低碳數(shù)字化時(shí)代，數(shù)據(jù)中心制冷將走向何方？

過(guò)去十多年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、云服務(wù)蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為現(xiàn)代信息社會(huì)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。今天，我們的每一次網(wǎng)上約車、每一次網(wǎng)上購(gòu)物、每一頓網(wǎng)上訂餐......都離不開(kāi)數(shù)據(jù)中心在背后默默支撐。

如今進(jìn)入數(shù)字化、智能化時(shí)代，數(shù)據(jù)中心作為支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要底座將承擔(dān)起更重要的角色。為適應(yīng)時(shí)代新需求，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)將發(fā)生哪些變化？制冷系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施將走向何方？

綠色低碳成為發(fā)展主旋律

眾所周知，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AI等ICT技術(shù)賦能千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)流量和算力需求將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，而數(shù)據(jù)中心作為海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的載體，其規(guī)模和數(shù)量也將需隨之不斷增長(zhǎng)，這無(wú)疑為數(shù)據(jù)中心行業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來(lái)五年全球算力的復(fù)合增長(zhǎng)率將超過(guò)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(zhǎng)當(dāng)然會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)中心需求大增。

從國(guó)家戰(zhàn)略層面看，從數(shù)據(jù)中心被納入新基建范疇，到最近全面啟動(dòng)“東數(shù)西算”工程，近年來(lái)數(shù)據(jù)中心連續(xù)迎來(lái)政策利好。有行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求驅(qū)動(dòng)，還有國(guó)家政策牽引，相信將進(jìn)一步加速推動(dòng)數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展。

但我們常說(shuō)機(jī)遇總是與挑戰(zhàn)并存，數(shù)據(jù)中心在迎來(lái)發(fā)展黃金機(jī)遇期的同時(shí)，隨著未來(lái)數(shù)據(jù)流量和算力需求暴增，如果數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)維方式保持不變，能耗和碳排放壓力也必將越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量占全社會(huì)用電量約2.6%，這一比例將逐年攀升，預(yù)計(jì)到2025年會(huì)達(dá)到4.05%?？梢哉f(shuō)，在當(dāng)前數(shù)字化、低碳化兩大發(fā)展趨勢(shì)下，未來(lái)的數(shù)據(jù)中心發(fā)展面臨既要規(guī)模增長(zhǎng)、又要節(jié)能降本、還要履行低碳社會(huì)責(zé)任的多重挑戰(zhàn)。

在此背景下，為引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心綠色可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家多部門及各省市已相繼出臺(tái)各種加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的要求與規(guī)劃。比如，2021年7月，工信部印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年)》，提出到2025年新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE要降低到1.3以下；2021年4月，上海發(fā)布《上海市數(shù)據(jù)中心建設(shè)導(dǎo)則(2021版)》，要求新建大型數(shù)據(jù)中心綜合PUE嚴(yán)格控制在1.3以內(nèi)；2022年2月，成渝地區(qū)啟動(dòng)建設(shè)全國(guó)一體化算力網(wǎng)絡(luò)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)，要求PUE控制在1.25以內(nèi)。

提升制冷效率是核心，但傳統(tǒng)方案漸遇瓶頸

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。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備能耗約占總能耗的45%-50%，制冷系統(tǒng)能耗約占30%-45%，供配電系統(tǒng)約10%-15%，照明系統(tǒng)及其他約3%-5%。也就是說(shuō)，為了排放大量IT設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的廢熱、保障IT設(shè)備在恒定溫濕度環(huán)境下正常運(yùn)行，制冷系統(tǒng)消耗的電能接近真正有價(jià)值的IT設(shè)備。顯然，要打造綠色數(shù)據(jù)中心，降低制冷系統(tǒng)能耗是核心關(guān)鍵。

那如何降低制冷系統(tǒng)能耗？在回答這個(gè)問(wèn)題前，我們不妨來(lái)看看當(dāng)前數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)存在哪些問(wèn)題？

傳統(tǒng)中大型數(shù)據(jù)中心一般采用冷凍水制冷系統(tǒng)，主要由冷卻塔、冷凍水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷凍水制冷末端等多個(gè)子系統(tǒng)，以及UPS、加濕除濕等多個(gè)輔助制冷系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)制冷鏈路長(zhǎng)，換熱層級(jí)多，管路多，子部件眾多，不僅導(dǎo)致了制冷效率低，還存在建設(shè)周期長(zhǎng)、運(yùn)維復(fù)雜等問(wèn)題。

傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)

比如，從制冷效率角度看，冷凍水制冷系統(tǒng)大致工作原理是：冷水機(jī)組使冷媒與冷凍水進(jìn)行熱交換，將冷凍水制冷，再通過(guò)冷凍水泵將冷凍水送到制冷末端與室內(nèi)空氣換熱，使室內(nèi)溫度下降；同時(shí)，冷凍機(jī)組在與冷媒換熱時(shí)，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(jìn)行熱交換。整個(gè)過(guò)程需多級(jí)換熱，熱量損失嚴(yán)重，換熱效率低。

從建設(shè)周期看，由于傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，從設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、設(shè)備安裝、管路連接到聯(lián)調(diào)，往往需要花費(fèi)4-6個(gè)月時(shí)間，幾乎占據(jù)了整個(gè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)周期的一半。面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用不斷繁榮，對(duì)業(yè)務(wù)上線和變更的速度要求越來(lái)越快，傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)已嚴(yán)重制約數(shù)據(jù)中心的敏捷交付、彈性擴(kuò)展等能力。同時(shí)，架構(gòu)復(fù)雜還帶來(lái)了系統(tǒng)能效優(yōu)化、后期升級(jí)改動(dòng)等工作難度大，進(jìn)而可能進(jìn)一步導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

面對(duì)以上瓶頸，最近幾年來(lái)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)成為了行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，并逐步發(fā)展成為數(shù)據(jù)中心的首選節(jié)能利器。

省電省水，間接蒸發(fā)冷卻成為新趨勢(shì)

什么是間接蒸發(fā)冷卻？炎炎夏日，當(dāng)我們?cè)诘厣蠟⑺?，因水蒸發(fā)會(huì)帶走熱量，能給我們帶來(lái)一絲清涼。蒸發(fā)冷卻的原理正是如此，其利用水的蒸發(fā)潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣冷卻降溫。而間接蒸發(fā)冷卻指先通過(guò)直接蒸發(fā)冷卻將空氣降溫后，再間接通過(guò)熱換器與室內(nèi)熱回風(fēng)進(jìn)行換熱，從而達(dá)到對(duì)室內(nèi)進(jìn)行等濕降溫的效果。相對(duì)于直接蒸發(fā)冷卻，間接蒸發(fā)冷卻利用室內(nèi)外空氣間接接觸，只進(jìn)行熱交換，不進(jìn)行質(zhì)量交換，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣降溫的同時(shí)保持含濕量不變，保障機(jī)房?jī)?nèi)的濕度和空氣質(zhì)量不受室外空氣影響。

間接蒸發(fā)冷卻基本原理圖

從產(chǎn)品形態(tài)看，間接蒸發(fā)冷卻解決方案一般由噴淋裝置、換熱芯體、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、機(jī)械制冷補(bǔ)充裝置等部分組成，通常為基于模塊化架構(gòu)的一體化集成產(chǎn)品，主機(jī)運(yùn)送到數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場(chǎng)，只需簡(jiǎn)單安裝風(fēng)水管道及供配電后即可投入使用，可像搭積木一樣實(shí)現(xiàn)快速交付。

基于以上實(shí)現(xiàn)原理和產(chǎn)品形態(tài)，不難看出間接蒸發(fā)冷卻方案解決了傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)面臨的瓶頸，不僅可充分利用自然冷源來(lái)降低數(shù)據(jù)中心制冷能耗，而且架構(gòu)簡(jiǎn)單、熱換層級(jí)少、管路少，系統(tǒng)制冷效率大大提升，還具備部署快、擴(kuò)容方便、運(yùn)維更簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，從而能實(shí)現(xiàn)更省電、更省水、更省安裝維護(hù)。

