华为数据中心能源白皮书-新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书

新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书数据中心能源白皮书401号 顾问陶文铨（院士）、方良周、费珍福、何波联合主编单位西安交通大学、华为技术有限公司、中国人民银行金融信息中心、万国数据服务有限公司、中国信息通信研究院、中国标准化研究院、西安工程大学、广东省节能中心、上海市能效中心、中国制冷学会、中国计算机协会数据中心分会、开放数据中心委员会（ODCC）、数据中心节能技术委员会、“互联网+节能”产业联盟数据中心节能组、绿色网格标准推进委员会(TGGC)参编单位（按单位名称拼音排序）北京电信规划设计院有限公司、国网信息通信产业集团有限公司北京分公司、广东云下汇金科技有限公司、广东启信数据服务有限公司、广东奥飞数据有限公司、广东省电信规划设计院有限公司、华信咨询设计研究院有限公司、鹏博士大数据有限公司、深圳证券通信有限公司、赛迪顾问股份有限公司、上海建筑设计研究院有限公司、腾讯科技（深圳）有限公司、中金数据集团有限公司、招商银行股份有限公司、中国人寿保险股份有限公司、中国中元国际工程有限公司、中国建筑标准设计研究院有限公司、中国航空规划设计研究总院有限公司、中通服咨询设计研究院有限公司、中国移动设计院黑龙江分院主编人员（按姓氏拼音排序）安真、蔡红戈、韩冬、黄翔、李国强、李洁、李楠、刘培国、马宝东、彭妍妍、曲鸣、秦宏波、宋金良、王刚、王鹏、王舜、肖鑫、阳必飞、张超、张广河、张磊、张勇、赵国君参编人员（按姓氏拼音排序）白明波、鲍飞、操明立、陈晨、陈林富、陈炎通、戴新强、邓燕、范强、丰刚明、冯立京、高景、郭安、何海波、贾峻、劳逸民、李权旭、刘猛、娄小军、卢泽模、马磊、梅刚、盛凯、王克勇、王强、温晓军、吴天青、吴晓晖、谢丽娜、谢岫峰、张春阳、张达赢、张瑾、张蓝心、张六丰、张天松、赵春晓、赵子林、郑品迪、钟歆、朱慧宾新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书 目 录3. 数据中心制冷行业现状及挑战3.1 数据中心政策解读3.2 国家及行业标准解读3.3 数据中心传统制冷系统的现状及挑战 3.3.1 传统制冷系统能耗大 3.3.2 传统制冷系统部署周期长 3.3.3 传统制冷系统复杂 3.3.4 传统制冷系统运维费用高3.4 数据中心传统间接蒸发冷却系统的现状及挑战 3.4.1 间接蒸发冷却系统需增强与建筑的匹配 3.4.2 间接蒸发冷却系统需能满足在湿热地区的应用 3.4.3 间接蒸发冷却系统需进一步简化运维3345 5 5 5 566664. 间接蒸发冷却系统介绍4.1 系统原理及组成 4.1.1 系统原理 4.1.2 室外空气处理系统 4.1.3 水处理系统4.2 安装场景及气流组织 4.2.1 安装场景 4.2.2 气流组织4.3 气候适应性77789101010127. 基于AI的新一代智能间接蒸发冷却解决方案7.1 用AI技术进行能效提升7.2 用AI技术进行故障预测2121278. 间接蒸发冷却解决方案应用案例8.1 国内应用案例8.2 国外应用案例282830附录：全国部分城市的温度分布系数表345. 间接蒸发冷却系统与传统冷冻水系统对比5.1 PUE和WUE对比5.2 分期部署能力对比5.3 部署周期对比5.4 颗粒度和可靠性对比5.5 TCO对比 5.5.1 初始投资对比 5.5.2 运行投资对比13131415151515166. 间接蒸发冷却技术应用及发展方向6.1 增强建筑物适配性6.2 延长湿热地区自然冷却时长6.3 增强寒冷地区应用可靠性6.4 简化运维6.5 空气处理系统归一化1818181919201. 前言2. 术语12 新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书1数据中心能源白皮书401号 版本01随着5G、云计算、数字化转型的快速发展，大数据中心成为新基建的热点。作为国家基础性战略资源，大数据中心成为国家竞争力的战略制高点之一，数据中心的建设规模和数量呈现快速增长。