“双碳”目标下绿色数据中心冷却技术分析

“双碳”目标下绿色数据中心冷却技术分析

简玮恺

（ 广东省电信规划设计院有限公司 510630）

摘要：在大数据、云计算以及5G技术发展速度越来越快的背景下，数据中心的建设规模也在不断的加大，能耗爆发式增长。基于“双碳”目标进行分析，针对冷却节能的基本要求进行研究，灵活应用各种冷却技术，兼顾绿色持续发展原则，实现绿色数据中心制冷空调系统功能的进一步优化。本文结合“双碳”目标要求，对绿色数据中心冷却技术原理以及应用要点进行简单分析。

关键词：数据中心；冷却技术；蒸发冷却；干空气能；

    数据中心是信息技术的高速发展的基础，面对不断增长的数据应用需求，面对一系列新建的数据中心，更是要加强对各项基础设施的研究，争取最大程度上减少能耗。从制冷空调系统出发，研究分析节能冷却新技术，寻求高COP值、低PUE值的冷却方式，实现数据中心的有效降温，以求更好的满足低碳绿色发展理念。

一、数据中心发展趋势

    在我国信息技术飞速发展的过程中，数据量和计算量爆发式增长，专业预测到2030年国内数据总量可达到4YB以上，在全球总数据量中达到30%的占比。面对快速增加的数据量，要达到更加高效和安全的存储与计算要求，在数据中心设计建设中，尤其是要合理降低数据中心所产生的能耗。近几年受新冠疫情的影响，大量的企业单位选择了线上办公、线上教育等方式，以及线上商务和线上购物的总量也有了明显的提升，导致互联网数据中心的业务规模成快速增长的态势。信息技术已经深入到社会发展的各行各业中。对数据中心能耗进行统计，每年的能耗增长率可在9%以上，占到社会总用电量的2%以上，而且在持续不断的增长[1]。相比欧美发达国家的数据中心的能源利用率，我国还存在着较大的发展空间。在“双碳”目标下对数据中心能耗问题进行分析，必须要坚持绿色节能可持续发展理念，实现安全、可靠、低PUE运行目标。

二、数据中心节能冷却分析

    以往针对数据中心的节能研究，有的将重点放在降低节点计算能耗方面，例如通过处理器电压频率调整等节能技术的应用，或者是调整任务负载，实现任务的集中化。以及通过应用虚拟化技术，通过服务器将多个虚拟机整合到同一个物理机上，关停其他空闲的物理机，由此来降低电能的使用。虽然上述措施可以达到一定的节能效果，但是对于制冷空调系统的能耗研究不多，除了处理器、网络设备等来自服务器的计算能耗以外，制冷设备的能耗所占比例更大，可以达到50%。因此在针对数据中心节能技术研究时，要进一步提高对冷却技术的研究，更好的满足“双碳”发展目标，实现绿色持续发展[2]。分析总结数据中心制冷能耗偏高的原因，主要体现在以下几个方面：

    （1）温度分布不均。就国内数据中心的建设情况来看，各基础设施在空间分布方面还可以做进一步的调整优化，实际运行中因为硬件以及负载分布不合理，导致不同位置和不同节点的温度分布不均衡。往往会出现高密度区域，形成局部热岛现象。这样数据中心节点温度的变动必须要与制冷设备的过量冷却对应，以此来保证质量数据中心设备运行的可靠性。

    （2）制冷设备状态不稳定。制冷设备的运行状态直接关系着数据中心的温度高低，如果数据中心温度过高，将会对各基础设施的状态产生影响。当温度每升高10℃时，设备发生运行故障的可能性会翻倍，为保证设备稳定运行，就必须要将数据中心温度控制在合理的范围内，而这也代表着大量制冷能耗的存在。并且，数据中心内部计算设备能耗非常高，需要大量的内能作为支持，导致温度控制的难度大大提升。

    （3）热量管理不当。数据中心热量管理方法不当，导致制冷设备的运行效率无法提升。需要就温度、气流等物理参数进行管控，将温度控制在一个合理的范围内，并对数据中心的热力学特性进行优化，将热点的数量控制到最少范围内，维持最小峰值温度与最小制冷能耗之间的等价性，提升制冷效率，减少制冷能耗，为设备的可靠运行提供一个有利的环境[3]。

