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双碳”趋势下，零碳数据中心如何打造，要重点考虑"电从哪里来？热到哪里去?"（二）

发布时间：2024-12-16

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二、自然冷源的利用：

数据中心冷却系统能耗是数据中心基础设施能耗的主要部分，是数据中心节能减碳的重点，例如在一个PUE 为1.3的数据中心，制冷能耗要占16%左右，供电及其它损耗约占7%，比例如下：

数据中心的PUE能否做到更低，直接因素是制冷的功耗，制冷系统能否节能的关键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，减少制冷碳排放最直接的方案。所以目前大型数据中心在建设时，都要考虑天然冷源的使用，比如全年气温条件是否满足自然冷却要求，例如乌兰察布全年平均温度是5℃～7℃，宁夏中卫全年平均温度是4℃～18℃，甘肃庆阳全年平均温度是5℃～13℃，山西阳泉全年平均温度是6℃～18℃，张家口全年平均温度是4℃～16℃。这些区域年平均温度都比较适合建数据中心，所以“东数西算”数据中心集群优先选址以上区域。除气候之外，还可以考虑有得天独厚水资源的地方，例如湖北省长江三峡数据中心集群，就是利用三峡的电力提供算力，用三峡的水资源提供空调的冷却。像这样的数据中心集群还有湖南省彬州市东江湖数据中心集群，也是采用东江湖大坝下游的优质水资源作为冷却方案以降低PUE。

目前数据中心主要的自然冷源利用方案有以下几大类:

（一）间接蒸发自然冷却机组方案（AHU）

间接蒸发冷节能机组是通过热芯体(空-空换热器)换热器充分利用大气自然冷源实现数据机房散热的设备，室内/外空气无需混合交换即可实现热量传递，最大限度的降低机械补冷使用时长，从而达到节能低碳环保。同时，AHU机组在室外侧利用水蒸发吸热的原理，对室外空气进行喷水(雾)，进一步降低室外空气的温度(低于室外环境温度)，从而延长室外自然冷源的利用时长，达到节能降耗目的。通常部署在数据中心屋顶或侧边，是新建、改建大型、中大型数据中心的理想选择。

AHU间接蒸发冷却机组方案是整体结构，系统简单。与传统水冷冷冻水系统相比，该机组方案是将冷源设备、输配设备、未端设备、自控系统集成于一体，后期维护非常方便。第二个特点是部署灵活，缩短建设周期。第三个特点是节水节电，可以降低运营成本。该机组方案能够充分利用室外自然冷源，减少压缩机开启时间，运行模式分为干模式、湿模式、混合模式。干模式和湿模式工况下，压缩机不开启。混合模式下，压缩机部分开启。在冬季气温比较低的时候运行干模式，干模式运行时无需喷水。在湿模式蒸发冷却时耗水量低于水冷冷冻水空调系统，传统冷冻水系统的WUE为1.8～2.4之间，而AHU系统方案的WUE为0.3～0.8之间。

（二）氟泵系列自然冷却空调

氟泵技术的发展已经超过十几年，氟泵技术在数据中心的应用是比较常见的技术。目前存在的氟泵空调系统包含：氟泵空调、磁悬浮相变多联空调、PHU整体式氟泵机组、氟泵多联空调等主要的形式。不管什么形式的氟泵空调，其基本原理大同小异，氟泵系统在夏季采用制冷压缩机制冷运行，在春秋过渡季节采用氟泵和压缩机“混合模式”运行，在冬季开启氟泵自然冷却模式，保证全年机房空调安全可靠运行。氟泵系列空调最大的好处就是使用自然冷源，同时可以适用于干旱缺水的场景。

目前氟泵技术最成熟的产品要属气体增压氟泵机组，该方案为室内机和室外机分体设计，配置灵活，适用于各种规模的数据中心场景。氟泵机组系统具有三种运行模式，并最大限度的充分利用室外自然冷源，例如海悟的氟泵机组其运行原理如下：

