张泉:数据中心节能方向及相关技术研究的进展

2019-10-10

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独家制作:

本期策划: 董丽萍

访谈背景:
       信息技术的飞速发展,互联网时代大数据、云计算带来的产业革命,都让我们深处一个被数据中心包围的新时代。不仅中国如此,放眼全球,数据中心的建设也都方兴未艾,与之相伴的能耗增加亦已成为全球面临的共同问题,数据中心如何做好“安全与节能”兼收并蓄,成为科技界所面临的技术研发的重要挑战,数据中心冷却系统的能耗又是整个能耗体系主要的构成部分,因此冷却领域的专家学者们在近些年里不断努力,希望能解决数据中心能耗大散热难的痛点问题,以确保数据中心健康可持续发展,也是为如今互联网时代保驾护航。
       湖南大学张泉教授多年来致力于空调系统优化技术、高效相变储能技术、数据中心冷却技术的研究,承担了多项国家研究课题,出版专著《数据中心节能技术与应用》等,发表国际、国内等期刊论文100多篇,获得专利20余项,受到省部级一等奖二等奖奖励3次,入选教育部新世纪优秀人才等支持。同时也担任中国数据中心产业发展联盟技术委员会副主任、暖通空调产业技术创新联盟数据中心工作委员会副主任等职务,对于数据中心健康可持续发展,确保数据中心全年冷却和安全的需求,采取节能技术方案及系统设计等方面也有很多实践经验,为此,暖通空调在线高端访谈栏目就“数据中心节能方向及相关技术研究进展”的话题,专访了张泉教授。

在阿尔卑巴赫参加数据中心技术交流会
在阿尔卑巴赫参加数据中心技术交流会
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关于数据中心面临的能耗问题

暖通空调在线:
       我们都知道目前全世界数据中心建设的项目已经成为建筑业内一个新兴的板块,具有自身的建筑特点,从建筑用能、用冷等角度来看,具有鲜明的特点,而且普遍存在的问题是:确保安全运营与降低能耗之间的矛盾难以调和,您在此领域研究多年,关于数据中心所面临的能耗问题可否归纳一下,都有哪些特征和亟需解决的难题?全球数据中心及其我国国内数据中心的总体耗能状况是怎样的?这些问题的存在,又给制冷空调领域带来了哪些技术挑战?

张泉教授:
       数据中心的特征和传统的建筑相比较而言,主要存在以下的特征及难题:(1)散热密度大,精准冷却技术是难题;(2)冷却周期长,高效自然冷源和余热利用是难题;(3)安全性要求高,系统备份是难题;(4)建设周期短,设备和系统的模块化柔性建设是难题;(5)服务器空置率高,设备配置和控制是难题。
       近年来随着计算机芯片集成技术、软件技术、互联网技术的快速发展,互联网+不同行业应用的深度融合,数据中心的特征彰显度越来越明显。上述不同特征和挑战,催生了暖通行业的冷却节能的技术细分,以及与不同技术领域的高度融合,不同行业的科学和技术进步,提供了冷却技术的路径,为解决数据中心技术难题提供了基础。
       随着我国的物联网、云计算技术的快速发展,数据应用的生态朝着广度和深度方向发展,数据产生速度和数量呈现指数级井喷态势,数据综合利用需求也越来越紧迫,数据的物理载体是数据中心,数据中心的建设规模和速度也呈现快速发展的态势。从能耗的角度来看,我国的数据中心的能耗,从2010年大概480亿kWh/年,上升到2017年 1000亿kWh/年,每年能耗增加速度27%左右, 2025年,据预测我国数据中心能耗将跃升为2500亿kWh/年。
       纵观全球能耗, 数据中心从2014年全球总能耗1.62%左右增加到2017年的3%左右,约为4160亿kWh。随着全球数据信息和工业领域应用的融合,数据产生、应用的融合需求逐步提升,同时,对于数据传输速度的时效性也有较高要求,如4G到5G的演变,其设备发热密度会有明显的提升,导致能耗也会进一步增加,因此,数据中心对节能减排、安全等方面的需求也显得越来越迫切。
       数据中心针对散热密度高、全年运营的现状,国内外大多采用高效的自然冷源利用,减少空调制冷主机的运行时间;针对不同的应用场景和需求,因地制宜地采用高效冷却技术和系统,如冷端和热端的余热综合利用技术、储能技术、服务器直接冷却技术、无主机冷却技术、严寒地区防冻技术等;针对数据中心安全性要求高,需要在设备和系统级别进行备份和冗余设计及运行控制,保证应急和正常运行时无缝切换和正常运行优化;针对数据中心建设需要周期短,常采用模块化设计、生产和施工,运用BIM技术,满足设备、系统的不同阶段的快速建设需求;数据中心的服务器空置率较高,需对服务器精准冷却和对冷却设备和系统进行优化控制,减少冷却介质在传输过程的冷量损耗。高能耗的数据中心,需要研发和使用高效安全和高性价比的冷却技术、设备和系统,暖通相关行业在数据中心领域挑战、机遇并存。 芬兰赫尔辛基爱立信总部数据中心交流

