浅谈“双碳”目标下数据中心降低PUE值

浅谈“双碳”目标下数据中心降低PUE值

新技术应用与探究

吴海青

中通服咨询设计研究院有限公司，青海 西宁810000

摘要：双碳目标下，数据中心降低PUE值是一个不可忽略的问题，而数据中心能耗中影响最大的是空调系统，采用蒸发冷却空调系统对数据中心进行建设和改造，可以有效降低空调能耗，从而降低数据中心PUE值。

关键字：双碳，数据中心，PUE值，蒸发冷却空调系统，降低。

0 引言

近年，双碳目标成为社会谈论的热点，“双碳”即“碳达峰，碳中和”。我国的双碳目标是：在2030年之前使二氧化碳的排放达到一个顶峰时期，2060年之前要实现排放的二氧化碳通过一些绿色清洁能源、植树造林等形式相互抵消，达到二氧化碳“零排放”的一个长远目标。为确保实现双碳目标，数据中心的高耗能是一个不可忽略的问题，我国也为此推出了很多相关的政策和举措，同时也对数据中心能源的利用效率--PUE值提出了要求，数据中心能源的利用效率PUE指的是数据中心机房全部用电设备耗电与IT 设备所用能耗的比值，是一个衡量能效的关键性指标。PUE的理想值是 1，越接近 1，代表数据中心能源利用效率就越高、更加绿色。

1、“双碳”目标下数据中心降低PUE值的意义

随着时代的发展，越来越多的数据随之诞生，要处理和保存这些数据，就要对数据中心进行大规模的建设，但对于有限的机房空间，机架的部署也越来越密集，同时对服务器荷载能力的要求更加苛刻。传统的老旧机房空调系统的制冷方式多为上送风方式，随着通信业务的快速发展，导致机房的布局呈现不合理的情况，具体如下：

(1)数据中心专用的空调送风口被遮挡，导致送出的冷气只能对局部机架降温，空调的制冷效率低下，能耗增长。

(2)机房空调距离机架的距离较远，空调制出的冷气无法送到较远距离的机架。

(3)机房机架没有合理的规划，以及不同厂家的机柜内的风扇送风方向不一样，导致机房的气流混乱等。

现实中，传统的风冷系统在数据中心的15kW 机架上的制冷效率是非常低的，而数据中心的布置较为集中，密度较高，加之当下大数据的发展，一些关键的芯片和零部件的功耗呈上升趋势，传统的分冷系统很难达到数据中心PUE值降低的要求，因此将数据中心建设成为降碳、降本、降能耗是必然的趋势。

2、“双碳”目标下数据中心降低PUE值的方法

要降低数据中心的PUE值，必然需要采取一些新技术进行机房改造。目前数据中心PUE较高的原因主要是空调设备老旧，制冷效率低，能耗高以及IT设备、UPS电源的高耗能等方面。本文主要围绕蒸发冷却空调系统技术对空调设备的改造来降低数据中心PUE值。

2.1蒸发冷却空调系统

蒸发冷却空调技术是指在没有其他热源的前提下，利用空气和水之间的湿热交换，即：水在空气中蒸发吸热，从而使空气的温度降低，湿度增加，采用板管蒸发式冷凝技术，水蒸发将冷凝管内的汽化制冷剂带走的冷凝热，以此来降低室温。

(1)蒸发冷却冷风系统

蒸发冷却冷风系统由复合机械制冷的间接蒸发空调机组、阀门、水管、风井等组成。该系统通过间接蒸发冷却，可以对机房回风进行降温（高于室外湿球温度），当出风温度较高时，采用压缩机制冷进行补充。单台蒸发空调的制冷量约为20~500kW。由于蒸发空调机组的占地面积较大，所以比较适合于中、小型数据中心，建筑物一般不超过2层。它的特点是自然冷却时间长，空调系统能耗较小，能效高，运行费用较低，但是系统不灵活，维护量较大，不可设置蓄冷罐，需要增加配电投资，保证空调设备不间断供冷电源系统（UPS）投资较大。该系统不适用于多层建筑，因为它易产生进风与排风短路等问题。

(2)蒸发冷却冷水系统

蒸发冷却冷水系统主要由蒸发冷却冷水机组、冷冻水泵、部分主机、冷冻水型恒温恒湿空调、阀门、水管等组成。该系统利用空气的干湿球温度差，输出高温的冷冻水（低于环境空气湿球温度），以带走机房热量。单台机组的制冷量约为170~1200kW，适合于大型数据中心。它的特点是全年自然冷却运行时间长，能耗小，节能优势明显，系统灵活，维护简单方便，能效较高，运行费用较低。在夏季极端气温，空调制冷主机无宕机风险（湿工况），冷却水温度较低，系统不易结垢，不受建筑高度及工艺影响，灵活性较强。冬季无结冰风险（干工况）。蒸发冷却冷水机组一般置于楼顶，占地面积较大，对屋面面积及荷载有一定要求，但无需设置专用机房，可以节约室内空间。

(3)间接蒸发冷却冷水复合传统冷冻水系统

间接蒸发冷却冷水复合传统冷冻水系统主要由间接蒸发冷却冷水机组、离心式冷水机组、室内精密空调末端、阀门、水管等组成。利用空气的干湿球温度差，输出低于环境湿球温度的冷水，来满足机房送风要求，当出水温度过高时，离心式冷水主机提供冷冻水供冷。系统耗水量较小，相较于传统水冷冷冻水空调系统节水率高达50~70%。夏季极端气温，空调制冷主机无宕机风险（湿工况），冬季乙二醇自然冷却，彻底避免结冰。该空调系统的特点是能效较高，运行费用较低，可以实现整栋楼间接蒸发冷却空调系统应用。

它的运行模式为：

某高原数据中心采用间接蒸发冷却冷水复合传统冷冻水系统技术，在IT荷载为3700kW，送回风温度为25/37℃的条件下，空调初投资为1680万元；自然冷却时长为8620小时；自然冷却时长占比为98.4%；补冷比例为100%；空调系统年耗电量为337.08万kWh，相比较传统冷冻水系统，减少了424.6万kWh；空调系统年电费为138.205万元，较传统冷冻水系统的电费节省了174.075万元；空调系统节能率为55.74%；年节省费用179.08万元；节省室内制冷机房空间，可增加机柜约300架；机房PUE值为1.204，较传统冷冻水系统PUE值降低0.131。

3、总结分析

（1）蒸发冷却冷风系统需要通过风井将冷风传送到数据中心，风井不宜过长，也不宜有过多的弯头和拐点，适用中小型机房。

（2）蒸发冷却冷水系统的核心设备蒸发冷却冷水机组，且由于水的制冷量远大于风，形式可以多种多样，因此蒸发冷却冷水系统宜用于大型数据中心。

（3）间接蒸发冷却冷水复合传统冷冻水系统集中且灵活；可维护性好，系统集中，故障点较少，且易排查；双冷源备份空调系统安全。

综上，蒸发冷却空调系统的自然冷却时间长，年耗电量低，年运行费用和投资成本低，安全性高，运维工作量小等优势，是当下双碳目标下能够有效降低数据中心PUE值的不二之选。

参考文献：

[1] 肖新文．间接蒸发冷却空调机组应用于数据中心的节能分析[J]．暖通空调，2019，49(03)：67—71．

[2] 中国电子工程设计院．数据中心设计规范：GB50174—2017[s]．北京：中国计划出版社，2017：40．

[3] 黄翔. 蒸发冷却新风空调集成系统[J]. 暖通空调，2003（05）：13-16.