“新基建”下数据中心空调方案综合评估

近日，“2021中国数据中心市场年会”在北京召开，会议以“探能效、碳达峰、碳中和”为主题，对前沿技术与理论进行深入交流，以技术创新助力“双碳”目标的实现。

会上，中国移动设计院咨询设计总监娄小军分享了《“新基建”下数据中心空调方案综合评估》。报告介绍了新基建背景下数据中心空调方案演进路线和面临的挑战，从初投资、TCO、PUE、WUE、装机率、建设工期、运维难度等多个维度出发，提出一种数据中心空调方案综合评估模型，并分享典型城市多种数据中心空调方案试评估结果。

在新基建”和“双碳”目标背景下，数据中心节能降碳要求不断提升，但目前总体能耗水平和利用率不容乐观，制冷系统约占整个数据中心能耗的30%~45%，降低制冷系统的能耗是提高数据中心能源利用效率的最直接和最有效措施，制冷系统也随着数据中心的需求变化和能效要求而不断发展。

2005年前，数据中心正处于雏形阶段，业务量较小，数据中心空调多采用了风冷直膨式机房专用空调，每套空调相对独立控制和运行，具有安装和维护简单等优点；缺点是设备能效比较低、室外机占地较大，通常也没有连续供冷保障措施。2010年左右数据业务需求猛增，数据中心的规模也逐渐变大，数据中心能耗急剧增加，节能问题开始受到重视。冷冻水系统开始逐渐应用到数据中心制冷系统中，冷冻水系统有制冷容量大，冷机能效高，稳定性高，易利用自然冷源、冷冻水型空调末端多样等特点，可以大幅降低数据中心运行能耗。2015年后至今，数据中心规模和数量进一步增加，节能性要求更高，预制化、模块化、产品化等趋势显著，各类新型水冷、风冷制冷形式不断涌现，水冷系统水温风温进一步提高，自然冷却时间进一步延长，风冷系统通过加入全变频、自然冷模式，大幅提高节能性，服务器液冷技术也在不少工程中得到应用，形成多种制冷形式并存的态势。

随着“新基建”背景下业务快速发展，数据中心空调方案需要考虑诸多要素。初投资、TCO及其相关的PUE、WUE，通常是方案评估模型中优先考虑的要素，或者说权重最高的要素，但包括装机率、建设工期、运维难度、末端灵活性、技术成熟度等其它要素也都可能对数据中心建设和运营产生重要影响，不同技术有各自适用的应用场景，有必要结合各种技术特点和不同区域实际情况分区域进行研究，综合评估技术的适用性。

基于前文提出的各种冷却节能技术应用要素，为实现因地制宜和综合评价选取最优的节能技术，报告提出一个全新量化评估模型，把影响数据中心冷却技术应用中的要素指标进行量化处理，形成量化评估结果，指导方案选择。

其中PUE、WUE、初投资、TCO指标按照各方案计算结果的最大值和最小值作为打分上限和下限区间，技术特点类按照优劣高低分为2~4档，分别评估打分。另外根据不同地区实际情况特点，针对不同技术匹配特点进行额外扣分，最终通过多维度打分加权后得出不同地区城市不同技术应用的综合评估得分。

需要说明的是，根据业务类型不同，权重也应有所区别。本次呈现的是我们称之为“均衡型”空调方案评估模型权重数据，其它数据中心可根据自身特点，对各权重进行适当调整，即可得到适合自身需求的评估模型。

最后基于以上“均衡型”空调方案评估模型，给出一些典型城市5种数据中心空调方案（水冷冷冻水空调、间接蒸发冷却空调、氟泵变频空调、蒸发冷磁悬浮相变冷却空调、浸没式液冷空调）试评估结果。

具体技术路线以单栋4层、总规模2万平方米的混凝土数据中心为测算模型，模拟了多种空调方案，计算初投资、PUE、WUE、装机率、运行费用等数据，对比分析了不同地区城市土地稀缺性、运维能力、业务上架速度、水资源情况几个因素。其中运行费用主要计算水费和电费，运行功率按照逐时方法计算，同时考虑设备不同工况变频对运行功率的影响。

在“均衡型”评估模型下，综合考虑节能、成本、技术特点等因素，水冷系统方案得分在各地区城市普遍高于其它方案；间接蒸发冷空调、氟泵空调、蒸发冷磁悬浮相变冷却空调紧随其后；浸没液冷方案尽管节能性最优，但标准化程度低、造价偏高，总体得分偏低。

评估结果与方案模型输入条件相关，投资造价等具有波动性，同时受各维度权重比例影响较大，实际应用决策中还需根据不同地区数据中心业务特点判断属于“节能优先型”、“成本优先型”还是“市场优先型”，从而调整相应要素打分权重，通过多维综合评估，确定所采用的空调系统技术方案，为具体项目最终决策提供科学有效的依据。