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低碳数字化时代,数据中心制冷将走向何方?

网优雇佣军 | 通信路上,一起走! 2022/08/11 21:20

过去十多年来,随着互联网应用、云服务蓬勃发展,数据中心已成为现代信息社会不可或缺的基础设施。今天,我们的每一次网上约车、每一次网上购物、每一顿网上订餐......都离不开数据中心在背后默默支撑。

新知达人, 低碳数字化时代,数据中心制冷将走向何方?

如今进入数字化、智能化时代,数据中心作为支撑数字经济发展的重要底座将承担起更重要的角色。为适应时代新需求,未来的数据中心建设将发生哪些变化?制冷系统作为数据中心的关键基础设施将走向何方?

绿色低碳成为发展主旋律

众所周知,数字经济的本质是数据驱动。进入数字经济时代,随着5G、物联网、云计算、AI等ICT技术赋能千行百业数字化转型,数据流量和算力需求将迎来爆发式增长,而数据中心作为海量数据存储和计算的载体,其规模和数量也将需随之不断增长,这无疑为数据中心行业带来了新的机遇。据统计,未来五年全球算力的复合增长率将超过50%,2026年的算力将是今天的10倍以上,如此井喷式的算力增长当然会带来数据中心需求大增。

从国家战略层面看,从数据中心被纳入新基建范畴,到最近全面启动“东数西算”工程,近年来数据中心连续迎来政策利好。有行业数字化转型需求驱动,还有国家政策牵引,相信将进一步加速推动数据中心蓬勃发展。

但我们常说机遇总是与挑战并存,数据中心在迎来发展黄金机遇期的同时,随着未来数据流量和算力需求暴增,如果数据中心的建设和运维方式保持不变,能耗和碳排放压力也必将越来越大。据统计,2021年全国数据中心耗电量占全社会用电量约2.6%,这一比例将逐年攀升,预计到2025年会达到4.05%。可以说,在当前数字化、低碳化两大发展趋势下,未来的数据中心发展面临既要规模增长、又要节能降本、还要履行低碳社会责任的多重挑战。

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在此背景下,为引导数据中心绿色可持续发展,国家多部门及各省市已相继出台各种加强数据中心节能降耗的要求与规划。比如,2021年7月,工信部印发《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》,提出到2025年新建大型及以上数据中心PUE要降低到1.3以下;2021年4月,上海发布《上海市数据中心建设导则(2021版)》,要求新建大型数据中心综合PUE严格控制在1.3以内;2022年2月,成渝地区启动建设全国一体化算力网络国家枢纽节点,要求PUE控制在1.25以内。

提升制冷效率是核心,但传统方案渐遇瓶颈

数据中心的耗能部分主要包括IT设备、制冷系统、供配电系统、照明系统及其他设施。据统计,当前数据中心的IT设备能耗约占总能耗的45%-50%,制冷系统能耗约占30%-45%,供配电系统约10%-15%,照明系统及其他约3%-5%。也就是说,为了排放大量IT设备运行产生的废热、保障IT设备在恒定温湿度环境下正常运行,制冷系统消耗的电能接近真正有价值的IT设备。显然,要打造绿色数据中心,降低制冷系统能耗是核心关键。

那如何降低制冷系统能耗?在回答这个问题前,我们不妨来看看当前数据中心制冷系统存在哪些问题?

传统中大型数据中心一般采用冷冻水制冷系统,主要由冷却塔、冷冻水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷冻水制冷末端等多个子系统,以及UPS、加湿除湿等多个辅助制冷系统组成,整个系统制冷链路长,换热层级多,管路多,子部件众多,不仅导致了制冷效率低,还存在建设周期长、运维复杂等问题。

 

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传统冷冻水制冷系统

比如,从制冷效率角度看,冷冻水制冷系统大致工作原理是:冷水机组使冷媒与冷冻水进行热交换,将冷冻水制冷,再通过冷冻水泵将冷冻水送到制冷末端与室内空气换热,使室内温度下降;同时,冷冻机组在与冷媒换热时,由冷却水泵将吸收热量后的冷却水送到冷却塔中与大气进行热交换。整个过程需多级换热,热量损失严重,换热效率低。

从建设周期看,由于传统冷冻水制冷系统庞大、复杂,从设备进场、设备安装、管路连接到联调,往往需要花费4-6个月时间,几乎占据了整个数据中心建设周期的一半。面对互联网和行业数字化应用不断繁荣,对业务上线和变更的速度要求越来越快,传统冷冻水制冷系统已严重制约数据中心的敏捷交付、弹性扩展等能力。同时,架构复杂还带来了系统能效优化、后期升级改动等工作难度大,进而可能进一步导致能源浪费。

