新形势下数据中心冷却技术的应用现状与发展趋势

新形势下数据中心冷却技术的应用现状与发展趋势目 录数据中心的绿色可持续发展010204数据中心的节能发展趋势结语数据中心低碳高效制冷技术03“双碳”目标意义碳达峰促进绿色低碳转型推动经济高质量发展保障能源安全供应碳中和开创生态文明新时代迈入能源可持续发展阶段构建经济高质量发展新格局从发电结构来看，2021年全国风力发电量为5667亿千瓦时，占比为6.99%；核能发电量为4075.2亿千瓦时，占比为5.02%；火力发电量为57702.7亿千瓦时，占比为71.13%；水力发电量为11840.2亿千瓦时，占比为14.60%；太阳能发电量为1836.6亿千瓦时，占比为2.26%。1“东数西算”8个枢纽、10个集群工信部、发改委、财政部等六部门联合发布《工业能效提升行动计划》:到2025年，新建大型、超大型数据中心PUE优于1.3。预计到2025年，XX数据中心集群PUE达到1.25。《关于在长三角生态绿色一体化发展示范区加快数字经济发展推进先行先试的若干举措》提出新建大型、超大型数据中心PUE不超过1.25。2东数PUE≤1.25，西算PUE≤1.2数据中心碳排放工信部统计2021年数据中心总用电量为940亿度。目前数据中心建设运行呈现出两个较为显著的特点：一线城市数据中心需求旺盛，但运行能效相对较低，以“市场优先型”数据中心为主；二三线城市数据中心需求相对不足，但运行能效相对较高，适合“成本优先型”数据中心。数据中心二氧化碳排放量参数201920202021202220232024202520262027202820292030新增服务器（万台）320330360390430460500540590640690750净增服务器（万台）-90100110130130150160180190200220在运行服务器数量（万台）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年用电量（亿度）810870937101211001187120012961410153016541800折合标煤量(万吨)251027002900314034103680371040204370474051305550二氧化碳排放量（万吨）67807290（5461）783084809210994010000（6972）1085011800128001385015000碳排放因子：581gCO2/kWh3数据中心碳排放4PUE=数据中心总能耗IT设备总能耗CUE=碳排放量IT设备总能耗低碳就是低能耗！目 录数据中心的绿色可持续发展010204数据中心的节能发展趋势结语数据中心低碳高效制冷技术035数据中心冷却技术发展~20002010201520162017201820202022~小机房时代大型水冷直接新风自然冷却间接新风自然冷却冷板液冷浸没液冷间接冷水自然冷却全变频氟泵 风冷&水冷&液冷蒸发冷凝 气动热管风冷DX直膨冷却分散冷却末端分布式冷源水侧自然冷却分散冷却末端集中冷源（大型离心机&板换）风侧自然冷却分散冷却末端分散/集中冷源风侧自然冷却分散冷却末端分散/集中冷源冷板试验机房浸没液冷试验机房间接蒸发冷却冷水机组间接蒸发冷却塔全变频氟泵冰川相变系统氟泵热管、混动双擎热管、液冷进入规模化应用，数据中心冷却形式百花齐放11节能蒸发冷却技术利用环境空气未饱和这一特性，充分利用干空气能这一可再生能源，减少空调对传统能源的依赖。健康蒸发冷却空调系统与传统机械制冷空调系统相比，初投资可节省1/2，维护费用节省2/3，运行费用节省3/4。蒸发冷却空调以水为冷却介质，无氟利昂等传统制冷剂，不产生温室效应气体，是环境友好型的新技术。经济蒸发冷却空调产生清洁绿色的新风，既能达到降温需求的同时，有效改善人类生产生活的品质风、水、氟三足鼎立！蒸发冷却技术优势所在低碳13技术成熟系统简单耗水量较少运行费用较低优点缺点空气湿度较大受室外气象条件影响大机组尺寸较大或数量较多水质要求高。15宁夏XX360数据中心建筑外观间接蒸发冷却直接蒸发冷却年均PUE=1.2517XXX科技集团XXX数据中心A栋一层共计6个机房模块；二层共计16个机房模块，共提供IT机柜2960台，运营商机柜72台。A栋分左右两个分段，左分段采用64台新风间接蒸发自然冷却机组；右分段采用新风直接蒸发冷却机组40台。