数据中心那点事之制冷系统思考

引言

继“碳达峰、碳中和”之后，工信部、发改委、财政部等七个部门发布《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022—2025年）》，提出聚焦数据中心采用高效化、绿色化、低碳化技术，加快数据中心PUE降低。同时，伴随着金融科技的快速发展和数字化转型的加速，数据中心作为关键基础设施建设规模也在不断扩大，能耗逐步攀升。因此，应用数据中心节能技术促进提升能效比，成为金融数据中心实现“双碳”目标的途径之一。根据PUE公式（1）可知降低PUE需考虑制冷系统、供电系统、其他部分耗能三部分，供电系统主要损耗是设备、线缆自身的电能损耗，由于受限设备选型、系统架构、空间布局影响等原因可压缩空间十分有限。其他耗能部分由于占比及技术不断优化可压缩空间也同样有限。因此数据中心节能工作优先从制冷系统考虑，其中传统大型数据中心的制冷系统能耗能够占到三者耗能总和一半以上，因此降低制冷系统能耗是提高数据中心能源利用效率最直接和有效的措施。

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降低制冷系统能耗可以采用更加节能的制冷系统架构或增加相应辅助制冷系统降低制冷能耗。例如采用自然冷却技术充分利用室外低温环境提供冷源，也可采用辅助喷淋设备增加蒸发制冷方式，或采用液冷技术利用液体直接将热量带走等高效制冷方式。以G行生产数据中心所在地北京为例，依照《中国建筑热环境分析专用气象数据集》统计1971年~2003年的实测气象数据为基础，北京全年干球温度统计如图1所示，其中北京全年在0℃以下时长为1580小时，具备在春秋过渡季节和冬季利用室外低温进行自然冷却。

图1 北京干球温度统计图

制冷原理

制冷的基本原理是利用制冷剂在不同压力下物理性质的变化，通过制冷循环将室内热量吸收到制冷剂中，然后将制冷剂的热量排放到室外，从而调节室内温度。制冷循环包括四个步骤：压缩、冷凝、膨胀和蒸发。制冷剂在低压状态下从蒸发器吸收室内热量，经过压缩机压缩成高压高温气体，然后在冷凝器中与室外空气进行热量交换，逐渐冷凝成高压液态制冷剂。高压液态制冷剂通过节流阀或膨胀阀减压，变成低压液态制冷剂，然后在蒸发器中与室内空气进行热量交换，吸收室内热量并蒸发成低压制冷剂气体。最后，低压制冷剂气体再次经过压缩机进入冷凝器，在室外与空气进行热量交换，放出热量并冷凝成液态制冷剂，进入蒸发器继续循环。这样，制冷剂不断地循环流动，从而实现制冷的过程,其原理如图2所示。需要注意的是，不同类型的制冷系统可能采用不同的制冷剂和制冷循环方式，但基本的制冷原理都是相同的。