面对以上瓶颈,最近几年来间接蒸发冷却技术成为了行业关注的焦点,并逐步发展成为数据中心的首选节能利器。

省电省水,间接蒸发冷却成为新趋势

什么是间接蒸发冷却?炎炎夏日,当我们在地上洒水后,因水蒸发会带走热量,能给我们带来一丝清凉。蒸发冷却的原理正是如此,其利用水的蒸发潜热来实现对空气冷却降温。而间接蒸发冷却指先通过直接蒸发冷却将空气降温后,再间接通过热换器与室内热回风进行换热,从而达到对室内进行等湿降温的效果。相对于直接蒸发冷却,间接蒸发冷却利用室内外空气间接接触,只进行热交换,不进行质量交换,从而可实现对室内空气降温的同时保持含湿量不变,保障机房内的湿度和空气质量不受室外空气影响。

 

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间接蒸发冷却基本原理图

从产品形态看,间接蒸发冷却解决方案一般由喷淋装置、换热芯体、室内风机、室外风机、机械制冷补充装置等部分组成,通常为基于模块化架构的一体化集成产品,主机运送到数据中心现场,只需简单安装风水管道及供配电后即可投入使用,可像搭积木一样实现快速交付。

基于以上实现原理和产品形态,不难看出间接蒸发冷却方案解决了传统冷冻水制冷系统面临的瓶颈,不仅可充分利用自然冷源来降低数据中心制冷能耗,而且架构简单、热换层级少、管路少,系统制冷效率大大提升,还具备部署快、扩容方便、运维更简单等优势,从而能实现更省电、更省水、更省安装维护。

比如在省电、省水方面,间接蒸发冷却方案可根据负载情况及外界气象条件自动切换三种工作模式。当室外温度较低时,可通过空气-空气换热的方式,由室外低温空气对数据中心内的热回风直接冷却,无需开启喷淋系统和机械制冷补充装置,从而可充分利用免费的外部自然冷源极大节省电耗和水耗;当室外温度较温和时,仅开启喷淋系统,由蒸发冷却系统预冷室外进风,再通过空气-空气换热对室内热回风进行冷却,仍然无需开启机械制冷装置,依然可以大幅节省电耗;只有当室外湿球温度较高时,才开启机械制冷装置进行补冷,进入包括干模式、湿模式和压缩机制冷的混合工作模式,以最大限度节省电耗。

向绿色、简单、智能持续迈进

间接蒸发冷却不仅是公认的新趋势,而且这项技术正在加速演进中。比如,今年5月华为在发布下一代数据中心理念中指出,间接蒸发冷却方案替代传统冷冻水制冷系统已成趋势,是数据中心制冷系统迈向绿色化、简单化的关键一步,并正在向智能化不断演进。

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在智能化演进方面,间接蒸发冷却方案正逐渐从制冷走向“智”冷,基于AI技术,通过对收集的室外环境、负载能耗、机柜和通道进出风温度等大量数据进行智能分析和决策,既能根据室外温度环境智能控制运行模式以最大化减少机械制冷,也可通过冷电联动实时匹配IT负载变化,精准控制送风量,智能推荐节水和节电模式, 从而真正实现系统级联动能效寻优。

在系统架构方面,面对为保障IT、制冷等设备连续稳定运行和提升供电效率,数据中心前端配置的UPS等配电设备和有源滤波器、无功补偿等谐波治理设备会带来机房占地空间大、设备投资大等问题,华为等厂商已基于“冷电融合”设计,通过在间接蒸发冷却产品中内置带功率因数校正和谐波治理的整流逆变模块,实现了供电链路进一步缩短,供配电效率进一步提升,并大大节省了供配电占地面积。

同时,面对过去数据中心为满足峰值负荷要求而带来的配电容量浪费问题,最新的间接冷却蒸发方案还将锂电储能系统、功率转换模块与间接蒸发冷却机体集于一体并协同工作,不仅能通过锂电存放电智能“削峰”满足数据中心峰值电力需求,提升了电力利用率,还能在市电转储能系统的时候实现0毫秒切换,保障制冷不中断、温度不波动,保障机房安全稳定运行。

总之,面对数字化、低碳化浪潮汹涌而来,数据中心在迎来空前发展机遇的同时,也面临着能耗高、碳排高、建设慢、运维难等挑战,亟须一场绿色化、极简化、智能化变革。制冷系统作为数据中心实现节能降本的核心关键部分,无疑是这场变革的重中之重。面对传统冷冻水制冷系统一直以来存在的耗电多、耗水多、系统复杂等挑战,不断进步的间接蒸发冷却技术正加速推进这场变革。

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