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雙碳”趨勢(shì)下，零碳數(shù)據(jù)中心如何打造，要重點(diǎn)考慮"電從哪里來(lái)？熱到哪里去?"（二）
發(fā)布時(shí)間：2024-12-16
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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(diǎn)，例如在一個(gè)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(shí)，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(yáng)全年平均溫度是5℃～13℃，山西陽(yáng)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(dú)厚水資源的地方，例如湖北省長(zhǎng)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(jī)組方案（AHU）
間接蒸發(fā)冷節(jié)能機(jī)組是通過(guò)熱芯體(空-空換熱器)換熱器充分利用大氣自然冷源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)機(jī)房散熱的設(shè)備，室內(nèi)/外空氣無(wú)需混合交換即可實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，最大限度的降低機(jī)械補(bǔ)冷使用時(shí)長(zhǎng)，從而達(dá)到節(jié)能低碳環(huán)保。同時(shí)，AHU機(jī)組在室外側(cè)利用水蒸發(fā)吸熱的原理，對(duì)室外空氣進(jìn)行噴水(霧)，進(jìn)一步降低室外空氣的溫度(低于室外環(huán)境溫度)，從而延長(zhǎng)室外自然冷源的利用時(shí)長(zhǎng)，達(dá)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(jī)組方案是整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)水冷冷凍水系統(tǒng)相比，該機(jī)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(hù)非常方便。第二個(gè)特點(diǎn)是部署靈活，縮短建設(shè)周期。第三個(gè)特點(diǎn)是節(jié)水節(jié)電，可以降低運(yùn)營(yíng)成本。該機(jī)組方案能夠充分利用室外自然冷源，減少壓縮機(jī)開啟時(shí)間，運(yùn)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(jī)不開啟。混合模式下，壓縮機(jī)部分開啟。在冬季氣溫比較低的時(shí)候運(yùn)行干模式，干模式運(yùn)行時(shí)無(wú)需噴水。在濕模式蒸發(fā)冷卻時(shí)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(guò)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(jī)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(jī)制冷運(yùn)行，在春秋過(guò)渡季節(jié)采用氟泵和壓縮機(jī)“混合模式”運(yùn)行，在冬季開啟氟泵自然冷卻模式，保證全年機(jī)房空調(diào)安全可靠運(yùn)行。氟泵系列空調(diào)最大的好處就是使用自然冷源，同時(shí)可以適用于干旱缺水的場(chǎng)景。
目前氟泵技術(shù)最成熟的產(chǎn)品要屬氣體增壓氟泵機(jī)組，該方案為室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)分體設(shè)計(jì)，配置靈活，適用于各種規(guī)模的數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景。氟泵機(jī)組系統(tǒng)具有三種運(yùn)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(jī)組其運(yùn)行原理如下：

除了分體氟泵機(jī)組以外，近幾年又興起了整體式氟泵機(jī)組方案（PHU），PHU針對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的制冷解決方案。PHU整體式氟泵空調(diào)機(jī)組是通過(guò)低功率氟泵充分利用自然冷源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心制冷的一體化設(shè)備，同樣具備三種運(yùn)行模式，通過(guò)對(duì)室外環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)自動(dòng)切換運(yùn)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(jī)組運(yùn)行模式如下：

除了分體氟泵和整體式氟泵PHU以外，針對(duì)大型數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景，并對(duì)PUE有著極高要求的場(chǎng)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(yùn)行模式，例如海悟磁懸浮相變多聯(lián)系統(tǒng)其運(yùn)行原理如下：

  • 當(dāng)夏季室外溫度較高時(shí)，開啟純壓縮機(jī)模式運(yùn)行，確保室內(nèi)送回風(fēng)溫度滿足機(jī)房要求。
     

  • 在過(guò)渡季節(jié)（冬、夏之間交替的季節(jié),一般以春、秋兩季為過(guò)渡季節(jié)）時(shí)，開啟壓泵混合模式，系統(tǒng)能效顯著提升。
  • 當(dāng)室外溫度低于一定值時(shí)，開啟氟泵自然冷模式，此時(shí)壓縮機(jī)停止工作，完全利用自然冷源制冷，大大降低數(shù)據(jù)中心制冷能耗。
 
 
除了以上三種形式的氟泵系統(tǒng)方案以外，為適配室外機(jī)安裝空間有限的數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景，于是氟泵多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)應(yīng)而生，即由一個(gè)室外機(jī)拖多個(gè)室內(nèi)機(jī)的氟泵系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱氟泵多聯(lián)機(jī)。氟泵多聯(lián)機(jī)同樣具備三種運(yùn)行模式，例如海悟氟泵多聯(lián)其運(yùn)行模式如下：

（三）全時(shí)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(fèi)電力制冷，全年幾乎大部分時(shí)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(diǎn)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(guò)抽取江水或湖水，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾直接作為冷卻水使用，因?yàn)榻?、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(dòng)非常小，可有效地帶走服務(wù)器產(chǎn)生的熱量。具體實(shí)現(xiàn)方式是將江水或湖水抽上來(lái)經(jīng)過(guò)過(guò)濾，然后引入數(shù)據(jù)中心的冷卻水管路，通過(guò)板換和數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水進(jìn)行二次換熱，冷凍水的回水溫度通常是21℃，經(jīng)過(guò)板換后冷卻至15℃去空調(diào)降溫。通過(guò)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(dá)到冷卻的目的。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，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(tái)湖水處理器，通過(guò)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(guò)緩沖池進(jìn)入湖水處理器，然后再進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，通過(guò)板換和冷凍水進(jìn)行換熱，幫助服務(wù)器降溫，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(kù)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(dá)到國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)濾處理后進(jìn)入能源站，通過(guò)板式換熱器制取冷凍水為機(jī)房降溫。江水在換熱后經(jīng)密閉管道排入下游，整個(gè)過(guò)程不消耗水資源且不對(duì)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(yùn)行。東江湖數(shù)據(jù)中心在全年99%的時(shí)間里都完全利用江水源冷卻，全年幾乎不啟動(dòng)冷水機(jī)組。采用江水全時(shí)冷卻，年平均PUE為1.15。
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