烽火通信數據中心節能方案及趨勢淺談

  隨著(zhù)碳達峰、碳中和目標的推進(jìn)，國家在數據中心領(lǐng)域也出臺了一系列政策，對數據中心PUE提出了明確的要求，以期實(shí)現節能減排的目的。

  根據今年最新政策顯示，國家層面8大計算樞紐節點(diǎn)中，明確了西部樞紐節點(diǎn)PUE在1.2以下，東部樞紐節點(diǎn)PUE在1.25以下。同時(shí)，各省市發(fā)改委也發(fā)布了各領(lǐng)域的碳達峰實(shí)施方案，規定了數據中心PUE的具體要求，對于新建的中大型數據中心，普遍要求1.3以下。隨著(zhù)國標GB40879《數據中心能效限定值及能效等級》的實(shí)施，在未來(lái)，數據中心的節能性將逐步成為強制要求。地方層面，上海、深圳也密集出臺相應的政策，除新建數據中心以外，存量運營(yíng)的數據中心也需要進(jìn)行改造升級，以滿(mǎn)足最新的節能政策要求。

  如下圖的PUE拆解圖所示，可以看到溫控設備在整個(gè)數據中心PUE中的占比較高。目前電源效率的提升空間已非常有限，那么制冷系統的能效提升，對降低數據中心PUE將起到?jīng)Q定性的作用，采用高效科學(xué)的溫控設備和熱管理技術(shù)，可助力數據中心在當前標準下，直接躋身一級能效的水平。

  如考慮將PUE的值分解成各個(gè)因子，可以看到，如果要將數據中心PUE從1.8降低至1.2，溫控設備的優(yōu)化潛力最高。在PUE≤1.2的嚴苛標準下，對數據中心能源設備的效率是極大的挑戰，數據中心的溫控設備，需要不斷的升級，來(lái)實(shí)現未來(lái)超低PUE的需求和挑戰。

  數據中心溫控發(fā)展

  經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，數據中心溫控設備，呈現出多樣化的發(fā)展趨勢，并且不斷創(chuàng )新升級，用以實(shí)現自身更高能效運行，以及數據中心整體更低PUE要求。目前的數據中心溫控方式，由最早的傳統房級風(fēng)冷空調，逐步演進(jìn)為微模塊+列間空調、冷凍水+末端背板等高效散熱的方式。

  微模塊 + 列間空調

  該類(lèi)溫控系統，通過(guò)微模塊的方式，實(shí)現冷熱風(fēng)隔離，有效避免房級空調的混風(fēng)，保證空調吹出的冷風(fēng)，全部用于服務(wù)器散熱，從而避免冷源浪費。同時(shí)，列間空調一般采用搭配微模塊的方式，可以做到更高回風(fēng)溫度和更高送風(fēng)溫度，可以進(jìn)一步提升制冷系統的能效水平。

  近期，行業(yè)中針對機房空調高蒸發(fā)溫度的特點(diǎn)，推出了超低壓比壓縮機進(jìn)行適配。在保證回油可靠性的前提下，低壓比壓縮機可以支持更寬范圍工況。相同制冷量需求的情況下，功耗更低，能效更高。隨著(zhù)該類(lèi)壓縮機的應用，風(fēng)冷列間空調，滿(mǎn)負荷時(shí)的高配能效水平，將由4.0向5.0邁進(jìn)。

  一般情況，在北方地區，采用該類(lèi)溫控系統的數據中心，PUE值大概在1.4~1.5之間，在南方地區，PUE值大概在1.5~1.6之間。

風(fēng)冷列間空調

  2.2冷凍水+末端背板溫控系統

  該類(lèi)溫控系統的核心在于，使用能效水平較高的水機作為制冷源。通過(guò)冷卻塔+冷凍水機+空調末端的組合方式，實(shí)現高效制冷。水機機組在滿(mǎn)負荷運行時(shí)，能效可達到7.0左右;在部分負荷運行時(shí)，能效可達到更高。相比傳統風(fēng)冷空調，采用冷凍水機組的數據中心溫控系統，效率比傳統風(fēng)冷空調高出60%以上。

