观点｜熊汉兵：绿色数据中心自然冷源节能高效利用

观点｜熊汉兵：绿色数据中心自然冷源节能高效利用

　　别墅的节能设计,设计节能别墅,酒泉节能灶设计12月23日，由江汉区科学技术和经济信息化局指导，主办单位舟山国脉集团有限公司、武汉力龙信息科技股份有限公司，协办单位中国智慧城市论坛 、江汉区高新技术协会、天九共享集团联合举办的“2021智慧中国年会智慧城市与数字经济专场论坛”在武汉隆重召开，以“智慧城市与数字经济：关键时刻的战略抉择”为主题，聚焦智慧城市、数字经济、城市超级App等内容，线下共有来自智慧城市运营、融媒体、城市平台服务、城市App运营商、城市App服务商、节能科技领军企业等近200人参会，线上在全国各地共有数万人观看。

　　本文系熊汉兵先生于12月23日下午在“2021智慧中国年会智慧城市与数字经济专场”主题论坛上的演讲，内容通过现场速记整理，未经本人审核。

　　尊敬的各位来宾，下午好，感谢杨董和吴总给我这个机会将我们的技术在2021智慧中国年会智慧城市与数字经济专场论坛做发布，今天演讲主题是绿色数据中心自然冷源节能高效利用。前面杨冰之董事长在阐述智慧城市和数字经济观点时多次提到绿色化的概念，其实不管是智慧城市还是数字经济都离不开数据中心这个底座。工信部和能源局都将数据中心作为九大高耗能的行业之一，因此数据中心的节能是未来必不可少的重要领域。下面我通过六个部分做以下分享。

　　随着互联网的日益普及，在云计算、大数据、物联网、人工智能等新兴产业快速发展的推动下，国家层面把数据中心建设纳入新基建的范畴，目前国内规划的数据中心已达到3万家以上。2021年，全国规划建设的机柜数量达300多万架的规模，数据中心占有大量的电力资源和实际耗电量巨大的特点，催生出对数据中心的绿色要求，数据中心的节能俨然被提高到一个新高度。

　　2015年，我国数据中心总耗电量1000亿kWh,就已经相当于三峡水电站全年的发电量。数据中心耗电量占全社会发电量总量的2%以上，随着数据中心的大发展，其耗电总量及耗电占比还将不断增大。显然，降低数据中心能耗是数据中心行业可持续发展的客观要求。

　　对于数据中心而言，IT设备和空调制冷设备是数据中心的主要能耗来源，两者通常占数据中心总能耗的85%以上。下图为数据中心能耗构成相对关系图（该图反映了电耗构成中的各个方面主次关系，但不同PUE值其占比有所不同）。

　　1.工信部节[2013]48号文件中明确指出“新建大型数据中心的PUE值达到1.5以下，改造后数据中心的PUE值下降到2以下”。

　　2.工信部联节[2019]24号《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》文件中明确指出“全国范围内新建大型及超大型数据中心PUE不得高于1.4，大型、超大型数据中心PUE不高于1.8”。

　　3.国家发改委发改高技[2020]1922号文件《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》中指出“到2025年，全国大型及超大型数据中心实际运行PUE＜1.3”。

　　从上述提到的2013年到2020年出台的三个文件来看，国家要求PUE值不断下降：一是新建项目的都按1.3来设计；二是存量项目PUE值从原来的2.0降到1.8再降到现在的1.3。现在每个数据中心的实际能耗在政府的平台上都实时显示。

　　通过政策解读反馈出三个信息：一是全国绝大多数存量大型及超大型数据中心PUE均满足不了要求；二是所有新建大型及超大型数据中心都必须按照PUE＜1.3进行设计；三是由设计监管过渡到设计与运行同步监管，监管力度明显提高。

　　前述已提到PUE计算公式：PUE=1+PUE空调因子+PUE供配电因子+PUE照明弱电等其他因子，这里反应出以下几个方面：

　　如果采用高频模块化UPS其能源效率可以达到96%，加上变配电电损2%，PUE供配电因子约为0.06-0.07

　　目前，数据中心制冷空调系统基本上呈现出同质化现象，除自然冷源利用时间因建设地点气候环境不同导致时间上有较大差异外，其它节能措施基本上为标配。由于制冷机组电耗占整个制冷系统的70%以上，因此利用自然冷源减少冷机开启时间是降冷能耗最直接最有效最“粗暴”的技术手段。

　　全国除海口、广州、福州、南宁、重庆以外，其余城市均≥4个月，北京则有6个半月，乌鲁木齐、呼和浩特、哈尔滨达到或超过 8个月。

　　北京则有8个半月，重庆、福州有超过5个月，广州近4个月，南宁3.5个月。乌鲁木齐、呼和浩特、哈尔滨达到或超过 10个月，其中乌鲁木齐达到11个月。

　　可见，全国绝大部分城市均有大量的自然冷源利用时间。而提高冷冻水供回水温度可以大幅度提高自然冷源利用时间。但是，怎样将这些宝贵的自然冷源充分利用起来？这个下面的章节将详细讲解。

