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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?"
發(fā)布時間:2023-09-04
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2022年中國碳排放總量大約為104~106億噸(數(shù)據(jù)來源于清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院,并參考中國碳核算數(shù)據(jù)庫(CEADs),平均每一個中國人碳排放約7.3噸左右,預(yù)計到2030年,我國碳達峰的峰值將在110~116噸,從2030年以后我國總碳排放量將會逐年下降,直至2060年實現(xiàn)碳中和。這是我國“雙碳”的大背景趨勢。而我國數(shù)據(jù)中心行業(yè)的“雙碳”情況是這樣的:在2022年,全國數(shù)據(jù)中心碳排放約為1.63億噸(數(shù)據(jù)來源:綠色和平組織發(fā)布的研究),占全國總碳排放的1.5%,而2022年我國數(shù)據(jù)中心市場總規(guī)模超過2800億元,折合美元387.6億(數(shù)據(jù)來源:中國信通院發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心白皮書(2022年)》),由此得出:2022年我國數(shù)據(jù)中心每產(chǎn)生1美元的數(shù)據(jù)中心收入,同時產(chǎn)生4.2千克的碳排放;2022年我國總的GDP是121萬億元,按當(dāng)前匯率折合美元16.7萬億,按照2022年我國總碳排放104億噸計算得出:每產(chǎn)生1美元的社會GDP收入,同時產(chǎn)生0.62千克碳排放;2022年全球碳排放總量為405億噸(數(shù)據(jù)來源于國際科學(xué)合作組織“全球碳計劃”(GCP)發(fā)布的《2022年全球碳預(yù)算》報告),而2022年全球GDP約為101.6萬億美元。同樣計算可得:全球每產(chǎn)生1美元的GDP,同時產(chǎn)生0.399千克的碳排放。全球GDP產(chǎn)生1美元,等同排放0.399千克CO2,而我國GDP產(chǎn)生1美元,等同排放0.62千克CO2,而我國數(shù)據(jù)中心GDP產(chǎn)生1美元,等同排放4.2千克CO2,從社會GDP來看,我國的碳排放遠高于國際平均碳排放水平,特別在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域差距非常明顯,所以為什么我們要加強實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略,尤其在數(shù)據(jù)中心這個特定的行業(yè)。目前數(shù)據(jù)中心在設(shè)計、施工和運營方面,最優(yōu)先考慮的問題是節(jié)能減排。隨著“雙碳”目標(biāo)日益臨近,我國數(shù)據(jù)中心的CO2排放不斷上升,節(jié)能減排成為當(dāng)務(wù)之急。根據(jù)2021年7月27日京發(fā)改規(guī)〔2023〕10號文件《關(guān)于進一步加強數(shù)據(jù)中心項目節(jié)能審查的若干規(guī)定》第五條中“鼓勵2021年及以后建成的項目,年可再生能源利用量占年能源消費量的比例按照每年10%遞增,到2030年實現(xiàn)100%(不含電網(wǎng)既有可再生能源占比)”。也就是說到2030年我國數(shù)據(jù)中心要100%采用可再生能源,即數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)零碳排放。
 
再根據(jù)2023年4月14日,受生態(tài)環(huán)境部和財政部委托,綠色低碳數(shù)據(jù)中心(環(huán)境認(rèn)證管理技術(shù)中心)和中環(huán)聯(lián)合認(rèn)證中心共同承擔(dān)編制的《綠色數(shù)據(jù)中心政府采購需求標(biāo)準(zhǔn)(試行)》由財政部、生態(tài)環(huán)境部和工信部共同發(fā)布,其中就提及數(shù)據(jù)中心可再生能源使用率如下:
該標(biāo)準(zhǔn)要求從采購需求方出發(fā),數(shù)據(jù)中心可再生能源使用率2032年達到100%,即數(shù)據(jù)中心碳中和。這一標(biāo)準(zhǔn)的試運行,將使零碳數(shù)據(jù)中心越來越受到關(guān)注。
 