近年来，国家相关部委出台了关于绿色数据中心建设和建设布局的指导意见，北京市、上海市、广东省、深圳市等地方政府也出台了数据中心相关政策，对新建数据中心的PUE制定了详细的准入门槛和激励机制。数据中心能耗尤其是制冷系统能耗已成为业界普遍关注的焦点。提高制冷系统的能效，既响应国家节能减排的政策导向，也是降低数据中心运营费用的重要目标。数据中心传统冷冻水制冷系统存在能耗大、部署周期长、系统复杂、以及运维费用高等诸多挑战。间接蒸发冷却技术是充分利用自然冷源，降低数据中心制冷系统能耗的有效手段。同时间接蒸发冷却系统简单、安装适配性好、适用气候区域广泛；与传统冷冻水制冷系统相比，更省电省水，在分期部署、建设周期、可靠性、TCO方面更具优势，受到行业广泛的认可。同时，随着间接蒸发冷却技术的使用量快速增加，该技术又出现了新的发展趋势，比如空气处理系统归一化、用AI技术提升能效、以及用AI技术进行故障预测等。为了更好地推广间接蒸发冷却技术，特编写《新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书》，谨为行业相关人士提供参考。1. 前言 新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书2白皮书收录于“智领DC计划” 2. 术语数据中心 data center为集中放置的电子信息设备运行提供运行环境的建筑场所，可以是一栋或几栋建筑物，也可以是一栋建筑物的一部分，包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。间接蒸发冷却 indirect evaporative cooling （下文简称IEC）间接蒸发冷却是指产出介质（空气或水）与工作介质（空气或水，工作介质发生直接蒸发冷却）间接接触，仅进行显热交换而不进行质交换，来获取冷风或冷水。间接蒸发冷却空气处理系统 indirect evaporative air-conditioning system一种采用间接蒸发冷却技术，工作介质为空气或水，产出介质为空气，提供空气循环、空气过滤、冷却、湿度控制和辅助冷源的空气调节机组。下文简称间接蒸发冷却系统。机械辅助制冷 mechanical auxiliary cooling机械辅助制冷是间接蒸发冷却系统无法完全采用自然冷却或间接蒸发冷却无法达到额定制冷量，而采用蒸汽压缩制冷方式补充制冷量的一种辅助制冷方式冗余 redundancy重复配置系统的机组或部件，当部分机组或部件发生故障时，冗余配置的机组或部件介入并承担故障机组或部件的工作，由此延长系统的平均无故障间隔时间。电能利用效率（PUE） power usage effectiveness表征数据中心电能利用效率的参数，其数值为数据中心内所有用电设备消耗的总电能与所有电子信息设备消耗的总电能之比。水利用效率（WUE） water usage effectiveness表征数据中心水利用效率的参数，其数值为数据中心内所有用水设备消耗的总水量与所有电子信息设备消耗的总电能之比。人工智能（AI） artificial intelligence用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统。 新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书3数据中心能源白皮书401号 版本013. 数据中心制冷行业现状及挑战3.1 数据中心政策解读近年来，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、国家机关事务管理局、国家能源局、国土资源部、国家电力监管委员会等部委相继出台了关于绿色数据中心建设和建设布局的指导意见，北京市、上海市、广东省、深圳市等地方政府也出台数据中心相关政策，对新建数据中心的PUE制定了详细的准入门槛和激励机制。在政策牵引下，新建数据中心必将更加重视节能，间接蒸发冷却解决方案等自然冷却方案将会得到更广泛的应用。