  考慮到數據中心室內溫度偏高的特點(diǎn)，適當提高冷凍水的進(jìn)出水溫度，可進(jìn)一步提升溫控系統的能效。

  一般情況，在北方地區，水冷系統的PUE值大概在1.2~1.3之間;在南方地區，水冷系統的PUE值大概在1.3~1.4之間。

  2.3 烽火通信溫控產(chǎn)品簡(jiǎn)介

  針對不同數據中心的PUE需求，以及不同散熱方式的需求，烽火可為用戶(hù)提供多樣化的溫控解決方案。烽火溫控產(chǎn)品，涵蓋房級空調、列間空調、末端熱管空調、末端冷凍水空調等等。同時(shí)具備工程化一體交付的能力，為客戶(hù)提供全方位溫控解決方案。

  烽火通信始終致力于溫控產(chǎn)品能效和可靠性的穩步升級，結合機房環(huán)境高溫的特點(diǎn)，嘗試探索更低壓比運行的空調系統，實(shí)現產(chǎn)品能效的持續提升。目前，烽火通信風(fēng)冷列間空調EER可達4.0及以上。

  新型末端空調，屬于更高效的面向對象式的溫控產(chǎn)品。目前烽火已涵蓋末端空調的全部系列，可全面滿(mǎn)足客戶(hù)的不同場(chǎng)景需求。同時(shí)，烽火不斷致力于產(chǎn)品細節的優(yōu)化，通過(guò)改進(jìn)換熱器、改善風(fēng)扇葉型、優(yōu)化流道等方法，實(shí)現末端空調產(chǎn)品關(guān)鍵性能的不斷提升。目前背板空調系列的能效比，超出主流水平10%以上，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

  極致PUE探索—液冷溫控技術(shù)

  3.1液冷技術(shù)發(fā)展

  從制冷原理角度來(lái)看，傳統空調的主動(dòng)制冷，屬于逆卡諾循環(huán)。從自身循環(huán)角度，這種制冷方式，是將熱量從低溫向高溫搬運，勢必會(huì )經(jīng)過(guò)大量功率消耗，也就限制了其能效的進(jìn)一步提升。

  相比傳統制冷，液冷優(yōu)勢則非常明顯。液冷循環(huán)屬于正卡諾循環(huán)，這種散熱方式，是將熱量從高溫向低溫正向傳輸，僅需要提供循環(huán)動(dòng)力即可。所以，采用液冷溫控技術(shù)，將使得溫控系統的能效大幅升高;進(jìn)而，溫控系統在數據中心中的能耗大幅度降低，從而實(shí)現數據中心PUE的跨越式提升。

  3.2液冷類(lèi)型

  3.2.1冷板式液冷

  板式液冷是目前液冷散熱中，發(fā)展較為成熟、可靠性較高的液冷散熱方式。它是一種間接接觸式的散熱，通過(guò)在CPU/GPU表面附著(zhù)一塊冷板，芯片將熱量傳遞給冷板，再由冷板內的液體將熱量帶走。

  該種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)，在于冷卻液不與IT設備直接接觸，可靠性高，且目前支持的最高熱流密度，已達到150W/cm2以上，遠遠超過(guò)浸沒(méi)式液冷。同時(shí)，其缺點(diǎn)主要是較難實(shí)現100%液冷，目前的IT設備，75~85%的熱量可由液冷帶走，剩余25~15%的熱量，仍需風(fēng)冷帶走。

  由于風(fēng)冷散熱效率相對較低，所以采用板式液冷散熱系統時(shí)，其整體能效會(huì )低于浸沒(méi)式液冷。

  鑒于目前板式液冷的熱流密度已可以做到很高，未來(lái)板式液冷的發(fā)展方向，主要是提高IT設備的風(fēng)液比，通過(guò)改進(jìn)IT硬件架構，實(shí)現90%以上的液冷占比。一般在我國廣東地區，采用板式液冷的數據中心，全年P(guān)UE可達1.15左右。