如何推動零碳綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呢?需全方位的優(yōu)化與發(fā)展,從數(shù)據(jù)中心自身出發(fā),突破零碳排放的方向主要集中于綠色電力使用、自然冷源利用、先進技術(shù)創(chuàng)新、熱回收的利用等方面。
 
一、綠色電力資源的利用
綠色電力才是數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)零碳排放的關(guān)鍵條件。綠色電力簡稱“綠電”,是指在發(fā)電的過程中,二氧化碳排放量為零或趨近于零,相較于火力發(fā)電,“綠電”是對環(huán)境沖擊影響較低的電力。我國綠電的主要來源為太陽能、風(fēng)能、水電、核電、生物質(zhì)能等。根據(jù)國家能源部的數(shù)據(jù),2022年我國全年總發(fā)電量約為8.8萬億度,其中火電發(fā)電量約為5.75萬億度,占65%;水力發(fā)電量1.32億度,占比15%;風(fēng)電發(fā)電量0.74萬億度,占比8.4%;太陽能發(fā)電0.42萬億度,占比4.7%;核能發(fā)電0.41萬億度,占比4.6%。在國家“雙碳”的計劃中,從現(xiàn)在到2030年為新能源的加速轉(zhuǎn)型期,新能源將逐步成為發(fā)電量增量的主體,但是火力發(fā)電仍是電力安全保障的“壓艙石”。根據(jù)2014年11月19日國務(wù)院辦公廳印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020年)》,到2030年,傳統(tǒng)石化能源消費占比將下降至68%,而清潔能源占比將從19%升至32%,其中核電占比將從2015年的1%升至5%。對比2022年的電力能源結(jié)構(gòu)來看,現(xiàn)已達成這個目標(biāo),但是由于“雙碳”戰(zhàn)略,我們還在不斷擴大綠色能源電力,例如太陽能、風(fēng)能等。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,截止目前我國大約有8.3萬個數(shù)據(jù)中心,就2022年全國數(shù)據(jù)中心的總耗電量超過2850億度,占全國總耗電量的3.24%,接近3個三峽大壩的發(fā)電量(三峽大壩2018~2022年平均年發(fā)電量為1004億度)??梢姅?shù)據(jù)中心電耗是非常大。按照國家電網(wǎng)的碳排放因子0.581tCO2/MWh計算(數(shù)據(jù)源于生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對氣候變化司于2022年3月31日前發(fā)布的《關(guān)于做好2022年企業(yè)溫室氣體排放報告管理相關(guān)重點工作的通知》),數(shù)據(jù)中心2022年的總碳排放在1.66億噸左右(此計算值驗證了開篇的綠色和平組織研究數(shù)據(jù)1.63億噸),約占2022年全社會總碳排放量1.6%。根據(jù)上面提到的國家政策到2030年數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)全面綠色電力能源的要求,我們再看一組來自于清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院的數(shù)據(jù),是關(guān)于2030年我國按照嚴(yán)格“雙碳行動方針”把氣候溫升控制在1.5℃情景下的所需發(fā)電量,具體如下:
然后再對比來自國家能源局的2022年全國用電量數(shù)據(jù),如下:
我們不難看出未來2030年火電比例要大幅度下降至45%以下,核電和太陽能要翻一倍多,風(fēng)電要從8.44%增長至23%,近乎翻了三倍,可見風(fēng)電、太陽能、核電將是未來主要擴展的電力資源。水電增長不大,生物質(zhì)能可以忽略不計。所以在數(shù)據(jù)中心綠電的使用上,風(fēng)電和太陽能成為絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心未來綠電的主要電力。
 
