烽火通信數(shù)據(jù)中心節(jié)能方案及趨勢(shì)淺談

  隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，國(guó)家在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域也出臺(tái)了一系列政策，對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE提出了明確的要求，以期實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

  根據(jù)今年最新政策顯示，國(guó)家層面8大計(jì)算樞紐節(jié)點(diǎn)中，明確了西部樞紐節(jié)點(diǎn)PUE在1.2以下，東部樞紐節(jié)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(dá)峰實(shí)施方案，規(guī)定了數(shù)據(jù)中心PUE的具體要求，對(duì)于新建的中大型數(shù)據(jù)中心，普遍要求1.3以下。隨著國(guó)標(biāo)GB40879《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級(jí)》的實(shí)施，在未來(lái)，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能性將逐步成為強(qiáng)制要求。地方層面，上海、深圳也密集出臺(tái)相應(yīng)的政策，除新建數(shù)據(jù)中心以外，存量運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)中心也需要進(jìn)行改造升級(jí)，以滿足最新的節(jié)能政策要求。

  如下圖的PUE拆解圖所示，可以看到溫控設(shè)備在整個(gè)數(shù)據(jù)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(tǒng)的能效提升，對(duì)降低數(shù)據(jù)中心PUE將起到?jīng)Q定性的作用，采用高效科學(xué)的溫控設(shè)備和熱管理技術(shù)，可助力數(shù)據(jù)中心在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)下，直接躋身一級(jí)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(shù)據(jù)中心PUE從1.8降低至1.2，溫控設(shè)備的優(yōu)化潛力最高。在PUE≤1.2的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)數(shù)據(jù)中心能源設(shè)備的效率是極大的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心的溫控設(shè)備，需要不斷的升級(jí)，來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)超低PUE的需求和挑戰(zhàn)。

  數(shù)據(jù)中心溫控發(fā)展

  經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心溫控設(shè)備，呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，并且不斷創(chuàng)新升級(jí)，用以實(shí)現(xiàn)自身更高能效運(yùn)行，以及數(shù)據(jù)中心整體更低PUE要求。目前的數(shù)據(jù)中心溫控方式，由最早的傳統(tǒng)房級(jí)風(fēng)冷空調(diào)，逐步演進(jìn)為微模塊+列間空調(diào)、冷凍水+末端背板等高效散熱的方式。

  微模塊 + 列間空調(diào)

  該類溫控系統(tǒng)，通過(guò)微模塊的方式，實(shí)現(xiàn)冷熱風(fēng)隔離，有效避免房級(jí)空調(diào)的混風(fēng)，保證空調(diào)吹出的冷風(fēng)，全部用于服務(wù)器散熱，從而避免冷源浪費(fèi)。同時(shí)，列間空調(diào)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(tǒng)的能效水平。

  近期，行業(yè)中針對(duì)機(jī)房空調(diào)高蒸發(fā)溫度的特點(diǎn)，推出了超低壓比壓縮機(jī)進(jìn)行適配。在保證回油可靠性的前提下，低壓比壓縮機(jī)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。隨著該類壓縮機(jī)的應(yīng)用，風(fēng)冷列間空調(diào)，滿負(fù)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(qū)，采用該類溫控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，PUE值大概在1.4~1.5之間，在南方地區(qū)，PUE值大概在1.5~1.6之間。

風(fēng)冷列間空調(diào)

  2.2冷凍水+末端背板溫控系統(tǒng)

  該類溫控系統(tǒng)的核心在于，使用能效水平較高的水機(jī)作為制冷源。通過(guò)冷卻塔+冷凍水機(jī)+空調(diào)末端的組合方式，實(shí)現(xiàn)高效制冷。水機(jī)機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，能效可達(dá)到7.0左右;在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，能效可達(dá)到更高。相比傳統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)，采用冷凍水機(jī)組的數(shù)據(jù)中心溫控系統(tǒng)，效率比傳統(tǒng)風(fēng)冷空調(diào)高出60%以上。

  考慮到數(shù)據(jù)中心室內(nèi)溫度偏高的特點(diǎn)，適當(dāng)提高冷凍水的進(jìn)出水溫度，可進(jìn)一步提升溫控系統(tǒng)的能效。

  一般情況，在北方地區(qū)，水冷系統(tǒng)的PUE值大概在1.2~1.3之間;在南方地區(qū)，水冷系統(tǒng)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(duì)不同數(shù)據(jù)中心的PUE需求，以及不同散熱方式的需求，烽火可為用戶提供多樣化的溫控解決方案。烽火溫控產(chǎn)品，涵蓋房級(jí)空調(diào)、列間空調(diào)、末端熱管空調(diào)、末端冷凍水空調(diào)等等。同時(shí)具備工程化一體交付的能力，為客戶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(wěn)步升級(jí)，結(jié)合機(jī)房環(huán)境高溫的特點(diǎn)，嘗試探索更低壓比運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品能效的持續(xù)提升。目前，烽火通信風(fēng)冷列間空調(diào)EER可達(dá)4.0及以上。