　　目前主流数据中心主要采用的制冷系统为水冷冷水机组制冷系统，其自然冷源利用流程见下图：

　　运行原理：板式换热器与电制冷主机采用串并联连接方式，冷却水和冷冻水分别先进入板换后进入电制冷主机。有完全自然冷源时，仅板换运行；部分自然冷源时，先板换预冷，后电制冷主机补冷；无自然冷源时，板换脱离系统，仅电制冷主机运行。

　　该系统流程经过运行实践表明，仅能部分利用自然冷源，自然冷源利用率普遍较低。据有关调查报告：全国范围内总体看，自然冷源利用率仅有40-50%。

　　完全自然冷源利用时间10周共70天，部分自然冷源利用时间1周，折合4天，合计74天。而北京在12/18℃供回水温度时的自然冷源资源量达到196天，该项目自然冷源利用率仅37.7%。

　　完全自然冷源利用时间3月共90天，部分自然冷源利用时间1月，折合15天，合计105天。该项目自然冷源利用率53%。

　　横轴上方为完全自然冷源时间或电制冷时间，横轴下方为部分自然冷源时间可以看出完全自然冷源为碎片化，需要冷机不断启停来适应自然冷源利用。

　　因气温波动，湿球温度也随之上下波动，导致完全自然冷源与部分自然冷源交替出现。例如:根据对武汉地区全年8760小时湿球温度分解，在冷冻水供回水温度12/18℃时，完全自然冷源与部分自然冷源交替150多次，而其中连续24小时以上完全自然冷源的次数只有10次，其余为几个小时十几个小时的碎片。

　　（1）当完全自然冷源过渡到部分自然冷源时，需要启动冷机补冷。此时系统为板换与冷机串联运行。冷却水进主机冷凝器温度为16℃，冷冻水出蒸发器设定温度为12℃，两者之间温差仅4℃，这样小的温差，主流冷机品牌均无法正常启动。需要采取变流量等技术进行调节，但由于对自控要求高，风险大，一般实际运行很少采用。

　　3.人员因素：从安全稳定运行出发，运维人员不太愿意冒险去不断的切换或启停冷机。

　　4.结论分析：现有利用自然冷源技术方案无法解决自然冷源利用率不高的问题，反过来也可以说，自然冷源利用率不高是因为现有技术方案而导致。

　　一种自然冷源与电制冷高效耦合供冷系统创新性解决了上述问题。使自然冷源利用率实际可达到90%以上，基本上实现应用尽用。

　　数据中心制冷设备配置主要是制冷机组、板换、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、应急蓄冷罐等，还是这些设备组合，在需要电制冷主机补冷时改为由蓄冷罐补冷，那么上述三个问题则迎刃而解。

　　此时，蓄冷罐由单一应急冷源功能增加了利用自然冷源补冷的功能。此外，蓄冷罐还可以谷电价蓄冷峰电价释冷，大幅度降低运行成本。

　　3.所有碎片化的自然冷源通过蓄冷罐补冷技术，成为一个连续自然冷源利用过程，系统运行更加平稳、可靠。

　　6.蓄冷罐的功能由单一应急冷源功能增加为四个功能:应急冷源功能、谷电价蓄冷峰电价释冷功能（电网削峰填谷及降低运行成本)、部分自然冷源代替冷机补冷功能、系统定压功能。

　　中金数谷武汉大数据中心位于东西湖区武汉临空港开发区国家网安基地内，占地300亩，总建筑面积近60万㎡，总投资105亿元规划建设40000台机柜。是华中地区最大规模数据中心。

　　冷冻水供回水温度：12/18℃，双路市电，单机柜功率6kW， 75%负荷率，经全年逐时计算：PUE=1.29

　　经过全球公认的数据中心权威标准组织和第三方认证机构Uptime institute为期数月的严苛评审，中金数谷武汉大数据中心2021年获得 Tier IV全球数据中心最高等级标准认证，是湖北省数据中心首次获得的奖项。

　　项目位于湖北省武汉市新洲区双柳街道龙王咀三分场，双柳产业新城内。按照国家A级标准建设，总用地面积约96亩，建筑面积约为12万㎡，包括IDC数据中心10000个机架、标准厂房、ECC、研发楼、产业载体等，总投资约30亿元，建成后将为武汉国家航天产业基地、阳逻物流港以及空天大数据等提供算力、存储、带宽等服务。

　　（3）约50万m住宅建筑冬季供暖需求。屋顶光伏利用技术:充分利用项目屋顶等位置进行光伏系统设计，满足园区内部分供电需求。

　　3.其他节能技术包括水平送风AHU 冷却技术、磁悬浮离心式压缩机智能控制技术、高效模块化 UPS 技术、变频技术、冷热通道封闭技术

　　总冷负荷约10000kW。负荷率按照60%计算。主机电耗占比按60%计算，每年最少增加2个月自然冷源时间，电价按0.6元/kWh计算。

　　以上为我的演讲，感谢各位与会嘉宾的审读，愿自然冷源创新应用技术能够给国家、给社会、给数据中心行业创造价值，有您的支持，我们一同前行。

　　国脉集团特联合中山大学信息管理学院举办“2021第一届中国城市App发展水平评估活动”，旨在加速推进各地城市数字化转型提质增效、城市治理便捷高效。