雖然2030年我國總體實現(xiàn)“碳達峰”,但數(shù)據(jù)中心要實現(xiàn)全面“碳中和”,綠電使用在數(shù)據(jù)中心看來就非常重要。這就是為什么國家出臺“東數(shù)西算”等系列政策,就是把數(shù)據(jù)中心資源集中起來,從綠色能源供應(yīng)和算力使用需求的大戰(zhàn)略出發(fā),制定數(shù)據(jù)中心選址、布局、規(guī)劃、管理的統(tǒng)一方針,這也是東數(shù)西算的目的。實現(xiàn)“東數(shù)西算”的偉大目標(biāo)后有兩大好處:一是保證所有數(shù)據(jù)中心有充分的綠色電力供應(yīng)和最優(yōu)的PUE效率,為零碳排放奠定基礎(chǔ);二是保證算力集中和分散的最優(yōu)配置,并考慮到國家經(jīng)濟布局和災(zāi)備需要,妥當(dāng)處理前方和后方、中央和地方協(xié)同的復(fù)雜關(guān)系。正是因為這些原因,現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃中都要考慮綠色電力的使用,例如數(shù)據(jù)中心建設(shè)光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電廠等,還有數(shù)據(jù)中心就地建設(shè)在水電站附近,利用得天獨厚水電資源的同時,還使用大壩的水來給數(shù)據(jù)中心的空調(diào)做自然冷卻。
 
對于目前絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心還可以通過購買綠電的方式來達到使用綠電的目的。按照國家發(fā)展改革委、國家能源局《關(guān)于推動電力交易機構(gòu)開展綠色電力證書交易的通知》(發(fā)改辦體改〔2022〕797號)有關(guān)要求,北京電力交易中心編制《綠色電力證書交易工作方案》和《綠色電力證書交易實施細則(試行)》,深入調(diào)研市場綠證需求,高效研發(fā)綠證交易平臺,已于2022年9月16日正式開啟綠色電力證書交易市場。習(xí)近平總書記在黨的二十大報告中明確提出,倡導(dǎo)綠色消費,推動形成綠色低碳生產(chǎn)方式和生活方式。貫徹落實黨中央國務(wù)院決策部署,國家能源局積極推進綠色電力證書交易,引導(dǎo)綠色電力消費。
在可預(yù)見的未來中,積極進行綠電交易是實現(xiàn)零碳數(shù)據(jù)中心的保證。例如:秦淮數(shù)據(jù)在2022年購買綠電2.2億度,通過交易獲得的綠電累計近7.7億度。例如:騰訊2022年度已集中簽訂共計5.04億千瓦時的綠電交易合同。截止2023年百度已簽約引入10億度綠電等等。
 
根據(jù)國家能源局公開發(fā)布的數(shù)據(jù),2022年全年核發(fā)綠證2060萬個,對應(yīng)電量206億度,較2021年增長135%;交易數(shù)量達到969萬個,對應(yīng)電量96.9億度,較2021年增長15.8倍。自2021年9月能源局和發(fā)改委正式批復(fù)《綠色電力交易試點工作方案》并開啟國內(nèi)綠電交易序幕以來,截至2022年底,我國已累計核發(fā)綠證約5954萬個,累計交易數(shù)量1031萬個,有力推動經(jīng)濟社會綠色低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。
 
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(chǔ)設(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)備、輸配設(shè)備、未端設(shè)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(shè)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?;旌夏J较?,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(shù)的發(fā)展已經(jīng)超過十幾年,氟泵技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用是比較常見的技術(shù)。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(shù)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(shè)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(shè)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(yīng)用了磁懸浮變頻技術(shù)、蒸發(fā)冷凝器技術(shù)、變頻氟泵技術(shù)、末端多聯(lián)技術(shù)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(fēng)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:
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(yīng)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P(guān)UE。
該方案最關(guān)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(wù)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(wù)器等設(shè)備的熱量轉(zhuǎn)移到江水中,達到冷卻的目的。在設(shè)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(shè)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(wù)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(biāo)準(zhǔn),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(shè)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。
 