除了分体氟泵机组以外，近几年又兴起了整体式氟泵机组方案（PHU），PHU针对于大型数据中心场景的制冷解决方案。PHU整体式氟泵空调机组是通过低功率氟泵充分利用自然冷源实现数据中心制冷的一体化设备，同样具备三种运行模式，通过对室外环境温度监测自动切换运行模式，能最大限度的提高制冷系统的能效比。例如海悟的PHU机组运行模式如下：

除了分体氟泵和整体式氟泵PHU以外，针对大型数据中心场景，并对PUE有着极高要求的场景（例如：PUE≤1.2），可以采用磁悬浮相变多联系统，该系统主要应用了磁悬浮变频技术、蒸发冷凝器技术、变频氟泵技术、末端多联技术等。目前主要的冷却形式有磁悬浮蒸发多联系统和磁悬浮风冷多联系统。

磁悬浮相变多联系统同样具备三种运行模式，例如海悟磁悬浮相变多联系统其运行原理如下：

当夏季室外温度较高时，开启纯压缩机模式运行，确保室内送回风温度满足机房要求。

在过渡季节（冬、夏之间交替的季节,一般以春、秋两季为过渡季节）时，开启压泵混合模式，系统能效显着提升。

当室外温度低于一定值时，开启氟泵自然冷模式，此时压缩机停止工作，完全利用自然冷源制冷，大大降低数据中心制冷能耗。

除了以上三种形式的氟泵系统方案以外，为适配室外机安装空间有限的数据中心场景，于是氟泵多联机系统运应而生，即由一个室外机拖多个室内机的氟泵系统，简称氟泵多联机。氟泵多联机同样具备三种运行模式，例如海悟氟泵多联其运行模式如下：

（三）全时水源自然冷却

利用自然界江、河、湖、海的水源为数据中心提供冷却水，可以不耗费电力制冷，全年几乎大部分时间可以做到水源自然冷，大大降低数据中心全年PUE。

该方案最关键点在于数据中心选址，数据中心需要选在接近自然水源的地方，通过抽取江水或湖水，经过简单的过滤直接作为冷却水使用，因为江水、湖水的温度通常在十几摄氏度，比空气温度低得多，且四季温度波动非常小，可有效地带走服务器产生的热量。具体实现方式是将江水或湖水抽上来经过过滤，然后引入数据中心的冷却水管路，通过板换和数据中心空调冷冻水进行二次换热，冷冻水的回水温度通常是21℃，经过板换后冷却至15℃去空调降温。通过板换的湖水温度升高后又排到江里，从而将服务器等设备的热量转移到江水中，达到冷却的目的。在设计方案时，需要考虑到水源的水质、流速、温度等因素，以确保冷却效果和设备的安全。

采用湖水冷却的数据中心比较有名的是阿里杭州千岛湖数据中心，该数据中心采用深层湖水，数据中心外部有两台湖水处理器，通过密封管道从湖面下35米深处取水，水温基本维持在10度左右。经过缓冲池进入湖水处理器，然后再进入数据中心，通过板换和冷冻水进行换热，帮助服务器降温，经过板换带出热量后，再流经2.5公里的青溪新城中轴溪，作为城市景观呈现，最终流回到千岛湖。该数据中心年平均做到了PUE1.3。

采用长江水冷却的案例比较有名的是湖南省资兴市东江湖数据中心。东江湖数据中心利用东江湖水库大坝下游的江水作为自然冷源，大坝下游的江水温度常年8～13℃，且江水流稳定且水质达到国家一级标准，经过滤处理后进入能源站，通过板式换热器制取冷冻水为机房降温。江水在换热后经密闭管道排入下游，整个过程不消耗水资源且不对江水水质造成影响。这种冷却方式可以降低数据中心的能耗，相比传统的制冷方式，仅需五分之一的能耗即可保障设施的正常运行。东江湖数据中心在全年99%的时间里都完全利用江水源冷却，全年几乎不启动冷水机组。采用江水全时冷却，年平均PUE为1.15。

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