低碳數(shù)字化時代，數(shù)據(jù)中心制冷該如何發(fā)展？

　　過去十多年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)應用、云服務蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為現(xiàn)代信息社會不可或缺的基礎設施。今天，我們的每一次網(wǎng)上約車、每一次網(wǎng)上購物、每一頓網(wǎng)上訂餐......都離不開數(shù)據(jù)中心在背后默默支撐。

　　如今進入數(shù)字化、智能化時代，數(shù)據(jù)中心作為支撐數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的重要底座將承擔起更重要的角色。為適應時代新需求，未來的數(shù)據(jù)中心建設將發(fā)生哪些變化？制冷系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的關鍵基礎設施將走向何方？

　　綠色低碳成為發(fā)展主旋律

　　眾所周知，數(shù)字經(jīng)濟的本質是數(shù)據(jù)驅動。進入數(shù)字經(jīng)濟時代，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AI等ICT技術賦能千行百業(yè)數(shù)字化轉型，數(shù)據(jù)流量和算力需求將迎來爆發(fā)式增長，而數(shù)據(jù)中心作為海量數(shù)據(jù)存儲和計算的載體，其規(guī)模和數(shù)量也將需隨之不斷增長，這無疑為數(shù)據(jù)中心行業(yè)帶來了新的機遇。據(jù)統(tǒng)計，未來五年全球算力的復合增長率將超過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當然會帶來數(shù)據(jù)中心需求大增。

　　從國家戰(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“東數(shù)西算”工程，近年來數(shù)據(jù)中心連續(xù)迎來政策利好。有行業(yè)數(shù)字化轉型需求驅動，還有國家政策牽引，相信將進一步加速推動數(shù)據(jù)中心蓬勃發(fā)展。

　　但我們常說機遇總是與挑戰(zhàn)并存，數(shù)據(jù)中心在迎來發(fā)展黃金機遇期的同時，隨著未來數(shù)據(jù)流量和算力需求暴增，如果數(shù)據(jù)中心的建設和運維方式保持不變，能耗和碳排放壓力也必將越來越大。據(jù)統(tǒng)計，2021年全國數(shù)據(jù)中心耗電量占全社會用電量約2.6%，這一比例將逐年攀升，預計到2025年會達到4.05%?？梢哉f，在當前數(shù)字化、低碳化兩大發(fā)展趨勢下，未來的數(shù)據(jù)中心發(fā)展面臨既要規(guī)模增長、又要節(jié)能降本、還要履行低碳社會責任的多重挑戰(zhàn)。

　　在此背景下，為引導數(shù)據(jù)中心綠色可持續(xù)發(fā)展，國家多部門及各省市已相繼出臺各種加強數(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)展三年行動計劃(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)中心建設導則(2021版)》，要求新建大型數(shù)據(jù)中心綜合PUE嚴格控制在1.3以內；2022年2月，成渝地區(qū)啟動建設全國一體化算力網(wǎng)絡國家樞紐節(jié)點，要求PUE控制在1.25以內。

　　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設備、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及其他設施。據(jù)統(tǒng)計，當前數(shù)據(jù)中心的IT設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，為了排放大量IT設備運行產(chǎn)生的廢熱、保障IT設備在恒定溫濕度環(huán)境下正常運行，制冷系統(tǒng)消耗的電能接近真正有價值的IT設備。顯然，要打造綠色數(shù)據(jù)中心，降低制冷系統(tǒng)能耗是核心關鍵

　　那如何降低制冷系統(tǒng)能耗？在回答這個問題前，我們不妨來看看當前數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)存在哪些問題？

　　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、冷凍水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷凍水制冷末端等多個子系統(tǒng)，以及UPS、加濕除濕等多個輔助制冷系統(tǒng)組成，整個系統(tǒng)制冷鏈路長，換熱層級多，管路多，子部件眾多，不僅導致了制冷效率低，還存在建設周期長、運維復雜等問題。

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：冷水機組使冷媒與冷凍水進行熱交換，將冷凍水制冷，再通過冷凍水泵將冷凍水送到制冷末端與室內空氣換熱，使室內溫度下降；同時，冷凍機組在與冷媒換熱時，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行熱交換。整個過程需多級換熱，熱量損失嚴重，換熱效率低。

　　從建設周期看，由于傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)龐大、復雜，從設備進場、設備安裝、管路連接到聯(lián)調，往往需要花費4-6個月時間，幾乎占據(jù)了整個數(shù)據(jù)中心建設周期的一半。面對互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)數(shù)字化應用不斷繁榮，對業(yè)務上線和變更的速度要求越來越快，傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)已嚴重制約數(shù)據(jù)中心的敏捷交付、彈性擴展等能力。同時，架構復雜還帶來了系統(tǒng)能效優(yōu)化、后期升級改動等工作難度大，進而可能進一步導致能源浪費。

　　面對以上瓶頸，最近幾年來間接蒸發(fā)冷卻技術成為了行業(yè)關注的焦點，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

