实现数据中心绿色低碳发展的关键是什么？

2023-03-17 10:24:41

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随着我国产业现代化建设的不断推进，催生大量数据中心算力需求，数据中心产业与各行各业的联系会日益密切，最终成为支柱型基础设施产业之一。目前，我国数据中心已进入高速高质量发展的新阶段，伴随数据中心计算业务量爆发式增长，传统数据中心网络越来越难以提供支持云计算、边缘计算等所需的延迟，为更好承载数据处理需求，充分发挥数据中心的规模效益，降低业务部署成本和维护成本，大规模及超大规模数据中心已成为新建数据中心的首选。随着数据中心规模扩大，算力和功率密度节节攀升，支撑IT设备运行的能耗也相应飞速提高。

数据运算、存储、交换高能耗带来的是设备巨大的产热量，IT设备将99%以上的电能转换为热能，其中70%热能需数据中心通过散热冷却系统移除，进一步增加了数据中心的用电消耗。近五年来，我国数据中心耗电量保持15%以上的增长率，2020 年耗电量突破2×1011kW·h，占全国总用电量绿色高能效数据中心散热冷却技术研究现状及发展趋势的2.7%，折合二氧化碳排放量2×108t。

作为辅助单元，散热冷却系统在大型数据中心的电能消耗与 IT 设备电耗基本相当。由此可见，数据中心的散热冷却系统具有极大的节能潜力。数据中心散热冷却技术的突破创新，是实现全行业绿色低碳发展的关键。

一、数据中心散热冷却技术需求分析

数据中心面临能耗高和散热冷却难两大问题。依托区域能源供应优势和自然环境优势可降低数据中心的用电和散热冷却成本。因此，合理利用“东数西算”布局思路，将大型数据中心建设在我国能源充足、温湿度较低的西北部和西南部地区，可充分利用自然环境优势，降低数据中心的运行成本。但存在数据传输距离远的高网络延迟问题，难以满足高精度导航、在线控制等边缘计算需求。

在我国人口稠密，经济发达的东部地区布局数据中心仍是现实需求。在能源供应紧张、自然环境不利等现实条件下，破解散热难与高能耗瓶颈，发展绿色高能效数据中心成为行业共识。绿色高能效数据中心需同时实现产热移热速率匹配及能源利用效率提升两个目标，发展和应用新型散热冷却技术成为未来我国数据中心高能效绿色化运行的重中之重。

1、设备发热量大，移热速率需与产热速率匹配

数据中心连续稳定运行是基本目标，实现该目标的关键问题是产热与移热速率相匹配。随着单位服务器机柜包含的服务器数量增多，机柜发热量与日俱增，对散热冷却系统的要求不断提高。产热速率可用机柜功率密度衡量，其定义是单个机柜稳定运行所消耗的能量值（单位为kW/r，r表示单个机柜）。机柜功率密度越高代表产热量越大，要求散热冷却系统移热速率越高。

数据中心服务器机柜功率从低密度向高密度发展是必然趋势。低功率密度机柜在5kW/r以下，中功率密度机柜为5~10 kW/r，高功率密度机柜为10kW/r以上。目前已投用的数据中心机柜功率密度在5~10kW/r居多，已有一些在用的超大型数据中心机柜功率密度在30kW/r以上，甚至达100kW/r左右，这对于传统散热冷却技术是极大的挑战。

目前发展的散热冷却技术主要有风冷和液冷两大类，其中风冷包括自然风冷和强制风冷，适用的机柜功率密度较低；液冷分为单相液冷和相变液冷。散热冷却系统所采用的冷却介质、冷却方式不同，移热速率差距大。传统风冷最高可冷却30kW/r的机柜，对于30kW/r以上功率密度的机柜无法做到产热与移热速率匹配，会使机柜温度不断升高导致算力下降甚至损害设备。因此，在机柜功率密度不断提高的大数据时代，要求散热冷却设备及方式的不断创新，提升移热速率。

2、能源利用率低，需发展绿色高效散热冷却技术

散热冷却需要消耗能量，移热速率的增大势必需考虑能源利用效率问题。衡量数据中心总体能耗水平的指标为能源利用效率（PUE），定义为数据中心总能耗与信息技术设备能耗的比值。在相同IT功耗下，PUE值越接近1，表明其非IT功耗越低，能源利用率越高。数据中心的总能耗由供配电、照明、散热冷却和 IT 设备功耗等构成。当前，我国数据中心能量消耗中的43%用于散热冷却（对应数据中心PUE值大于2），冷却成本高，节能潜力大。

为提高我国数据中心的能效水平，促进信息行业绿色发展，工业和信息化部发布《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023 年）》，要求新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下。国家发展和改革委员会等发布《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》，明确鼓励重点行业利用绿色数据中心等新型基础设施实现节能降耗，本着“就高不就低”的原则，以国内外先进绿色数据中心能效水平为技术改造目标方向，到2025年数据中心PUE普遍不超过1.5。

二、绿色高效数据中心散热冷却技术发展趋势

数据中心是互联网的基础设施，转型升级对我国社会现代化有重要作用。绿色高能效数据中心散热冷却技术发展方向主要有制冷系统效率提升，冷热流体通道优化，新型液冷材料应用，热回收系统推广等。

1、制冷系统效率提升

数据中心制冷系统中包含冷却塔、冷水机组、泵、冷凝器、流体输送管道等设备，合理的工况参数选择及设备选型能显著提升制冷系统整体效率，进而提高能效比。通过使用高效不间断电源、泵和冷却器的频率随负荷降低或季节灵活转变频率、优化数据中心内部布局等方式可提高能源利用效率。