三、液冷技術(shù)方案的應(yīng)用
創(chuàng)新技術(shù)是推動數(shù)據(jù)中心節(jié)能減碳的核心動力、制冷方式的革新、設(shè)計建設(shè)方式的優(yōu)化。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,服務(wù)器的數(shù)量決定了整個數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)處理能力,而中大型數(shù)據(jù)中心服務(wù)器都是以數(shù)千臺來計算,按照一個機架放置10臺服務(wù)器,大型數(shù)據(jù)中心就需要數(shù)百個機架。這樣巨量的服務(wù)器設(shè)備同時運轉(zhuǎn),按照每臺運行功率300W來計算,一萬臺就要3兆瓦,所以如果每臺服務(wù)器都能節(jié)省一點能耗,一萬臺服務(wù)器節(jié)省的能耗就非??捎^。因此有不少的專家從服務(wù)器入手,在服務(wù)器上下功夫,在不降低服務(wù)器運行性能的前提下,盡量降低運行的能耗和改善服務(wù)器的運行環(huán)境,在這樣的迫切需求情況下,更加高效的系列液冷方案就應(yīng)運而生。液冷的冷卻能力遠遠高于傳統(tǒng)風(fēng)冷的冷卻能力,同體積的空氣和水相比,比如1個立方的水和空氣,在常溫下溫度變化1℃時,空氣的傳熱大約是1.3千焦, 而水的傳熱大約是4200千焦,可見水的傳熱能力超過空氣的3000倍多。
目前,我國液冷數(shù)據(jù)中心還處于快速發(fā)展階段,但已經(jīng)部分大型企業(yè)和機構(gòu)開始嘗試部署液冷技術(shù),如阿里巴巴、騰訊、華為等公司都在新建或改造部分?jǐn)?shù)據(jù)中心為液冷數(shù)據(jù)中心。此外,還有一些創(chuàng)業(yè)公司也在液冷領(lǐng)域進行探索和實踐,如云酷智能、綠色云圖、依米康、海悟、申菱等。
目前液冷技術(shù)主要有三大類,分別是噴淋式液冷、浸沒式液冷、冷板式液冷,其示意原理圖如下:
1. 噴淋式液冷:將冷卻液通過噴淋的方式淋在服務(wù)器的散熱元件上帶走服務(wù)器產(chǎn)生的熱量。
 
2. 浸沒式液冷:將服務(wù)器的發(fā)熱元器件完全浸沒在冷卻液中,通過冷卻液的對流或相變將服務(wù)器的熱量帶走的散熱系統(tǒng)。根據(jù)目前主流氟化液的單相換熱能力是同體積空氣換熱能力的1200倍以上。如果采用相變浸沒式,氟化液的相變換熱能力是同體積空氣換熱能力的10000倍以上。
 