三、数据中心冷却技术应用

    1.干空气能冷却

    所谓“干空气能”便是干燥空气可容纳的水蒸气含量更多，并且水蒸发转变成气体的过程会吸收大量的热量，以达到降低空气温度的效果。这样干空气在由干变潮湿的过程会对空气内的显热能量进行有效吸收，而这种能量便是空气所具备的干空气能。“干空气能”早于2007年已经被成功用于蒸发冷却空调制冷系统，且是我国干燥地区大力倡导的制冷空调技术。与其他类型场所不同的是，数据中心对制冷空调系统的送风温度以及环境温度的低温要求并不严格，我国相关标准明确规定，机房热湿环境中冷通道或机柜进风区域的温度在18℃~27℃范围内为宜，露点温度在5.5℃~15℃范围内为宜，且相对湿度要控制在60%以内[4]。由此可见，数据中心的降温需求与制冷空调系统可制取的冷风或者冷水之间有着而比较高的匹配度。我国已于2021年正式启动“东数西算”工程，这是数据中心实现碳中和的同时，有效缓解了发展和资源之间的矛盾，为“干空气能”富集区的西北地区数据中心产业绿色持续发展提供了更多的机会。

    2.风侧蒸发冷却

    2.1直接蒸发冷却

    直接蒸发冷却是在直接蒸发冷却填料的作用下，促使送入数据中心的室外空气先与水进行直接接触，利用水蒸发吸收汽化潜热，达到降低空气温度的目的，然后在通过低温空气进行数据中心的冷却。尤其是温度较高的夏季，更是要提高外部空气的利用率，通过直接蒸发冷却技术对数据中心的空气进行加湿与冷却处理。而温度较低的冬季，则是通过一部分机房回风用于控制送风湿度，避免有凝结水产生而影响到服务器的运行状态。

    2.2间接蒸发冷却

    室外空气质量可达到数据中心进风洁净度的情况非常少，因此无法直接将室外新风引入数据中心应用，为有效降低能耗，以及提高自然冷源的利用率，就可以采取间接蒸发冷却的方法[5]。运行方式可分为干工况模式、湿工况模式以及混合工况模式三种。以机房回风温度35℃测算，当室外干球温度低于16℃，可运行干工况模式，通过空—空换热器提供低温送风至机房。当室外干球温度大于16℃且湿球温度小于19℃时，运行湿模式，需要开启喷淋段降温。当室外湿球温度大于19℃时，运行混合模式，需要采用压缩制冷补冷或冷冻水补冷。实际运行根据室外环境的变化调整运行模式，最大限度利用自然冷源。

    3.水侧蒸发冷却

水的载冷量要远大于风，因此水侧蒸发冷却技术在数据中心中的应用优势更明显。间接蒸发冷却，在空气与水直接接触蒸发冷却之前，需要先完成对空气的间接预冷等湿降温处理，使得进风湿球温度更低，便于低温冷水的制取。其中，机组所制取冷水极限温度可低于空气的露点温度。而普通冷却塔出水温度一般高于空气露点温度4℃，因此采用水侧蒸发冷却技术可大大提高自然冷源利用时间，减少压缩制冷功耗。

结束语：

    对数据中心的冷却技术进行研究，更利于进一步实现节能降耗，达到绿色可持续发展的目标。随着数据中心规模的不断加大，面对信息技术发展带来了压力，必须要基于数据中心实际情况来选择合适的冷却技术，充分发挥制冷空调系统的作用，在为各设备提供可靠运行环境的同时，减少整体能耗，实现低碳、绿色发展。

参考文献：

[1] 陈心拓,周黎旸,张程宾,王树华,张亮亮,陈建峰.绿色高能效数据中心散热冷却技术研究现状及发展趋势[J/OL].中国工程科学:1-11

[2] 黄翔,屈名勋.“双碳”目标下绿色数据中心冷却关键技术路径的探讨[J].制冷与空调,2022,22(03):1-10.

[3] 韩文锋,陶杨,陈爱民,陈华峰,张向阳.数据中心高效绿色冷却技术[J].制冷与空调,2021,21(02):78-90.

[4] 张淼.绿色数据中心制冷方案研究[J].智能建筑,2019(12):35-37.

[5] 潘俊,王克勇,王晨平,徐笑强.简述数据中心冷却技术发展趋势[J].电信快报,2019(02):43-44.