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      低碳數字化時代,數據中心制冷該如何發展?

        過去十多年來,隨著互聯網應用、云服務蓬勃發展,數據中心已成為現代信息社會不可或缺的基礎設施。今天,我們的每一次網上約車、每一次網上購物、每一頓網上訂餐......都離不開數據中心在背后默默支撐。

        如今進入數字化、智能化時代,數據中心作為支撐數字經濟發展的重要底座將承擔起更重要的角色。為適應時代新需求,未來的數據中心建設將發生哪些變化?制冷系統作為數據中心的關鍵基礎設施將走向何方?

        綠色低碳成為發展主旋律

        眾所周知,數字經濟的本質是數據驅動。進入數字經濟時代,隨著5G、物聯網、云計算、AI等ICT技術賦能千行百業數字化轉型,數據流量和算力需求將迎來爆發式增長,而數據中心作為海量數據存儲和計算的載體,其規模和數量也將需隨之不斷增長,這無疑為數據中心行業帶來了新的機遇。據統計,未來五年全球算力的復合增長率將超過50%,2026年的算力將是今天的10倍以上,如此井噴式的算力增長當然會帶來數據中心需求大增。

        從國家戰略層面看,從數據中心被納入新基建范疇,到最近全面啟動“東數西算”工程,近年來數據中心連續迎來政策利好。有行業數字化轉型需求驅動,還有國家政策牽引,相信將進一步加速推動數據中心蓬勃發展。

        但我們常說機遇總是與挑戰并存,數據中心在迎來發展黃金機遇期的同時,隨著未來數據流量和算力需求暴增,如果數據中心的建設和運維方式保持不變,能耗和碳排放壓力也必將越來越大。據統計,2021年全國數據中心耗電量占全社會用電量約2.6%,這一比例將逐年攀升,預計到2025年會達到4.05%??梢哉f,在當前數字化、低碳化兩大發展趨勢下,未來的數據中心發展面臨既要規模增長、又要節能降本、還要履行低碳社會責任的多重挑戰。

        在此背景下,為引導數據中心綠色可持續發展,國家多部門及各省市已相繼出臺各種加強數據中心節能降耗的要求與規劃。比如,2021年7月,工信部印發《新型數據中心發展三年行動計劃(2021-2023年)》,提出到2025年新建大型及以上數據中心PUE要降低到1.3以下;2021年4月,上海發布《上海市數據中心建設導則(2021版)》,要求新建大型數據中心綜合PUE嚴格控制在1.3以內;2022年2月,成渝地區啟動建設全國一體化算力網絡國家樞紐節點,要求PUE控制在1.25以內。

        提升制冷效率是核心,但傳統方案漸遇瓶頸

        數據中心的耗能部分主要包括IT設備、制冷系統、供配電系統、照明系統及其他設施。據統計,當前數據中心的IT設備能耗約占總能耗的45%-50%,制冷系統能耗約占30%-45%,供配電系統約10%-15%,照明系統及其他約3%-5%。也就是說,為了排放大量IT設備運行產生的廢熱、保障IT設備在恒定溫濕度環境下正常運行,制冷系統消耗的電能接近真正有價值的IT設備。顯然,要打造綠色數據中心,降低制冷系統能耗是核心關鍵

        那如何降低制冷系統能耗?在回答這個問題前,我們不妨來看看當前數據中心制冷系統存在哪些問題?

        傳統中大型數據中心一般采用冷凍水制冷系統,主要由冷卻塔、冷凍水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷凍水制冷末端等多個子系統,以及UPS、加濕除濕等多個輔助制冷系統組成,整個系統制冷鏈路長,換熱層級多,管路多,子部件眾多,不僅導致了制冷效率低,還存在建設周期長、運維復雜等問題。

      傳統冷凍水制冷系統

        比如,從制冷效率角度看,冷凍水制冷系統大致工作原理是:冷水機組使冷媒與冷凍水進行熱交換,將冷凍水制冷,再通過冷凍水泵將冷凍水送到制冷末端與室內空氣換熱,使室內溫度下降;同時,冷凍機組在與冷媒換熱時,由冷卻水泵將吸收熱量后的冷卻水送到冷卻塔中與大氣進行熱交換。整個過程需多級換熱,熱量損失嚴重,換熱效率低。

        從建設周期看,由于傳統冷凍水制冷系統龐大、復雜,從設備進場、設備安裝、管路連接到聯調,往往需要花費4-6個月時間,幾乎占據了整個數據中心建設周期的一半。面對互聯網和行業數字化應用不斷繁榮,對業務上線和變更的速度要求越來越快,傳統冷凍水制冷系統已嚴重制約數據中心的敏捷交付、彈性擴展等能力。同時,架構復雜還帶來了系統能效優化、后期升級改動等工作難度大,進而可能進一步導致能源浪費。