3. 冷板式液冷:在服務(wù)器的CPU等大功耗部件采用液冷冷板散熱,其他少量發(fā)熱器件(如硬盤、接口卡等)仍采用風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。冷板液冷優(yōu)點是對現(xiàn)有機房的架構(gòu)影響不大,采用水的散熱能力是同體積空氣散熱能力的3200倍,而且具備低噪音、空間利用率高、熱能可回收的特點。
其中,冷板式液冷技術(shù)開發(fā)較早,是目前成熟度最高、行業(yè)布局最多、應(yīng)用最廣泛的液冷散熱方案,根據(jù)CCID前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的調(diào)研數(shù)據(jù),2022年我國液冷市場規(guī)模約為600億元左右,其中冷板液冷的市場份額約占65%,浸沒式液冷約占34%,2023年我國液冷市場規(guī)模將增至800億元,到2025年我國液冷市場規(guī)模預(yù)計將達到1300億元左右。
2018年,阿里建設(shè)了大型浸沒液冷張北數(shù)據(jù)中心,該數(shù)據(jù)中心是阿里云首個應(yīng)用全浸沒式液冷服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心,與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)相比,熱傳導(dǎo)效率要高百倍,節(jié)能效果超過70%。阿里張北液冷數(shù)據(jù)中心不僅在技術(shù)上具有創(chuàng)新和領(lǐng)先優(yōu)勢,同時也注重環(huán)保和節(jié)能。該數(shù)據(jù)中心采用自然冷卻等先進節(jié)能技術(shù),可將電能利用效率(PUE)控制在1.25以內(nèi),最低可達1.13。
浸沒液冷技術(shù)的優(yōu)勢不僅在于導(dǎo)熱散熱,還能夠容納更多IT設(shè)備,提高了計算能力。阿里張北液冷數(shù)據(jù)中心功耗密度達到60千瓦,將計算密度提升了10倍。同時,液冷機柜具有高密封性特點,使得電子元器件遠離濕度、灰塵、振動的影響,提升了設(shè)備的穩(wěn)定性、降低了故障發(fā)生率。阿里張北液冷機房運行3年來,與同等規(guī)模的其他機房相比,故障發(fā)生率降低了54%?;诎⒗飳埍币豪鋽?shù)據(jù)中心的經(jīng)驗,2020年阿里又在杭州建設(shè)了中國首座綠色等級達5A級的液冷數(shù)據(jù)中心—阿里杭州仁和液冷數(shù)據(jù)中心,該數(shù)據(jù)中心整棟樓采用了全浸沒液冷服務(wù)器。由于大規(guī)模使用全浸沒液冷服務(wù)器技術(shù),使得整體PUE值為1.09,達到目前世界最領(lǐng)先水平。
2023年6月5日,移動、聯(lián)通、電信三大運營商在第31屆中國國際信息通信展覽會“算力創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上發(fā)布了《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》,白皮書分析了數(shù)據(jù)中心目前面臨的形勢和液冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,介紹了電信運營商液冷技術(shù)實踐和目前的發(fā)展挑戰(zhàn),提出電信運營商液冷技術(shù)發(fā)展三年愿景和具體技術(shù)路線,對冷板式和浸沒式液冷兩種型式關(guān)鍵技術(shù)選擇做了介紹??傮w來看,冷板式液冷與單相浸沒式液冷各有優(yōu)劣,生態(tài)均需完善,兩者演進均尚需時日,未來一定時間內(nèi)將并存發(fā)展,為當(dāng)前業(yè)內(nèi)發(fā)展主流。綜上,電信運營商現(xiàn)階段主要推進冷板式液冷與單相浸沒式液冷兩種技術(shù)路線,詳細如下:
根據(jù)《電信運營商液冷技術(shù)白皮書》,預(yù)計到2025年50%以上數(shù)據(jù)中心項目將應(yīng)用液冷技術(shù)?;ヂ?lián)網(wǎng)行業(yè)液冷數(shù)據(jù)中心占比達24.0%,金融行業(yè)占比達25.0%、電信行業(yè)占比達23.0%、能源行業(yè)占比達10.5%,生物、醫(yī)療和政務(wù)等行業(yè)需求將加快融入通用數(shù)據(jù)中心新業(yè)態(tài)。
 
液冷技術(shù)的出現(xiàn),不但為“雙碳”戰(zhàn)略做出了貢獻,同時也推動了數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)的落地,改善了傳統(tǒng)風(fēng)冷的散熱形式,更能滿足高密機柜、芯片級精確制冷、更節(jié)能、更節(jié)地、更低噪聲。
 
液冷方案在實際數(shù)據(jù)中心場景應(yīng)用中,結(jié)合不同的產(chǎn)品制定了場景化的解決方案,例如海悟的場景化液冷解決方案,分別是:
場景一:采用冷板式液冷,配合集中式CDU解決方案,該方案最大支持的功率密度為50~80kW,整體液冷方案年平均PUE可以做到1.2及以下。
場景二:此方案采用冷板式液冷,配合分布式CDU方案,該方案最大支持功率密度為50~80kW,整體液冷方案年平均PUE同樣可以做到1.2及以下。
場景三:此方案采用單相浸沒式液冷,室外采用干冷器,配合雙機柜式CDU,最大支持功率密度為30~100KW,整體液冷方案年平均PUE可以做到1.1及以下。
目前各液冷設(shè)備廠家的方案有所不同,因為液冷技術(shù)當(dāng)前生態(tài)不完善,各家產(chǎn)品形態(tài)各異,產(chǎn)品規(guī)范化程度較低,機柜與服務(wù)器深度耦合,尚無統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn),難以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;茝V應(yīng)用。推廣液冷技術(shù),需集思廣益、凝聚共識,完善液冷產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和生態(tài)建設(shè)、促進液冷技術(shù)有序發(fā)展,開辟數(shù)據(jù)中心液冷行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展道路。
 