适用区域发文名称发文时间发文机构主要内容全国《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》2019 年 2 月工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局2022年数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下，高能耗老旧设备基本淘汰。《关于数据中心建设布局的指导意见》2019年7月工业和信息化部、国家发展和改革委员会、国土资源部 、国家电力监管委员会、国家能源局1. 市场需求导向原则：从市场需求出发，合理规划建设数据中心；2. 对满足布局导向要求，在 1.5 以下的新建数据中心，以及整合、改造和升级达到相关标准要求(暂定 PUE 降低到2.0以下)的已建数据中心，在电力设施建设、供应及服务等方面给予重点支持。北京市《北京市新增产业的禁止和限制目录（2018 年版）》2018年9月北京市人民政府办公厅1. 全市范围内，禁止新建和扩建互联网数据服务、信息处理和存储支持服务中的数据中心（PUE 值在1.4以下数据中心除外）；2. 中心城区（包括东城区、西城区、朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区）全面禁止新建和扩建数据中心。上海《上海推进新一代信息基础设施建设三年行动计划（2018-2020）》2018年11月上海市经济和信息化委员会、上海市发展和改革委员会1. 2018年机架总规模控制在 12万个，存量改造数据中心 PUE 不高于1.4，新建设数据中心 PUE 小于1.3；2. 2019-2020年机架数总规模控制在14万、16万个，PUE 要求不变。《上海市关于加强本市互联网数据中心统筹建设的指导意见》2019年1月上海市经济和信息化委员会、上海市发展和改革委员会1. 到2020年，全市互联网数据中心新增机架数严格控制在6 万架以内；2. 本市互联网数据中心建设应优先支持服务“五个中心”的功能性基础平台、全球数据港等枢纽型平台。表1 国家和地方政府数据中心相关政策一览表 新一代智能间接蒸发冷却解决方案白皮书4白皮书收录于“智领DC计划” 适用区域发文名称发文时间发文机构主要内容《上海市互联网数据中心建设导则（2019 版）》2019年6月上海市经济信息化委员会1. 选址布局：严禁在中环以内区域新建IDC，原则上选择在外环外符合配套条件的既有工业区内，并兼顾区域经济密度要求；2. 资历资质：鼓励电信运营商、大型IDC专业运营商、专业云服务商申报，须持有 IDC 运营许可，具有大规模数据中心运营经验；3. 设计指标：单项目规模控制在3000-5000个机架，平均机架设计功率不低于6kW，机架设计总功率不小于18000kW。PUE 值严格控制不超过1.3；4. 上海建设IDC关键指标要求：PUE（综合）第一年不高于1.4，第二年不高于1.3；5. WUE第一年不高于1.6，第二年不高于1.4。深圳《深圳市发展和改革委员会关于数据中心节能审查有关事项的通知》2019年4月深圳市发展和改革委员会1. 强化技术引导。PUE1.4以上的数据中心不享有支持；2. 对于PUE值为1.35-1.40（含1.35）的数据中心，新增能源消费量可给予实际替代量 10%及以下的支持；对于PUE 值为1.30-1.35（含1.30）的数据中心，可给予实际替代量 20%及以下的支持；对于PUE值1.25-1.30（含1.25）的数据中心，可给予实际替代量30%及以下的支持；PUE 低于1.25 的数据中心可享受新增能源消费量40%以上的支持。广东《广东省5G基站和数据中心总体布局规划（2021-2025 年）》 2020年6月广东省工业和信息化厅1. 到2022年，PUE 值不超过 1.3；2. 到2025年，PUE 值不超过 1.25；3. PUE≤1.25：优先支持新建和扩建；4. 1.25＜PUE≤1.3：支持新建和扩建；5. 1.3＜PUE≤1.5：严控改建，不支持新建、扩建；6. PUE＞1.5：禁止新建、扩建和改建。3.2 国家及行业标准解读随着服务器等IT设备的技术进步，其对制冷的要求也在不断发生变化，其中一个重要的指标是进风温度逐渐提高。《数据中心设计规范》GB50174-2017将冷通道或服务器机柜进风温度范围规定为