        面對以上瓶頸,最近幾年來間接蒸發冷卻技術成為了行業關注的焦點,并逐步發展成為數據中心的首選節能利器。

        省電省水,間接蒸發冷卻成為新趨勢

        什么是間接蒸發冷卻?炎炎夏日,當我們在地上灑水后,因水蒸發會帶走熱量,能給我們帶來一絲清涼。蒸發冷卻的原理正是如此,其利用水的蒸發潛熱來實現對空氣冷卻降溫。而間接蒸發冷卻指先通過直接蒸發冷卻將空氣降溫后,再間接通過熱換器與室內熱回風進行換熱,從而達到對室內進行等濕降溫的效果。相對于直接蒸發冷卻,間接蒸發冷卻利用室內外空氣間接接觸,只進行熱交換,不進行質量交換,從而可實現對室內空氣降溫的同時保持含濕量不變,保障機房內的濕度和空氣質量不受室外空氣影響。

      間接蒸發冷卻基本原理圖

        從產品形態看,間接蒸發冷卻解決方案一般由噴淋裝置、換熱芯體、室內風機、室外風機、機械制冷補充裝置等部分組成,通常為基于模塊化架構的一體化集成產品,主機運送到數據中心現場,只需簡單安裝風水管道及供配電后即可投入使用,可像搭積木一樣實現快速交付。

        基于以上實現原理和產品形態,不難看出間接蒸發冷卻方案解決了傳統冷凍水制冷系統面臨的瓶頸,不僅可充分利用自然冷源來降低數據中心制冷能耗,而且架構簡單、熱換層級少、管路少,系統制冷效率大大提升,還具備部署快、擴容方便、運維更簡單等優勢,從而能實現更省電、更省水、更省安裝維護。

        比如在省電、省水方面,間接蒸發冷卻方案可根據負載情況及外界氣象條件自動切換三種工作模式。當室外溫度較低時,可通過空氣-空氣換熱的方式,由室外低溫空氣對數據中心內的熱回風直接冷卻,無需開啟噴淋系統和機械制冷補充裝置,從而可充分利用免費的外部自然冷源極大節省電耗和水耗;當室外溫度較溫和時,僅開啟噴淋系統,由蒸發冷卻系統預冷室外進風,再通過空氣-空氣換熱對室內熱回風進行冷卻,仍然無需開啟機械制冷裝置,依然可以大幅節省電耗;只有當室外濕球溫度較高時,才開啟機械制冷裝置進行補冷,進入包括干模式、濕模式和壓縮機制冷的混合工作模式,以最大限度節省電耗。

        向綠色、簡單、智能持續邁進

        間接蒸發冷卻不僅是公認的新趨勢,而且這項技術正在加速演進中。比如,今年5月華為在發布下一代數據中心理念中指出,間接蒸發冷卻方案替代傳統冷凍水制冷系統已成趨勢,是數據中心制冷系統邁向綠色化、簡單化的關鍵一步,并正在向智能化不斷演進。

        在智能化演進方面,間接蒸發冷卻方案正逐漸從制冷走向“智”冷,基于AI技術,通過對收集的室外環境、負載能耗、機柜和通道進出風溫度等大量數據進行智能分析和決策,既能根據室外溫度環境智能控制運行模式以最大化減少機械制冷,也可通過冷電聯動實時匹配IT負載變化,精準控制送風量,智能推薦節水和節電模式, 從而真正實現系統級聯動能效尋優。

        在系統架構方面,面對為保障IT、制冷等設備連續穩定運行和提升供電效率,數據中心前端配置的UPS等配電設備和有源濾波器、無功補償等諧波治理設備會帶來機房占地空間大、設備投資大等問題,華為等廠商已基于“冷電融合”設計,通過在間接蒸發冷卻產品中內置帶功率因數校正和諧波治理的整流逆變模塊,實現了供電鏈路進一步縮短,供配電效率進一步提升,并大大節省了供配電占地面積。

        同時,面對過去數據中心為滿足峰值負荷要求而帶來的配電容量浪費問題,最新的間接冷卻蒸發方案還將鋰電儲能系統、功率轉換模塊與間接蒸發冷卻機體集于一體并協同工作,不僅能通過鋰電存放電智能“削峰”滿足數據中心峰值電力需求,提升了電力利用率,還能在市電轉儲能系統的時候實現0毫秒切換,保障制冷不中斷、溫度不波動,保障機房安全穩定運行。

        總之,面對數字化、低碳化浪潮洶涌而來,數據中心在迎來空前發展機遇的同時,也面臨著能耗高、碳排高、建設慢、運維難等挑戰,亟須一場綠色化、極簡化、智能化變革。制冷系統作為數據中心實現節能降本的核心關鍵部分,無疑是這場變革的重中之重。面對傳統冷凍水制冷系統一直以來存在的耗電多、耗水多、系統復雜等挑戰,不斷進步的間接蒸發冷卻技術正加速推進這場變革。

      標簽: 制冷數據中心  

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