四、熱回收方案的應(yīng)用
隨著“雙碳”政策的推進,更多的數(shù)據(jù)中心從業(yè)者把目光鎖定在數(shù)據(jù)中心余熱上,數(shù)據(jù)中心在運行過程中產(chǎn)生的中低品位余熱,這些余熱是一種優(yōu)質(zhì)熱源,可以用于加熱生活用水、供暖,在幫助用戶降低用熱成本的同時,也可間接減少因使用化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù),我國北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心的可回收余熱總量約10GW,理論上可支持3億平方米建筑供暖。目前,一些大型數(shù)據(jù)中心已經(jīng)采用了數(shù)據(jù)中心余熱回收技術(shù),如阿里千島湖數(shù)據(jù)中心、騰訊天津數(shù)據(jù)中心、中國電信重慶云計算基地、萬國數(shù)據(jù)北京三號數(shù)據(jù)中心和Ucloud烏蘭察布云計算數(shù)據(jù)中心等。采用余熱回收給園區(qū)供暖和熱水的技術(shù)不僅可以減少能源的消耗,還能降低數(shù)據(jù)中心的運營成本,可謂是一舉兩得。
 
目前采用余熱回收的主要方案包括以下幾種:
(一)冷凍水型機房空調(diào)系統(tǒng)的余熱利用
冷凍水型機房空調(diào)系統(tǒng)制冷流程為:冷凍水泵將機房內(nèi)的熱量通過水循環(huán)帶入冷機蒸發(fā)器,壓縮機在電力驅(qū)動下將蒸發(fā)器吸取的熱量傳遞給冷凝器,冷卻水泵推動水循環(huán)將冷凝器的熱量換取并帶入冷卻塔,冷卻塔通過直接或間接的方式將循環(huán)水內(nèi)的熱量通過強制換熱散發(fā)到室外環(huán)境中去。如此往復(fù)循環(huán)。
冷凍水型機房空調(diào)系統(tǒng)通常全年能源效率較低,一般多采用冷凍水側(cè)余熱回收,系統(tǒng)原理如下:
余熱回收利用主要發(fā)生在冬季,通過余熱回收機組進行熱回收,進而為周圍建筑物供暖。
(二) AHU空調(diào)系統(tǒng)機房回風(fēng)余熱回收
AHU空調(diào)系統(tǒng)是一種被大型數(shù)據(jù)中心機房廣泛采用的溫控方式,尤其是在北方地區(qū),能很好的利用自然冷源,大幅降低全年運行PUE。其余熱回收原理見下:
從機房出來的38℃熱風(fēng)流過為余熱回收而增設(shè)的熱泵機組的蒸發(fā)器,溫度被降低到26~28℃,氣流原理如下:
此處(AHU機組換熱芯體室內(nèi)回風(fēng)側(cè))熱量品位較高,回收效果最佳。然后,再過AHU機組中的空-空換熱器與室外空氣換熱,此時AHU可根據(jù)室內(nèi)回風(fēng)溫度自動調(diào)節(jié)進入空空換熱器的室外冷風(fēng)。
 