　　什么是間接蒸發(fā)冷卻？炎炎夏日，當我們在地上灑水后，因水蒸發(fā)會帶走熱量，能給我們帶來一絲清涼。蒸發(fā)冷卻的原理正是如此，其利用水的蒸發(fā)潛熱來實現(xiàn)對空氣冷卻降溫。而間接蒸發(fā)冷卻指先通過直接蒸發(fā)冷卻將空氣降溫后，再間接通過熱換器與室內熱回風進行換熱，從而達到對室內進行等濕降溫的效果。相對于直接蒸發(fā)冷卻，間接蒸發(fā)冷卻利用室內外空氣間接接觸，只進行熱交換，不進行質量交換，從而可實現(xiàn)對室內空氣降溫的同時保持含濕量不變，保障機房內的濕度和空氣質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、室內風機、室外風機、機械制冷補充裝置等部分組成，通常為基于模塊化架構的一體化集成產(chǎn)品，主機運送到數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場，只需簡單安裝風水管道及供配電后即可投入使用，可像搭積木一樣實現(xiàn)快速交付。

　　基于以上實現(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降低數(shù)據(jù)中心制冷能耗，而且架構簡單、熱換層級少、管路少，系統(tǒng)制冷效率大大提升，還具備部署快、擴容方便、運維更簡單等優(yōu)勢，從而能實現(xiàn)更省電、更省水、更省安裝維護。

　　比如在省電、省水方面，間接蒸發(fā)冷卻方案可根據(jù)負載情況及外界氣象條件自動切換三種工作模式。當室外溫度較低時，可通過空氣-空氣換熱的方式，由室外低溫空氣對數(shù)據(jù)中心內的熱回風直接冷卻，無需開啟噴淋系統(tǒng)和機械制冷補充裝置，從而可充分利用免費的外部自然冷源極大節(jié)省電耗和水耗；當室外溫度較溫和時，僅開啟噴淋系統(tǒng)，由蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)預冷室外進風，再通過空氣-空氣換熱對室內熱回風進行冷卻，仍然無需開啟機械制冷裝置，依然可以大幅節(jié)省電耗；只有當室外濕球溫度較高時，才開啟機械制冷裝置進行補冷，進入包括干模式、濕模式和壓縮機制冷的混合工作模式，以最大限度節(jié)省電耗。

　　向綠色、簡單、智能持續(xù)邁進

　　間接蒸發(fā)冷卻不僅是公認的新趨勢，而且這項技術正在加速演進中。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，是數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)邁向綠色化、簡單化的關鍵一步，并正在向智能化不斷演進。

　　在智能化演進方面，間接蒸發(fā)冷卻方案正逐漸從制冷走向“智”冷，基于AI技術，通過對收集的室外環(huán)境、負載能耗、機柜和通道進出風溫度等大量數(shù)據(jù)進行智能分析和決策，既能根據(jù)室外溫度環(huán)境智能控制運行模式以最大化減少機械制冷，也可通過冷電聯(lián)動實時匹配IT負載變化，精準控制送風量，智能推薦節(jié)水和節(jié)電模式， 從而真正實現(xiàn)系統(tǒng)級聯(lián)動能效尋優(yōu)。

　　在系統(tǒng)架構方面，面對為保障IT、制冷等設備連續(xù)穩(wěn)定運行和提升供電效率，數(shù)據(jù)中心前端配置的UPS等配電設備和有源濾波器、無功補償?shù)戎C波治理設備會帶來機房占地空間大、設備投資大等問題，華為等廠商已基于“冷電融合”設計，通過在間接蒸發(fā)冷卻產(chǎn)品中內置帶功率因數(shù)校正和諧波治理的整流逆變模塊，實現(xiàn)了供電鏈路進一步縮短，供配電效率進一步提升，并大大節(jié)省了供配電占地面積。

　　同時，面對過去數(shù)據(jù)中心為滿足峰值負荷要求而帶來的配電容量浪費問題，最新的間接冷卻蒸發(fā)方案還將鋰電儲能系統(tǒng)、功率轉換模塊與間接蒸發(fā)冷卻機體集于一體并協(xié)同工作，不僅能通過鋰電存放電智能“削峰”滿足數(shù)據(jù)中心峰值電力需求，提升了電力利用率，還能在市電轉儲能系統(tǒng)的時候實現(xiàn)0毫秒切換，保障制冷不中斷、溫度不波動，保障機房安全穩(wěn)定運行。

　　總之，面對數(shù)字化、低碳化浪潮洶涌而來，數(shù)據(jù)中心在迎來空前發(fā)展機遇的同時，也面臨著能耗高、碳排高、建設慢、運維難等挑戰(zhàn)，亟須一場綠色化、極簡化、智能化變革。制冷系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)節(jié)能降本的核心關鍵部分，無疑是這場變革的重中之重。面對傳統(tǒng)冷凍水制冷系統(tǒng)一直以來存在的耗電多、耗水多、系統(tǒng)復雜等挑戰(zhàn)，不斷進步的間接蒸發(fā)冷卻技術正加速推進這場變革。