  新型末端空調(diào)，屬于更高效的面向?qū)ο笫降臏乜禺a(chǎn)品。目前烽火已涵蓋末端空調(diào)的全部系列，可全面滿足客戶的不同場(chǎng)景需求。同時(shí)，烽火不斷致力于產(chǎn)品細(xì)節(jié)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(xiàn)末端空調(diào)產(chǎn)品關(guān)鍵性能的不斷提升。目前背板空調(diào)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(tǒng)空調(diào)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(yùn)，勢(shì)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(tǒng)制冷，液冷優(yōu)勢(shì)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(tǒng)的能效大幅升高;進(jìn)而，溫控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中的能耗大幅度降低，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心PUE的跨越式提升。

  3.2液冷類型

  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表面附著一塊冷板，芯片將熱量傳遞給冷板，再由冷板內(nèi)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(shè)備直接接觸，可靠性高，且目前支持的最高熱流密度，已達(dá)到150W/cm2以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)浸沒(méi)式液冷。同時(shí)，其缺點(diǎn)主要是較難實(shí)現(xiàn)100%液冷，目前的IT設(shè)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(duì)較低，所以采用板式液冷散熱系統(tǒng)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(shè)備的風(fēng)液比，通過(guò)改進(jìn)IT硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)90%以上的液冷占比。一般在我國(guó)廣東地區(qū)，采用板式液冷的數(shù)據(jù)中心，全年P(guān)UE可達(dá)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)域的一種重要類型。其核心特點(diǎn)在于冷卻液直接和IT設(shè)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(shè)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(zhǎng)期使用時(shí)，對(duì)一些器件模塊(光傳輸模塊等)的穩(wěn)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(guó)廣東地區(qū)，采用浸沒(méi)式液冷的數(shù)據(jù)中心，全年P(guān)UE可達(dá)1.1左右。

  3.3液冷經(jīng)濟(jì)性分析

  液冷的散熱效率，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱。所以采用液冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，溫控部分的耗電，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱。但是由于液冷溫控系統(tǒng)相比風(fēng)冷溫控系統(tǒng)更復(fù)雜，故初期投入成本高于傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。以1400KW小型數(shù)據(jù)中心為例：

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

注:電費(fèi)以1元/kW*h計(jì)算

年耗電費(fèi)用=IT設(shè)備總負(fù)荷*PUE*24*365*1

  同時(shí)，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模越大，液冷方案的優(yōu)勢(shì)則會(huì)更加明顯。有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)單柜功率超過(guò)15KW時(shí)，板式液冷的單柜TCO優(yōu)勢(shì)將超過(guò)傳統(tǒng)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(tǒng)，可為用戶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(jī)柜、環(huán)形管網(wǎng)、干冷器等關(guān)鍵設(shè)備。提供工程落地服務(wù)，以及全面的動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

  烽火通信液冷產(chǎn)品中，液冷CDU制冷量涵蓋100~800KW，設(shè)備能效比(換熱量/功率)達(dá)到100以上;液冷機(jī)柜支持功率達(dá)到36KW及以上，并支持用戶客制化;液冷環(huán)形管網(wǎng)全部采用不銹鋼材質(zhì)，工廠預(yù)制，并經(jīng)過(guò)精細(xì)拋光、酸洗等嚴(yán)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(xù)致力于超低電導(dǎo)率冷卻液的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)漏液，不損害IT設(shè)備，為用戶提供絕對(duì)安全可靠的應(yīng)用環(huán)境。

  總結(jié)

  隨著國(guó)家雙碳目標(biāo)推進(jìn)，以及數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域PUE要求的逐步提升，數(shù)據(jù)中心溫控系統(tǒng)的升級(jí)勢(shì)在必行。雖然目前數(shù)據(jù)中心溫控產(chǎn)品呈現(xiàn)貼合區(qū)域特征的多樣化發(fā)展趨勢(shì)，但在未來(lái)，主流PUE要進(jìn)入1.1~1.2區(qū)間變?yōu)閺?qiáng)制要求時(shí)，液冷溫控系統(tǒng)，將會(huì)成為必然的散熱選擇。

  烽火通信將液冷作為一項(xiàng)重要的節(jié)能溫控技術(shù)，在后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)中會(huì)持續(xù)發(fā)展升級(jí)。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(xiàn)不同熱流密度、不同應(yīng)用場(chǎng)景的全范圍覆蓋。

  同時(shí)，在數(shù)據(jù)中心節(jié)能要求不斷升級(jí)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(jié)能降碳的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，持續(xù)探索應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的新型溫控技術(shù)，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，貢獻(xiàn)一份力量。