經(jīng)結(jié)合海悟AHU產(chǎn)品的運行參數(shù)進行測算,該熱回收方式只要在機房回風(fēng)腔加裝翅片蒸發(fā)器,回風(fēng)進回?zé)嵴舭l(fā)器的溫度38℃,出蒸發(fā)器的溫度26~28℃,可利用溫度達到10℃以上,而翅片風(fēng)阻最高僅增加40Pa左右,造成的AHU風(fēng)機總功耗增加約0.85kW,但海悟余熱回收熱泵在此工況下的運行COP卻可以達到6.31以上,使得四季制取45℃熱水的單位耗能都可以降低到傳統(tǒng)電暖設(shè)備的1/6以下,如充分加以利用,將取得非常好的經(jīng)濟和社會效益。
 
(三)海悟PHU全天候節(jié)能機組熱回收
PHU機組本是在“嚴(yán)控PUE、WUE”政策壓力下誕生的,開發(fā)理念里自帶節(jié)約、增效、環(huán)境友好的基因。其中,海悟出品的帶熱回收的PHU機型,是2022年新推出的“能源技術(shù)與信息技術(shù)融合型產(chǎn)品”,是為了推動行業(yè)向著“構(gòu)建綠色、低碳數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo)的正確方向上發(fā)展而做出的努力和貢獻。
在冬季采暖季節(jié), 海悟PHU熱回收機組可維持更高的蒸發(fā)溫度,利用小壓比壓縮機,以極致的的效率產(chǎn)出熱能,整機制熱能效比空氣源熱泵機組有顯著提升,從下面的對比表里可以一探端倪:
將數(shù)據(jù)中心制冷與辦公區(qū)域采暖集成于一體,最大限度的實現(xiàn)能源的綜合利用。其熱回收原理如下:
在壓縮機排氣管路上并聯(lián)一個熱回收模塊(水氟換熱板換),通過電磁閥來控制熱量的流向控制,回收排氣熱量,提供采暖熱水。通過電磁閥與電動球閥調(diào)節(jié)整機供熱量。A/B系統(tǒng)分級切入/切出熱回收工況,避免水溫劇烈波動。
 
(四)液冷數(shù)據(jù)中心方案中的余熱回收
前面展示的三種典型的數(shù)據(jù)中心余熱回收利用技術(shù),其共同的特點是:余熱回收利用占全年總排熱的比例還很低,熱量利用的形式都是低溫的熱水,用途也受限于洗滌、供暖、養(yǎng)殖、印染……等較小的領(lǐng)域。由于低溫?zé)崴膫鬏敯霃綐O其有限,一般受管網(wǎng)及泵送成本的制約,僅能覆蓋在2-3公里范圍內(nèi),而數(shù)據(jù)中心的選址有特殊需求,周邊大概率缺少合適的熱量用戶,造成供需雙方的可望而不可及。
 
現(xiàn)在也有在探索冷板或浸沒式液冷方案中的熱回收,比如冷板液冷方案中,冷板液冷通常的出水溫度最大45℃,直接在冷板的出水管增加水源熱泵機組,以此來制造出較高溫度的熱水,但這種方案對熱利用的效率仍然不高。如果在芯片的溫度上考慮是否可以提高冷板液冷的出水溫度至65℃,甚至更高一些,通常芯片內(nèi)部最大能承受的溫度不超過80℃,如果能提升冷板的出水溫度至65℃,這對于熱回收來說直接利用余熱的用處更廣泛。浸沒式液冷也同樣,如果能提升浸沒液體的溫度,對于熱回收的使用價值更大。
 
總之,數(shù)據(jù)中心的余熱回收在整個行業(yè)還處在摸索階段,目前供暖對象比較單一,與相關(guān)行業(yè)合作不多,規(guī)模還需進一步擴大,相關(guān)技術(shù)還需進一步完善,熱能利用率還需進一步提升。在這個領(lǐng)域,數(shù)據(jù)中心的發(fā)展遠遠沒有達到預(yù)期的水平。數(shù)據(jù)中心的熱到哪里去了?值得我們所有數(shù)據(jù)中心從業(yè)者考慮和研究,希望在余熱回收方面能為“雙碳”戰(zhàn)略做得更多。
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