绿色数据中心冷却方式研究报告

先进计算产业发展联盟2023年12月 研 究 报 告 要 点 随着 5G、云计算、人工智能等新一代信息技术的快速发展，数据资源存储、计算和应用需求大幅提升。作为海量数据和算力的载体，近几年数据中心产业呈现出爆发式增长态势。据中国信通院发布的《数据中心白皮书（2022年）》显示，我国数据中心机架规模近五年平均复合增速超过 30%。随着数据中心行业的高速发展，其高能耗和碳排放问题引发社会关注。根据数据统计，在数据中心主要设备能耗占比中，冷却设备耗电占比仅次于 IT 设备自身能耗占比。因此提升冷却系统能效水平是应对数据中心节能降碳压力的有效手段。 随着冷却技术的不断发展，在满足 IT 设备安全平稳运行的前提下，近几年数据中心冷却方式正在从空气冷却向液体冷却方式转变、从机械制冷向充分利用自然冷源方向发展。在多种冷却形式齐头并进发展的背景下，不同的数据中心项目如何选择合适的冷却方案成为人们高度关注的一个问题。 本白皮书旨在为数据中心冷却方案的选择、设计、建设和运维提供参考和指导。白皮书首先围绕我国数字经济与“双碳”目标协同发展的政策方针，分析指出建设绿色、低碳、可持续的数据中心成为必然发展趋势，并在文中梳理分析了国家和地方关于 PUE、上架率、WUE 等关键指标的限值政策，认为虽然目前数据中心面临着能耗压力和散热挑战，但同时压力和挑战也驱动着冷却技术的不断发展创新；围绕技术原理、关键技术与设备、解决方案、技术特点、适用范围、存在的问题和运维要求等七个方面介绍了冷板式液体冷却技术、相变浸没式液冷技术，以及间接蒸发冷却技术、制冷剂自然冷却技术、全新风直接冷却技术、干冷器、湖水冷却等自然冷却技术，全面分析了各项绿色冷却技术的优势、不足；并对未来具有应用潜力的新兴技术进行介绍和展望。 由于时间仓促，笔者水平有限，错误和不妥之处还望不吝指正。 编写组 牵头单位曙光信息产业股份有限公司曙光数据基础设施创新技术（北京）股份有限公司参编单位广东海悟科技有限公司维谛技术有限公司北京市新能源与可再生能源协会中科可控信息产业有限公司普洛斯普瑞数据科技（上海）有限公司北京秦淮数据有限公司指导组长何继盛张鹏常乾坤黄元峰主要起草人徐欣贡献专家李卫东顾华赵大山雷爱民韩会先毛峰钟洋许泉明周平刘荣青金超强王舜刘浩鹏刘凯艳 目录 一、绿色数据中心发展概述....................................................................................... 1 （一） 绿色数据中心概念及其评价标准............................................................. 1（二） 信息技术发展带动数据中心建设提速..................................................... 3（三） 行业政策引导绿色可持续发展................................................................. 5 二、数据中心节能与散热......................................................................................... 14 （一） 数据中心计算密度提升带来散热挑战................................................... 14（二） 数据中心能耗水平分析........................................................................... 16（三） 散热和能耗问题驱动冷却技术进步....................................................... 17 三、绿色冷却技术研究............................................................................................. 20（一） 冷却技术分类........................................................................................... 21（二） 冷板式液冷技术....................................................................................... 24（三） 相变浸没式液冷技术............................................................................... 37（四） 单相浸没式液冷技术............................................................................... 46（五） 间接蒸发冷却技术................................................................................... 51（六） 制冷剂自然冷却技术............................................................................... 59（七） 全新风直接冷却技术............................................................................... 71（八） 自然水冷源（海水、湖水、江河水）直接冷却技术........................... 74（九） 冷却塔技术............................................................................................... 81（十） 干冷器技术............................................................................................... 86四、绿色低碳技术..................................................................................................... 92（一）AI能源管控技术...................................................................................... 92（二） 余热利用................................................................................................... 93（三） 绿电应用................................................................................................. 101五、绿色冷却技术未来展望................................................................................... 105（一） 跨季节冰蓄冷数据中心冷却技术......................................................... 105（二） 远岸海上风力发电数据中心平台......................................................... 106（三） 两相冷板式液冷技术............................................................................. 109 （四） 高热流密度芯片级冷却技术..................................................................111（五） 探索散热与再发电结合..........................................................................113参考文献................................................................................................................... 115 一、绿色数据中心发展概述 （一）绿色数据中心概念及其评价标准 绿色数据中心的“绿色”，其核心要义在于实现最优的能源利用率和最低的环境影响。国际电信联盟和世界银行等机构联合编写的《绿色数据中心：迈向可持续数字化转型》报告指出，绿色数据中心是指在数据中心的设计、建设、运营和维护过程中，采用了一系列环保、节能、可持续发展的技术和措施，以减少对环境的影响，提高能源利用效率，降低运营成本，同时保证数据中心的高可靠和安全性。绿色数据中心具备能源利用率高、环境友好、可持续发展和安全可靠的特点。绿色数据中心的实现主要包含以下六个方面：气候适应型、高效 IT 设备、可持续建筑、绿色能源、高效冷却方式以及 IT 设备的回收利用。高效冷却方式则是贯穿数据中心设计、建设，至运营维护全周期的重要环节。报告同时给出绿色数据中心的制冷解决方案如下： （1）充分利用自然冷源，减少机械制冷的应用； （2）采用精密空调、经济器以及通道封闭技术，提升冷却效率； （3）采用液冷等相关的创新制冷技术； （4）采用模块化制冷解决方案，根据 IT 负载需求，调整制冷容量，提升设备效率； （5）采用节水的冷却方式，以节约水资源利用。 绿色数据中心是未来必然发展趋势。自 2017 年以来，工信部 等 6 部门组织开展了四批国家绿色数据中心推荐评价工作，前后认定共计 196 家国家绿色数据中心。国家绿色数据中心的评定，不仅为数据中心行业绿色发展确定了标杆，也为实现“2030 年前碳达峰”“2060 年前碳中和”的国家“双碳”战略起到了强大的助推作用。 为了更好地实现绿色、节能、高效的目标，我国数据中心行业相继制定了一系列绿色数据中心评价指标相关的国家标准、行业规范，以此来引导数据中心市场健康有序地发展。通过表5可以看出目前关于 PUE 的测评、限定等级等多级标准较为完善，尤其在国家强制性标准《GB 40879-2021 数据中心能效限定值及能效等级》的发布实施，为 PUE 的测量、评价工作提供了权威参考依据。另外，绿色数据中心的评价工作尚缺乏国家权威标准，国家标准《绿色数据中心评价规范》目前正在制定中。 （二）信息技术发展带动数据中心建设提速 随着 5G、云计算、人工智能等新一代信息技术的快速发展，信息技术与实体经济加速融合，数据资源存储、计算和应用需求大幅提升。作为海量数据和算力的载体，近几年数据中心产业呈现出爆发式增长态势。 2006 年 Google 首席执行官埃里克·施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大会（SES San Jose 2006）首次提出“云计算”（CloudComputing）的概念，推动互联网技术和 IT 服务演进出新的模式。 云计算是继互联网时代之后信息技术的又一次飞跃。云计算通过计算机网络（多指因特网）形成的计算能力极强的系统，可