其中，新风直接蒸发冷却可全年工作在完全自然冷却模式，不需补充机械制冷，从而实现了最大程度的节能。XXX科技集团XXX数据中心座落于XXX市XXX国家级高新区核心区域。项目整体占地1038亩，总体规划建设40万平方米的数据中心。该项目是目前全球海拔最高、西藏自治区最大的云计算数据中心。19技术成熟，应用发展迅速系统简单便于运维耗水量较少运行费用较低优点缺点机组为房间级空调，不适用于高密机房机组占用空间多UPS配电容量大，初投资及占用空间多机组摆放影响建筑立面效果喷淋水水质要求高，水处理成本高。XX市与XX合作建设的XX云数据中心，致力打造成华北大区云计算产业支撑中心、全国乃至全球云服务业务承接中心、全国云服务业务备份中心。该项目一期8MW，共1056个机柜。由5层共368个预制模块箱体堆叠，其中2~5层应用间接蒸发冷却解决方案制冷，下送风至机房内，模块内采用密闭热通道方案，通过吊顶回风，温度设计在37℃。每层采用14套XXFusionCol8000-E220间接蒸发冷却产品，共计56套，15天所有设备就位，4个月完成全部安装，缩短建设周期TTM50%+。数据中心应用该技术产品后每年节省用电491万kW•h，节约用能2215tce/a,减排4724吨二氧化碳。24项目背景项目规模一期/二期均为8MW,1000+机柜/（三期共24MW）功率密度8KW/柜项目应用公有云＆XX私有云XX方案由5层共300+个预制模块箱体堆叠，含96个IT设备箱2~5层应用，每层14套220kwAHU，共计56套客户价值15天所有箱体就位，4个月完成全部安装，缩短TTM50%+年均PUE低至1.15，数据中心年省电费12.2%25首个三点式布局的数据中心集群大面积运用AHU大力采用风电、光伏等绿色能源新风结合冷却水、自然冷却时间长支持2022北京冬奥会年PUE低于1.2，最低可达1.09XXXXX云数据中心28建筑一体化间接蒸发冷却应用案例建筑空间融合设计，充分利用场地高度和室外通风条件，可全年不间断利用间接蒸发冷却对热回风进行预冷；与水冷、风冷系统结合设计，可减少主机运行时长、降低主机工作负载，提高系统可用性。广东XXX云计算数据中心额定制冷量260kW制冷量补充形式DX补充补充制冷量230kW数量36套间接蒸发冷空调等T-block技术，实现像乐高搭积木一样快速建设的同时，进一步提升自动化高效运营。国内XXX云计算数据中心采用了多项目前最领先的技术，是腾讯在新基建领域技术和实力的集中体现。腾讯XXX云计算数据中心通过采用间接蒸发冷却、HVDC+市电直供、冷热通道隔离、优化气流组织、太阳能供电等节能技术和系统方案，并充分利用自然冷源等的办法，数据中心PUE（数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值）低于1.25，在整个华南地区处于最优水平。2122部分采用间接蒸发制冷PUE<1.25模块化设计，分期建设，满足集团不同业务部门需求冷却塔和柴发做隔音、消音处理，适应城市区域环境双冷源一主一备，兼顾节能与高可用采用小母线供电，提高机房空间利用率较强的软件开发和运维能力，服务业务的意识极佳多层侧墙安装平层屋顶安装间接蒸发冷却机组原理XXXX数管据理中学心院信息中心数据中心中国XXXXXXX金融管理学院信息中心数据中心国内首个采用7层堆叠式间接蒸发冷却空调系统。XXX金融数据中心项目中首个实现并通过测试的数据中心PUE<1.25项目。按照《数据中心设计规范》A级机房标准建设。是国内金融数据中心的节能技术标杆。相比传统设计，每年至少节能电费1600万度。水侧间接蒸发冷却技术间接蒸发冷却冷水机组或间接蒸发冷却塔利用空气的干湿球温度差，输出高温冷水或冷却水，以得到较低的供冷温度（亚湿球温度）和较大的供冷量。间接蒸发冷却冷水系统原理预冷方式：内冷、外冷换热器：间接蒸发冷却器表冷器预冷式间接蒸发冷却冷水机组或间接蒸发冷却塔26XXX开发区某联通数据中心31水侧蒸发冷却技术应用案例——国内XXX市开发区某核心机房建设地点：XXX市开发区地上5层建筑，总建筑面积10738.2㎡，建筑高度23.3m单层建筑面积均为2147.64㎡、层高4.8m最大可布置1500+架机柜1层主要为高低压配电室、电力电池室及预留大机房机房2至4层规划区域为品字形主要为电力室、小机房及大机房第1期项目（2楼传输机房、2楼通信机房和4楼IDC机房）总负荷2767kw辅助和备份冷源44台（N+4、N+2冗余）80KW、16000m³/h全年主导冷源16台（N+4冗余）232KW、40m³/h、19KW一次管路（介质：水；蓝色供水管、金色回水管）二次管路（介质：45%浓度乙二醇水溶液；绿色供水管、红色回水管）XX云数据中心28间接蒸发冷却塔结合的应用案例惠州XX云数据中心采用近露点间接蒸发冷却塔、相变蓄冷系统及冷热通道全封闭等技术。