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绿色低碳数据中心建设正发力,降低PUE和WUE难题有何解?
发布日期:2022-08-27 18:39    点击次数:187

截至2022年6月底,我国在用数据中心机架总规模超过590万标准机架,服务器规模近2000万台。

“算力是新型生产力,是支撑数字经济蓬勃发展的重要‘底座’,是激活数据要素潜能、驱动经济社会数字化转型、推动数字政府建设的新引擎。”7月30日,工业和信息化部副部长张云明在2022中国算力大会上指出。相关数据显示,算力指数每提高1%,国家的数字经济和GDP将分别增长3.5‰和1.8‰。

工信部数据显示,2021年底我国算力核心产业规模达1.5万亿元,位居全球第二,近五年平均增速超过30%,带动关联产业规模超过8万亿元。

作为算力的重要基础设施,数据中心近年来发展迅速,其中,中大型和超大型数据中心的规模增长最快。工信部数据显示,截至2021年底,全国在用超大型、大型数据中心已超过450个,智算中心超过20个。

数据中心加快建设

8月2日,为加快推进四川省全国一体化算力网络国家枢纽节点建设,四川省发展和改革委员会等六部门印发《全国一体化算力网络成渝国家枢纽节点(四川)实施方案》(下称《方案》)。

《方案》指出,到2025年,四川省数字经济核心产业增加值将达到7000亿元,数据中心规模将达50万机架(折合单机架功率2.5kW(千瓦)),上架率将达到60%。而集群起步区内机架规模达到30万架,上架率达到70%。

自“东数西算”工程今年2月启动以来,京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地算力网络国家枢纽节点施工加速。

7月29日,上海市经信委、上海市发改委发布了《关于推进本市数据中心健康有序发展的实施意见》(下称“意见”),明确到2025年,预期上海市数据中心总规模能力达到28万标准机架左右,平均上架率提升至85%以上。

7月22日,贵州省人民政府办公厅发布《关于加快推进“东数西算”工程建设全国一体化算力网络国家(贵州)枢纽节点的实施意见》,提出力争到2025年,贵州全省数据中心标准机架达到80万架、服务器达到400万台。

根据中国信通院今年4月发布的《数据中心白皮书2022》,按照标准机架2.5kW统计,截至2021年底,我国在用数据中心机架规模达到520万架,近五年年均复合增速超过30%。其中,大型以上数据中心机架规模增长更为迅速,机架规模420万架,占比达到80%。

受新基建、数字化转型等国家政策促进及企业降本增效需求的驱动,我国数据中心业务收入持续高速增长。2021年,我国数据中心行业市场收入达到1500亿元左右,近三年年均复合增长率达到30.69%。

随着我国各地区、各行业数字化转型的深入推进,我国数据中心市场收入将保持增长态势。2022年,预计中国数据中心市场收入超过1900亿元。

绿色低碳是方向和要求

对于快速发展的数据中心而言,绿色集约是其重要前提和要求,关乎可持续发展。

2020年12月,国家发改委等四部门联合推出《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》就提出,到2025年,全国范围内数据中心形成布局合理、绿色集约的基础设施一体化格局。同时提出,推动绿色数据中心建设,加快数据中心节能和绿色化改造。

数据中心是典型的耗能大户,去年10月底国家发改委等五部门发布的《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》(下称《若干意见》)中,首次在国家层面将数据中心与传统八大“两高”行业并列纳入重点推进节能降碳领域。数据中心正面临严峻的节能降耗和温室气体排放挑战,如何实现绿色低碳高质量发展尤其值得关注。

衡量数据中心的绿色化,PUE(电能利用效率)、CUE(碳排放环保效率)、WUE(水利用效率)是目前使用的标准。

2021年12月发布的《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》进一步明确,到2025年,国家枢纽节点的PUE要进一步降到1.25以下,绿色低碳等级达到4A级以上。实现绿色低碳高质量发展,就要求数据中心必须进一步降低PUE。

“随着单机柜算力的不断增长和PUE,WUE(水利用效率)要求的日渐严格,数据中心的冷却技术也在不断地升级迭代。”在近日举办的2022中国数据中心绿色能源大会期间,艺康集团纳尔科大中华区轻工业部地区副总裁吴晓峰接受采访时表示,间接蒸发冷和液冷(冷板式液冷、浸没式液冷)技术是目前的主要应用方向。