  3.2.2 浸沒(méi)式液冷

  浸沒(méi)式液冷，也是目前液冷散熱領(lǐng)域的一種重要類(lèi)型。其核心特點(diǎn)在于冷卻液直接和IT設備接觸。目前主流的冷卻液，有油冷、氟化液等。浸沒(méi)式液冷的主要優(yōu)點(diǎn)是，IT設備直接浸泡在冷卻液中，100%熱量全部由液冷帶走。同樣，其缺點(diǎn)也非常明顯，支持的熱流密度較低，目前主流水平在100W/cm2以下。同時(shí)，氟化液價(jià)格昂貴，長(cháng)期使用時(shí)，對一些器件模塊(光傳輸模塊等)的穩定性，仍存在一些影響。所以，目前市場(chǎng)上的主流液冷散熱方式，仍以板式液冷居多。一般在我國廣東地區，采用浸沒(méi)式液冷的數據中心，全年P(guān)UE可達1.1左右。

  3.3液冷經(jīng)濟性分析

  液冷的散熱效率，遠超傳統風(fēng)冷散熱。所以采用液冷系統的數據中心，溫控部分的耗電，遠低于傳統風(fēng)冷散熱。但是由于液冷溫控系統相比風(fēng)冷溫控系統更復雜，故初期投入成本高于傳統的風(fēng)冷散熱系統。以1400KW小型數據中心為例：

  對比冷凍水方案與板式液冷方案發(fā)現，暖通部分的初期投資，液冷方案高于冷凍水方案;但全年運行電費，板式液冷方案遠低于冷凍水方案。故考慮綜合的投入回報，約2.5年即可收回初期的投資差距。

注:電費以1元/kW*h計算

年耗電費用=IT設備總負荷*PUE*24*365*1

  同時(shí)，隨著(zhù)數據中心規模越大，液冷方案的優(yōu)勢則會(huì )更加明顯。有數據顯示，當單柜功率超過(guò)15KW時(shí)，板式液冷的單柜TCO優(yōu)勢將超過(guò)傳統風(fēng)冷。

  3.4 烽火液冷解決方案

  烽火具備成熟的板式液冷溫控系統，可為用戶(hù)提供全面的液冷解決方案。液冷溫控產(chǎn)品，涵蓋液冷CDU、液冷機柜、環(huán)形管網(wǎng)、干冷器等關(guān)鍵設備。提供工程落地服務(wù)，以及全面的動(dòng)環(huán)監測系統。

  烽火通信液冷產(chǎn)品中，液冷CDU制冷量涵蓋100~800KW，設備能效比(換熱量/功率)達到100以上;液冷機柜支持功率達到36KW及以上，并支持用戶(hù)客制化;液冷環(huán)形管網(wǎng)全部采用不銹鋼材質(zhì)，工廠(chǎng)預制，并經(jīng)過(guò)精細拋光、酸洗等嚴苛工藝過(guò)程，保證管路超高潔凈度。

  烽火通信在板式液冷領(lǐng)域，持續致力于超低電導率冷卻液的開(kāi)發(fā)應用，實(shí)現快速檢測漏液，不損害IT設備，為用戶(hù)提供絕對安全可靠的應用環(huán)境。

  總結

  隨著(zhù)國家雙碳目標推進(jìn)，以及數據中心領(lǐng)域PUE要求的逐步提升，數據中心溫控系統的升級勢在必行。雖然目前數據中心溫控產(chǎn)品呈現貼合區域特征的多樣化發(fā)展趨勢，但在未來(lái)，主流PUE要進(jìn)入1.1~1.2區間變?yōu)閺娭埔髸r(shí)，液冷溫控系統，將會(huì )成為必然的散熱選擇。

  烽火通信將液冷作為一項重要的節能溫控技術(shù)，在后續的產(chǎn)品研發(fā)中會(huì )持續發(fā)展升級。烽火從板式液冷入手，逐步發(fā)展浸沒(méi)液冷、冷媒相變液冷、噴射液冷等多樣化液冷溫控模式。實(shí)現不同熱流密度、不同應用場(chǎng)景的全范圍覆蓋。

  同時(shí)，在數據中心節能要求不斷升級的大背景下，烽火通信將基于在溫控領(lǐng)域多年的技術(shù)積累，錨定節能降碳的長(cháng)遠目標，持續探索應用于數據中心領(lǐng)域的新型溫控技術(shù)，為未來(lái)實(shí)現碳達峰、碳中和，貢獻一份力量。