低碳数据中心建设思路及未来趋势

近年来，随着 IT 技术的高速发展，对数据处理能力的要求越来越高，数据中心等基础服务设施的需求量急剧增大。同时绿色发展、节能环保的理念逐渐在众多行业领域中得到渗透和发展，成为提升发展综合效益的重要方式。在我国二氧化碳排放力争于 2030 年前实现碳达峰、在 2060 年前实现碳中和以及能效双控等目标愿景下，绿色、节能、低碳的数据中心发展成为了重点。相关研究表明，数据中心的制冷系统是整个数据中心中耗电量最大的部分，占数据中心总能耗的 30%~50%。本文就数据中心暖通系统进行现状分析，探讨低碳数据中心发展路径，为“双碳”目标下的数据中心规划建设提供建议。

数据中心低碳政策

当前，我国已经发布一系列政策推进数据中心绿色发展。2020 年 12 月，国家发改委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局等四部委联合印发的《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》中提出，到 2025 年，东西部数据中心实现结构性平衡，大型、超大型数据中心运行 PUE 不高于 1.3。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）》，明确提出到 2023 年，新建大型及以上数据中心 PUE 降低到 1.3 以下。鉴于暖通制冷系统能耗在数据中心总能耗中占比较高，为使数据中心 PUE 符合政策限定值，降低暖通制冷系统能耗是当前数据中心的工作重点。

本文结合数据中心制冷系统阐述了数据中心绿色化、低碳化、模块化、智能化的技术发展方向。

数据中心制冷系统现状

目前我国数据中心制冷系统主要分为以下几种：水冷、风冷、间接蒸发、磁悬浮相变制冷与液冷形式。

水冷系统是目前数据中心最为常用的冷却系统，房间综合的热量通过末端空调经一级一级换热传输至室外冷却塔，通过风机将热量传递到室外，较多的换热损失带来系统运行高能耗的问题，并且水系统管路复杂，阀门较多，极不利于运维操作。目前越来越多的用户开始关注数据中心居高不下的高能耗引发的节能问题，水冷系统中冷机运行水温直接关系到制冷能耗，相关研究表明，冷冻水出水温度平均每提升 1℃，COP 提升约 3.8%，新建数据中心冷冻水温度也逐步规划到了 18/24 度，现有水冷数据中心可根据实际情况进行优化改造，节省运行能耗，随着冷水机组及冷塔、板换材质工艺和换热效率的提升，目前水冷系统的年运行平均 PUE 部分地区可低于 1.3。

风冷系统形式主要为以下四种：

• 系统 1.风冷冷水机组+末端精密空调；

  系统 2.直膨式精密空调+室外机；

  系统 3.间接蒸发制冷空调；
  

图 1 间接蒸发机组及换热原理

系统 4.磁悬浮相变制冷空调；

图 2 磁悬浮相变制冷系统

按过往数据中心规划设计经验，当数据中心建设制约于水资源的影响时，会考虑系统 1 和系统 2 风冷形式，但高能耗一直是各方关注的焦点，这两种风冷系统年运行 PUE 甚至高达 2.0 以上，不符合当前社会“双碳”数据中心建设要求。随着节能要求越来越高，间接蒸发冷却系统、磁悬浮相变制冷系统逐渐替代了传统空调形式，在系统形式上，通过减少换热环节、增加节能模块，增加了换热效率，延长了自由冷却使用时长，解决了传统风冷系统 PUE 过高的问题；在系统架构上，制冷系统模块化程度越来越高，用户可根据自身建设需求灵活配置制冷功率，因需制冷，减少了无效能源消耗。这些制冷系统随着国家低碳化数据中心建设逐步大规模应用。

数据中心低碳路线发展

如今，“碳达峰、碳中和”已成为现代数据中心绿色节能、生态文明规划的重要指导原则，对数据中心的发展提出了更严峻的挑战。

l 数据中心选址
数据中心的能效水平与选址、技术、管理等方面都密切相关。数据中心选址应尽可能考虑气候地区因素，优越的地理位置是解决数据中心高能耗的先决条件。图 3 是 GB50176 根据国内气候参数划分的五个分区，目前数据中心主要集群地区中，贵阳年平均温度 15.3 度，张北和乌兰察布地区年平均温度仅不到 10℃。其次搭配高效供配电设备、制冷机组、智能控制系统等手段，为极致低能耗数据中心创造有力条件。