比如在省電、省水方面，間接蒸發(fā)冷卻方案可根據(jù)負(fù)載情況及外界氣象條件自動(dòng)切換三種工作模式。當(dāng)室外溫度較低時(shí)，可通過(guò)空氣-空氣換熱的方式，由室外低溫空氣對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的熱回風(fēng)直接冷卻，無(wú)需開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)和機(jī)械制冷補(bǔ)充裝置，從而可充分利用免費(fèi)的外部自然冷源極大節(jié)省電耗和水耗；當(dāng)室外溫度較溫和時(shí)，僅開(kāi)啟噴淋系統(tǒng)，由蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)預(yù)冷室外進(jìn)風(fēng)，再通過(guò)空氣-空氣換熱對(duì)室內(nèi)熱回風(fēng)進(jìn)行冷卻，仍然無(wú)需開(kāi)啟機(jī)械制冷裝置，依然可以大幅節(jié)省電耗；只有當(dāng)室外濕球溫度較高時(shí)，才開(kāi)啟機(jī)械制冷裝置進(jìn)行補(bǔ)冷，進(jìn)入包括干模式、濕模式和壓縮機(jī)制冷的混合工作模式，以最大限度節(jié)省電耗。

向綠色、簡(jiǎn)單、智能持續(xù)邁進(jìn)

間接蒸發(fā)冷卻不僅是公認(rèn)的新趨勢(shì)，而且這項(xiàng)技術(shù)正在加速演進(jìn)中。比如，今年5月華為在發(fā)布下一代數(shù)據(jù)中心理念中指出，間接蒸發(fā)冷卻方案替代傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)已成趨勢(shì)，是數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)邁向綠色化、簡(jiǎn)單化的關(guān)鍵一步，并正在向智能化不斷演進(jìn)。

在智能化演進(jìn)方面，間接蒸發(fā)冷卻方案正逐漸從制冷走向“智”冷，基于AI技術(shù)，通過(guò)對(duì)收集的室外環(huán)境、負(fù)載能耗、機(jī)柜和通道進(jìn)出風(fēng)溫度等大量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和決策，既能根據(jù)室外溫度環(huán)境智能控制運(yùn)行模式以最大化減少機(jī)械制冷，也可通過(guò)冷電聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)匹配IT負(fù)載變化，精準(zhǔn)控制送風(fēng)量，智能推薦節(jié)水和節(jié)電模式， 從而真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)動(dòng)能效尋優(yōu)。

在系統(tǒng)架構(gòu)方面，面對(duì)為保障IT、制冷等設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和提升供電效率，數(shù)據(jù)中心前端配置的UPS等配電設(shè)備和有源濾波器、無(wú)功補(bǔ)償等諧波治理設(shè)備會(huì)帶來(lái)機(jī)房占地空間大、設(shè)備投資大等問(wèn)題，華為等廠商已基于“冷電融合”設(shè)計(jì)，通過(guò)在間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品中內(nèi)置帶功率因數(shù)校正和諧波治理的整流逆變模塊，實(shí)現(xiàn)了供電鏈路進(jìn)一步縮短，供配電效率進(jìn)一步提升，并大大節(jié)省了供配電占地面積。

同時(shí)，面對(duì)過(guò)去數(shù)據(jù)中心為滿足峰值負(fù)荷要求而帶來(lái)的配電容量浪費(fèi)問(wèn)題，最新的間接冷卻蒸發(fā)方案還將鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換模塊與間接蒸發(fā)冷卻機(jī)體集于一體并協(xié)同工作，不僅能通過(guò)鋰電存放電智能“削峰”滿足數(shù)據(jù)中心峰值電力需求，提升了電力利用率，還能在市電轉(zhuǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)0毫秒切換，保障制冷不中斷、溫度不波動(dòng)，保障機(jī)房安全穩(wěn)定運(yùn)行。

總之，面對(duì)數(shù)字化、低碳化浪潮洶涌而來(lái)，數(shù)據(jù)中心在迎來(lái)空前發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也面臨著能耗高、碳排高、建設(shè)慢、運(yùn)維難等挑戰(zhàn)，亟須一場(chǎng)綠色化、極簡(jiǎn)化、智能化變革。制冷系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本的核心關(guān)鍵部分，無(wú)疑是這場(chǎng)變革的重中之重。面對(duì)傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)一直以來(lái)存在的耗電多、耗水多、系統(tǒng)復(fù)雜等挑戰(zhàn)，不斷進(jìn)步的間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)正加速推進(jìn)這場(chǎng)變革。