XX电信XX数据中心30项目情况：XX电信XX数据中心原空调系统全部为风冷冷媒精密空调，气流组织形式为地板下送风，风冷模块设置在屋面。改造前共设置 316 个机架，设计 IT 负载为1068.8kW，上架率为48.2%，空调系统年平均制冷因子为0.672，年平均PUE值在1.78，同时夏季高温时，容出现空调停机保护，为机房安全运营带来风险。改造方案采用一台400kW的间接蒸发冷却一体化集成冷站作为冷源对现有机房空调系统进行改造，室内新增20台高效冷冻水末端。通过间接蒸发冷却技术应用，可实现项目约1200h自然冷却应用，新建间接蒸发冷却冷水系统不考虑备份冗余，原空调不拆除，与新建空调系统进行联动控制，实现机房空调系统2N备份，在提高机房安全供冷的基础上，实现最大程度节能。氟侧蒸发冷却技术（蒸发冷凝）32用蒸发冷却技术给冷水机组的冷凝器散热，制取的冷水通过空调区末端装置来承担空调区热负荷和湿负荷的空调系统。蒸发冷凝式散热空调系统填料型蒸发式冷凝器氟侧蒸发冷却空调系统特点①蒸发冷却系统、压缩制冷系统联合运行；②冷凝器运行在相对较低的冷凝压力下，从而降低压缩机运行功率，提高压缩机制冷效率；③自然冷源利用优先，压缩制冷进行冷量补充或冷量备份；④自然冷源利用时间长，能效比高；⑤模块化、定制化建设方案，实现不同空调末端超级多联；⑥系统简单，维护方便；33氟侧蒸发冷却技术（蒸发冷凝）技术发展迅速无水进机房，易维护分期部署灵活不需冷冻站和水泵房，不占用辅助房间系统制冷效率高优点缺点大规模应用案例较少初投资高耗水量大室外机占用屋面空间多UPS配电容量大，占用室内空间多氟泵热管技术+蒸发冷凝34创造性集成热管相变、无油泵、蒸发冷却、变频多联等技术，具备高适应性、快速交付及成本优势，以相变冷却系统为散热核心，提升数据中心算力。氟泵热管AHU工厂预制化生产和组装，通过一体化运输至现场直接落地，实现一键开机，服务上也实现一体化预制，全自动运维。系统内置传感器，能自动采集数据，对机组运行可能出现的故障进行预判“气动热管”采用全新压缩机，实现液泵+气泵组合，更多利用室外自然冷源，通过系统“智能平衡控制”，压缩机与室外风机动态调优，结合室外温度，负荷参数，选择最优的节能模式。45氟泵热管机组结构设计简洁，因此气流阻力小，同等设计冷量下，其风机功率远小于间接蒸发冷机组；随着输出冷量降低，风机转速下降，氟泵热管机组机内阻力减少更显著。风机功率随之快速下降；得益于风机系统的低阻力，在各个制冷输出功率段下，氟泵热管的整机能效都有较大的优势。1.1071.1031.0781.1071.1011.073260KW 230KW 115KW间接蒸发冷AHUVS氟泵热管AHUpPUE对比间接蒸发冷却 氟泵热管在全国绝大部分地区，间接蒸发冷却干工况适用时间优于氟泵热管机组；南方地区，空气干湿球温差减小，蒸发冷却驱动势较小，蒸发冷却效率较低，氟泵热管机组的小压比机械制冷系统制冷密度大于间冷机组；间接蒸发冷却器换热芯体风阻较大，风道更长，风机消耗功率占比高，是导致间冷AHUpPUE较低的主要原因。不同运行模式下机组全年运行时长占比间接蒸发冷却AHU与氟泵热管AHU对比分析蒸发冷却+液冷技术液冷机架液冷分配单元间接蒸发冷却塔冷却塔外部冷源风冷冷凝器46蒸发冷却+液冷技术换热器外循环回水45-60℃外循环供水35-50℃内循环回水50-65℃内循环供水40-55℃泵供水40-55℃回水50-65℃…机房外墙间接蒸发式冷水机组液冷冷板 水平分液单元竖直分液单元 热交换单元液冷技术与蒸发冷却冷水机组结合的冷却系统形式冷却塔or48目 录数据中心的绿色可持续发展010204数据中心的节能发展趋势结语数据中心低碳高效制冷技术0352能源绿色化绿电干空气可再生能源以纯绿色能源+能源综合利用实现数据中心建设“零碳”目标全热回收模块式直接蒸发冷却空调机组A BCD53技术集成化