此外数据中心选址可优先选择可再生能源富集的地区，实现可再生能源就地消纳。以张北地区为例，相关数据显示张北风能年均利用小时数为 2400 小时以上，太阳能年均日照时数约 3000 小时。北京东奥期间，张北可再生能源已历史性地首次实现全部赛馆 100%绿色电能供应，对于数据中心而言，非 IT 关键设施配电可考虑提升绿电供应优先级，接入绿色能源，实现数据中心绿色化。风电、光伏、储能、抽蓄等多种形态能源在未来将会得到大幅发展，未来数据中心选址应将绿色可持续能源利用纳入衡量指标。

l 数据中心液冷

“低碳”化数据中心的建设要求表明传统风冷直膨、风冷冷水机组等高能耗制冷系统已无法适应当前政策及市场要求，随着云计算、5G、大数据网络建设，单机柜功率可达 20kw、30kw，服务器芯片散热问题愈发受到关注，相比于低导热效率的空气，液体的冷却能力是空气的 1000~3500 倍，液冷因其超高的导热优势，成为目前数据中心备受关注的制冷系统之一。

液冷主要有三种形式：浸没式、冷板和背板；

浸没式液冷根据换热中有无相态变化分为单相浸没式和两相浸没式，单相浸没式中器件和冷媒热交换过程中始终维持液态，利用冷媒自身温差对流或增加动力强化对流；两相浸没式中使用相变冷媒，冷媒在受热后气化，在机柜顶部凝结再流回机柜。

图 4 浸没式液冷示意图

冷板式液冷中工作液体与被冷却对象分离，工作液体不与电子器件直接接触，通过液冷板等高效热传导部件将被冷却对象的热量传递到冷媒中。有学者就冷板式液冷在国内不同热工区的适应性进行过节能分析，计算发现板式液系统 PUE 均低于 1.13，有显著节能效果。紫光股份旗下新华三集团参与制订的我国首批液冷系列行业标准此前已正式发布，同时，新华三参与了行业内（比如 CCSA、ODCC 与电子协会）几乎所有液冷标准的制定工作。目前可为客户提供定制版冷板式液冷服务器。

背板液冷同样将工作液体与被冷却对象分离，工作液体不与电子器件直接接触，通过服务器风扇将热量传递到冷却介质中。

图 5 冷板式液冷示意图

图 6 背板式液冷示意图

表 1 液冷系统优缺点

l 数据中心模块化

近年来数据中心建设及交付节奏加快，模块化、低颗粒度已成为数据中心建设的主流需求之一。模块化机房灵活度高，用户可根据自建或租赁情况对数据中心分期采购、施工，各子单元相对独立，可适应多种场景，在模块化部署模式下，UPS、IT 设备、空调、配电、消防、照明、综合布线等子系统模块可集中堆叠部署在机房主产区。

模块化一定程度上表明产品集成度高，从制冷换热及电气输送角度看，更高的效率转换，可实现更低的 PUE，达到低碳数据中心的建设要求，这也是目前数据中心间接蒸发、液冷、高压直流形式备受青睐的主要原因。

l 数据中心智能化

数据中心智能化即改造数据中心“大脑”，将 AI 技术应用于数据中心，通过大数据建立神经网络模型，深度自适应逻辑控制，建立能耗与 IT 负载、气候条件、设备运行数量等机器学习模型，联动控制各个子系统的运行模式，准确推理和配置出数据中心最优控制逻辑，实时调节参数，降低数据中心 PUE。

目前数据中心中控制单元区域划分比较明显，控制逻辑较为单一，以制冷系统为例，为充分利用自然冷源，降低系统运行能耗，设置机组“干工况”模式，当室外湿球温度、冷却塔下水温达到一定值时，冷机关停，末端回水通过板换将热量传递到冷却侧。目前国内大部分数据中心水冷系统中干、湿工况切换温湿度处于固定调整值，而温湿度其实受多种因素干扰，可综合考虑室外参数，依据数据中心常年运行实测数据值建模，对制冷系统运行实现动态智能化控制，合理优化设置参数，实现自然冷源利用最大化。

图 7 新华三微模块数据中心

综上，随着国家对低碳、节能的要求越来越严格以及人们环保意识的提高，数据中心评绿色节能等级愈发常规化，尤其暖通方面高能耗一直是社会关注重点，本文通过对国内数据中心主要使用的制冷系统进行分析，让读者对现有制冷系统的能耗和发展有个直观了解。

未来，新目标下数据中心建设将从选址规划开始，绿色解决方案、低能耗技术产品将发挥重要作用，模块化+智能化数据中心将成主流，搭配先进液冷冷却系统及高效电力输送系统，智能化调优控制将覆盖数据中心每个角落，实现绿色高科技充满数据中心全生命周期。彼时，我们将迎来真正的低碳数据中心时代。

数据中心作为能耗大户，向低碳节能转型是必然趋势，而聚焦数据中心冷却系统的各类低碳节能技术将在“双碳”进程中发挥相辅相成的作用，推动数据中心逐步实现“碳中和”目标。