/h，該系統(tǒng)SCOP為16.64、COP為6.65，該數(shù)據(jù)中心全年理論PUE為1.285，相比機房空調(diào)系統(tǒng)常用的兩種制冷方式全年最大節(jié)能率為73%。

圖19  新型數(shù)據(jù)中心水側(cè)間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

3.3  數(shù)據(jù)中心氟利昂側(cè)蒸發(fā)冷卻

3.3.1  技術(shù)原理

蒸發(fā)式冷凝器將冷卻塔和冷凝器“合二為一”，以空氣和水作為冷卻介質(zhì)，工作時，啟動水泵和風(fēng)機。此時水箱中的水經(jīng)過水泵的抽吸作用通過噴嘴噴出，淋在換熱盤管表面，形成均勻的水膜；空氣由進風(fēng)口進入，由于風(fēng)機作用，強迫掠過盤管表面后排出?？諝庠诒P管表面與水膜接觸，水膜和空氣在溫度差和水蒸氣分壓力差的共同作用下進行熱質(zhì)交換，發(fā)生直接蒸發(fā)冷卻過程，水膜表面溫度被降低，然后通過換熱盤管的導(dǎo)熱作用，冷卻管內(nèi)介質(zhì)，使高溫高壓的制冷劑蒸汽冷凝成低溫的制冷劑液體。冷凝熱被管外側(cè)空氣通過風(fēng)機排到外界。

圖20  蒸發(fā)冷凝器示意圖

3.3.2  應(yīng)用案例

某公司天津空港數(shù)據(jù)中心園區(qū)3#數(shù)據(jù)中心的制冷方案采用了全變頻風(fēng)冷氟泵直膨的方案，如圖21所示。并且冷凝器采用集中式蒸發(fā)冷凝器，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7 200 kW，即主用6 000 kW+備用1 200 kW，可根據(jù)IT負荷以及氣候情況靈活調(diào)整?？照{(diào)設(shè)備的不間斷供冷采用UPS作為備用電源。在夏季炎熱季節(jié)進行噴霧降溫，提高效率。噴淋使冷凝溫度降低6 ℃，可有效避免送回風(fēng)風(fēng)溫度降低了短路造成的熱島效應(yīng)，同時提高機組能效。

圖21  某公司天津空港數(shù)據(jù)中心園區(qū)3#數(shù)據(jù)中心集中式蒸發(fā)冷凝解決方案

4  多技術(shù)結(jié)合下的數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)

4.1  蒸發(fā)冷卻技術(shù)與余熱回收技術(shù)的結(jié)合

隨著國家發(fā)展的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)量和規(guī)模將呈指數(shù)型增長，但數(shù)據(jù)中心只要運行，其必然是一個連續(xù)發(fā)熱的場所，而為了保證數(shù)據(jù)中心中服務(wù)器的正常運行我們需要給其匹配安全可靠的、高效的制冷空調(diào)系統(tǒng)。這勢必導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心能耗較高的這一弊病。所以，如果能利用熱回收技術(shù)將數(shù)據(jù)中心這些熱量加以利用那么數(shù)據(jù)中心的碳排放將會明顯降低。目前，已有相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對數(shù)據(jù)中心余熱回收利用提出來了要求，例如相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)提出數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)對自然冷卻和余熱回收的經(jīng)濟效益分別進行計算，并應(yīng)采用經(jīng)濟效益最大的節(jié)能設(shè)計方案。例如在西藏、新疆、甘肅等西北地區(qū)，因為氣候干燥且因為以上地區(qū)含有地處高原地區(qū)，其全年有超過50%的時間其氣溫處于20 ℃以下。但在冬季時這些地區(qū)多數(shù)建筑及生產(chǎn)生活場所都需要供熱。那么在“東數(shù)西算”的大的發(fā)展背景下，西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與發(fā)展將走上快車道，所以結(jié)合這些地區(qū)的氣候特點以及各行各業(yè)協(xié)同綠色發(fā)展將數(shù)據(jù)中心的余熱利用空氣源熱泵技術(shù)以及蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合的方式打造出近零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)新思路，如圖22、圖23所示分別為數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻+熱回收技術(shù)架構(gòu)圖與應(yīng)用效果圖。

圖22  數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻+熱回收技術(shù)架構(gòu)圖

圖23  數(shù)據(jù)中心蒸發(fā)冷卻+熱回收技術(shù)應(yīng)用效果圖

4.2  蒸發(fā)冷卻技術(shù)與液冷技術(shù)的結(jié)合

很多主流的互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心單機柜功率密度已有8 kW左右，高性能計算中心單機柜功率密度在30 kW～50 kW范圍內(nèi)。隨著單機柜功率密度不斷快速增長，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的冷卻方式將更加貼近服務(wù)器本身。進而引進液冷技術(shù)在內(nèi)循環(huán)側(cè)將芯片級熱量由特制的液冷冷板帶出服務(wù)器經(jīng)換熱單元將熱量送給外循環(huán)，而外循環(huán)的散熱設(shè)備通常則為冷卻塔或者間接蒸發(fā)冷卻冷水機組，如圖24所示。由于冷卻塔內(nèi)發(fā)生的是直接蒸發(fā)冷卻過程出水溫度在進口空氣濕球溫度之上。而間接預(yù)冷式蒸發(fā)冷卻冷水機組通過預(yù)冷段對進口空氣進行預(yù)冷，可使出水溫度達到進口空氣濕球溫度以下。夏季極端熱濕氣象條件下冷卻塔出水溫度有局限，不能滿足液冷散熱的需求，無法保證數(shù)據(jù)中心全年安全運行。所以在不同地區(qū)不同的氣候環(huán)境下保證數(shù)據(jù)中心絕對安全的情況下應(yīng)選擇合理的液冷外循環(huán)散熱方式。

圖24  數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)+蒸發(fā)冷卻散熱結(jié)構(gòu)

5  展望與總結(jié)

1） 國家2030碳達峰和2060碳中和的目標(biāo)的提出，自然冷卻解決方案將是綠色數(shù)據(jù)中心的必然選擇。在合適的氣象環(huán)境以及資源環(huán)境下盡可能使用高效的、綠色的制冷空調(diào)空調(diào)系統(tǒng)。目前在數(shù)據(jù)中心中蒸發(fā)冷卻空調(diào)的系統(tǒng)的風(fēng)側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)、水側(cè)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)以及氟利昂側(cè)蒸發(fā)冷凝散熱空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟化。對于數(shù)據(jù)中心不同的蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)形式，應(yīng)當(dāng)綜合考慮其應(yīng)用條件和場景，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)最大程度的利用可再生能源-干空氣能，從而降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

2） 隨著數(shù)據(jù)中心熱流密度的進一步升級，有效地將自然冷卻技術(shù)與液冷技術(shù)、背板熱管等可靠近散熱芯片段的制冷技術(shù)相結(jié)合，形成內(nèi)外循環(huán)互補、高效梯級用能使得“干空氣能”等可再生能源更好地迎合數(shù)據(jù)中心高速發(fā)展、快速建設(shè)的需求。同時在“東數(shù)西算”的背景下應(yīng)盡可能地將數(shù)據(jù)中心的熱量進行熱回收用于生活生產(chǎn)，實現(xiàn)高效集約、節(jié)能低碳化可持續(xù)發(fā)展打造真正的零碳數(shù)據(jù)中心。

來源：網(wǎng)絡(luò)

本文標(biāo)題：“雙碳”目標(biāo)下實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心 冷卻關(guān)鍵技術(shù)路徑的探討

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