比如,间接蒸发冷却在国内许多地区都已经有了应用案例,北至乌兰察布、张家口,南至广东清远、深圳,西至川西、贵州等地。

解决冷却系统能耗难题

但是,新制冷技术的应用,也给数据中心带来了新的难题。

吴晓峰表示,对于间接蒸发冷而言,挑战在于其PUE、WUE高于理论值,运维难度大。具体来说,就是使用间接蒸发冷技术的数据中心,在使用一段时候后往往会发现,由于芯体表面的沉积与微生物,导致换热效率下降明显,进而导致设备被迫提前向高能耗模式切换,也就是说其低能耗模式(干模式)运营时间不足,用电、用水效率指标高于预期。

而且,间接蒸发冷单元芯体表面沉积物类型复杂且特殊,微生物分布广,且补水直接经过芯体表面,需保障无损芯体材质,因此使用传统冷却水药剂无法解决。所以,后期运维难度及费用会超出预期。

因此,保证换热效率和低能耗模式运营时长是间接蒸发冷却技术降低数据中心能耗的关键。

对于液冷而言,由于其二次循环侧更贴近服务器,安全风险更大。

具体而言,就是冷却液、非导电液体与外侧冷源构成了一个冷却整体,实现了液冷系统卓越的用电效率指标以及用水效率指标。但由于换热系统结构的特殊性,外侧冷源一般为冷却水,冷却水的腐蚀、结垢、沉积与微生物的问题,会直接造成对服务器的损害而导致严重的宕机事故与资产损失。

比如,冷板击穿的泄漏,会直接导致服务器损坏。腐蚀和微生物增长造成冷板内部堵塞,传热效率下降,宕机风险增加,影响服务器寿命。

吴晓峰介绍说,纳尔科的数据中心液冷管理方案,能够助力解决液冷数据中心安全性的痛点,在保障液冷数据中心节能降耗的同时,确保运营的安全性。

纳尔科是艺康集团旗下专注于水处理和工艺改进的品牌,集团总部位于美国圣保罗,2020年市值约590亿美元,连续多年入选道琼斯北美可持续发展指数榜。1980年,纳尔科进入中国开展业务,在上海拥有一所世界级研发中心。

纳尔科的方案如何实现数据中心的节能降耗?

纳尔科全新的间接蒸发冷管理方案中,在水的预处理方案方面,通过反渗透与软化水方案,确保水质符合《数据中心蒸发冷却水质标准》要求。在冷却水管理方面,针对间接蒸发冷特殊沉积与微生物开发的新方案,可有效维持芯体换热效率。我们也与各主流芯体厂商合作完成了芯体兼容性测试,确保设备使用寿命, 3D TRASARTM 自动化控制技术时刻保证可靠运行。在间接蒸发冷却单元,通过补救性清洗方案,提升清洁效率效率。

同时通过回用水方案节约水资源,进一步降低WUE。借助数字化工具,可视化的实时数据展示,助力提升运营效率。

以西部某大型数据中心为例,其现场共108台AHU(间接蒸发冷却单元),使用纳尔科冷却水管理和AHU补偿性清洗方案后,芯体换热效率提高,AHU清洗频率从每季度一次下降到每年一次。

通过提高芯体换热效率,每年实现了四十万千瓦时左右的能耗节省, PUE下降0.02 ,每年节省能耗成本约二十万。通过降低间接蒸发冷单元清洗品频率,每年节省540工时,每年节省人工成本三十五万元左右。通过提高芯体换热效率,节省电能消耗,全年减少二氧化碳排放四百多吨。

而在液冷技术中,冷板式液冷技术中冷却液通过冷板带走服务器的热量,并在CDU(冷液分配装置)中与外侧循环的冷源进行热交换;浸没式液冷技术中,在CDU中与外侧循环的冷源进行热交换的是与服务器直接接触的非导电液体。

因此,在选择冷却液与冷却水处理方案时既需要考虑传热性能的长期稳定性和高效性等,也更需要考虑其与冷板、CDU的适配性以保证运营的安全性。

纳尔科全新数据中心液冷管理方案中,通过从设计,制造到运输,安装,维护的全生命周期管理,保障数据中心的安全性,避免因冷却液泄露导致的服务器损坏,以及传热效率下降而引发的宕机风险。

“纳尔科的解决方案已被世界知名的处理器公司以及ASHRAE(美国暖通空调工程师协会)在白皮书中进行推荐,并在国内外数据中心有了成熟的应用。”吴晓峰说。

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服务器绿色热效率冷却水

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