2、冷热流体通道优化

冷热通道（HACA）技术最先应用于风冷数据中心，相邻机架入口或出口相对，形成间隔的冷热通道。空调系统输入服务器的冷空气和换热后的热空气区分开，分别由冷通道和热通道输入或输出服务器，从热力学角度提升冷却介质换热效率。保证冷热通道封闭性也有助于降低空调风扇功率15%左右，节约能源。

未来液冷数据中心也可借鉴应用该技术，通过优化IT设备内部构造，形成冷却介质输入输出的流体通道，避免不同温度冷却介质相互混合，从热力学原理上实现换热效率最优化。其次，还可增加冷却介质换热的湍动程度，使换热边界层变薄，降低对流传热热阻。

3、新型液冷材料应用

相较于风冷数据中心使用空气作为冷却介质，液冷数据中心的冷却介质种类多，选择丰富。寻找与IT设备相容、安全性高、传热性能优良的液冷材料是散热冷却技术发展的重要方向。液冷材料选择需综合考虑闪点、挥发性、生物毒性、导热系数、黏度、介电常数、腐蚀性等多方面因素，导致液冷材料宏观性质差异的原因是液冷材料的分子结构。

通过模拟等手段筛选分子结构不同的液冷材料，建立并完善液冷材料数据库，寻找有竞争力的低成本高性能液冷材料是数据中心从风冷半风冷向液冷转型升级的基石。

4、热回收系统推广

目前大多数的热回收技术通过与冷却液流换热来捕获余热，余热的质量和数量由热管理系统的类型和规格决定。在高效的风冷数据中心中，冷空气通常以25℃供给，与IT设备换热后可升至40℃，热空气经过吸收式制冷设备可以将热能转变为电能，实现热电联产，将产出的电能用于冷却水，减少部分电能使用。采用冷板等液冷后，IT设备芯片工作温度接近85℃ 时，进水温度可达60℃左右，换热后冷却介质产生的热能质量高，用途更广。

回收的余热可用作工厂或区域的热或热水供应，吸收式制冷，有机朗肯循环，压电，热电联产，生物质燃料干燥，海水淡化等用途。通过分析种类不同的数据中心散热冷却技术，配套相应的热回收系统，能有效提高能量利用效率。

三、数据中心散热冷却技术发展愿景

作为数据枢纽和应用载体的数据中心，既是新型基础设施的重要组成部分，也是IT行业新基建发展的基础和搭建信息化平台的重要前置条件，对数字经济的腾飞起到底层支撑作用。

然而由于能耗高和散热冷却难等问题，数据中心绿色低碳化发展面临巨大挑战，随着数据中心逐渐大型化、高密度发展，冷却技术需顺应变化，及时转型升级，淘汰能量浪费严重的旧数据中心，建设新一代以液冷为主的绿色节能数据中心。

实现数据中心散热冷却技术转型升级，可有利支撑我国“十四五”战略布局，促进信息行业产业清洁化和低碳化，产业基础高级化及产业链现代化，实现传统行业改造提升，将粗放型转为集约型，抢占数字经济碳达峰与碳中和技术制高点，保证数字经济等战略新兴产业发展不受基础设施制约，进行科技创新，找到经济新增长点、发展新动能，对我国经济增长和社会稳定有重要的意义。

1、优化区域布局顶层设计，发展高效散热冷却技术

对于现有的数据中心，从原有冷却形式改造为液冷的成本过高，得不偿失，在做好规划的基础上建造新的液冷数据中心会具有更大的经济优势。数据中心使用寿命为10年左右，散热冷却技术方案需做到提前规划，与时俱进。

加强全国数据中心管理，优化顶层设计和统筹协调，提前布局并进行统一建设，将多个小型数据中心建设需求合并为高功率密度的大型数据中心，降低使用液冷的成本，提高能量利用效率。将各地数据中心规划为有机整体，从全局出发，发挥各地土地能源科技等独特优势，做到产业合理布局，资源配置集约化，组织结构高度集中，达到降低液冷数据中心研发建造等成本的目的。

2、实现散热冷却技术的全链条产业落地

我国液冷数据中心处在发展初期，产业链尚不完备、设备采购成本偏高、采购渠道少、电子元器件的兼容性低、液冷服务器用冷却介质成本高等问题是液冷服务器尚未大规模推广的重要原因。

绿色数据中心从规划到落地是一项系统性工程，涉及一系列技术难点突破，从散热冷却材料的筛选制备，到供配电系统优化降低损耗，再到数据中心安全控制系统更新升级，需多专业共同攻关，加大科研投入，从散热冷却材料到适配服务器各个关键环节同步推进，组建区域科创综合体，集中突破共性技术、关键技术、“卡脖子”技术，打破产业瓶颈，降低研发成本，牢牢把握创新发展主动权，使绿色数据中心设备实现自主研发、自主生产、自主建造，达到世界领先，将中国制造转变为中国创造，提升数据中心行业核心竞争力。

3、注重清洁能源与余热利用，实现绿色发展

数据中心支撑庞大的数据存储与运算，本质上是高耗能产业。实现数据中心减碳降碳甚至碳中和就需要优化数据中心的能源供应结构。风能、光伏发电等可再生能源形式可以与数据中心产业充分融合。虽然这类能源形式具有间歇不稳定的特点，但可以通过科学设计改善数据中心的电力结构，逐步增加“绿电”的使用比例。同时，可再生能源的价格和可用性相对平稳，可使数据中心受能源供给的影响更低。