芬兰赫尔辛基爱立信总部数据中心交流

2

关于数据中心节能思路与方向的思考

暖通空调在线:
       谢谢您梳理了有关数据中心项目建设的特殊性,以及存在的能耗问题,尤其是一些数据反映出当今数据中心高耗能所产生的影响。但因为互联网时代的发展是不可逆转的,越来越多的大数据在不断产生,我们的生活也越来越依赖信息网络的建设,因此数据中心项目在不断建设当中,一定要寻找到科学合理、切实有效的降耗之路,有关这方面的思路和方向,您有什么可以分享的观点?在日渐成熟的数据中心节能降耗技术方案中,您在工作实践中也一定有很多有关数据中心冷却系统的方案思路、设计案例等,我们也希望您能总结分享给我们广大的设计师朋友们。

张泉教授:
       随着信息产业的快速发展,数据中心数量和规模不断递增,巨量的能源消耗,较大冷却节能空间和潜力,其高效技术成为行业的关注焦点。服务器侧冷却节能,为了提高冷却效率,需要精确冷却、减少传热过程的冷热掺混、减少传热过程的热阻等,针对特定服务器侧的高效冷却需求,服务器侧的冷却技术细分为冷热通道封闭模式、行级冷却技术、柜级冷却技术、以及服务器CPU元件级冷却等技术。在主机侧需要因地制宜,最大限度地利用自然冷源(如新风自然冷却、湖水海水自然冷却、直接蒸发冷却、间接蒸发冷却、混合蒸发冷却、自然冷却+机械冷却、自然冷却+储能冷却模式以及高品位废热驱动溴化锂吸收式冷却);对于有加热需求的场合,可综合利用并提升服务器产生的低品位余热,满足民用建筑或者工业的热需求。
       上述技术在数据中心中均有工程应用,在方案设计和优化过程中,设计人员需因地制宜,进行方案设计,减少初投资和运行费用,根据服务器上架率的提升,设计方案的优化,满足用户的柔性、高效运行及管理的需求。

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关于前沿技术研究的进展

暖通空调在线:
       任何科技难题的解决都伴随着我们的技术进步,相信在数据中心的发展历程中,因为解决运营安全与降低能耗的难点,也帮助我们的研究者对于数据中心传热过程、负荷计算、综合优化系统方案等都有了良好的促进,在这方面,您认为有哪些前沿技术发展非常有潜力?如果能结合实际工程案例中应用的创新技术结合介绍,相信会对我们行业很有启发,这方面,也请您能概述而论,相信您有很多见解都来自于数据中心产业项目的技术应用之中。

张泉教授:
       数据中心建设分为两种模式,一种是新建数据中心建设、另外一种是既有数据中心的节能改造,对于既有数据中心节能改造而言,受到现场及条件、容量等限制,其节能技术改造更加具有挑战性,如:室内机柜布置较为凌乱,服务器的种类和应用状况也千差万别,电线、网络线、控制线等错综复杂,难以对机柜进行重新系统布局,将导致气流组织低效和冷热气流掺混;服务器容量不断增加导致局部过热风险增加;冷却设备和系统性能的衰减导致了耗电量和过热风险的进一步提升;传统服务器机房的冷却技术大部分采用风冷直膨式的冷却方式导致了系统能效比较低缺陷。因此,基于现实条件,需要进行集成创新,解决老旧机房的低效运行难题,成为我国数据中心领域关注的焦点。针对机柜布置凌乱、设备局部过热、电力容量限制等现状,建议通过CFD模拟和理论计算,增加房间级热管+吊顶热管缓解局部过热的难题;针对冷却系统的能效低的缺陷,建议将室外的风冷冷凝器改造成冷却塔+水冷冷凝器+热管+直膨式蒸发冷却双冷却系统的形式,该方案可以在投资较少的条件下,高效地利用自然冷却,减少设备局部过热的风险,提升冷却设备能效,减少冷却系统的能耗和室外机的噪声,通过适时控制风冷和水冷设备和系统,提升了冷却系统的安全等级。如果既有数据机房周边用户有加热需求,可以在方案设计过程中对服务器余热利用的方案进行优化,对低品位余热进行提升,满足用户的不同采暖需求。

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关于国内数据中心冷却技术研究的现状

暖通空调在线:
       我们注意到您有一些研发项目是与国外院校团队合作的,是不是也都是围绕相变传热储能和数据中心冷却技术的?如果可以,也请您介绍一下您的主要研究方向及涉及数据中心冷却的节能降耗的相关技术方向;对于国内数据中心建设方面,有哪些方面是相对比较成熟且已有严格标准要求的内容?对于数据中心未来的发展趋势,也请您做一下梳理,是否更高热密度及冷却范围更加聚焦于机柜是主流的方向?而项目系统方案中对于最大程度利用自然冷源也是一种主要方向?

张泉教授:
       我们团队与美国、欧洲一些国家的研究机构和企业建立了较好的合作关系,围绕着数据中心冷却和蓄冷等研究领域开展了较好的合作。
       数据中心构建蓄冷系统的目的是满足断电条件下,满足冷却系统15分钟应急冷却的需求,其蓄冷系统目前大多以显热蓄冷罐为主,分为开式和闭式两种类型。开式蓄冷系统既能满足应急冷却的需求,在数据中心的初始运营阶段,数据中心的服务器的上架率一般较低,有些数据中心所在城市制定了峰谷分时电价政策,利用蓄冷系统的高效蓄放能实现移峰填谷,降低系统运行费用。数据中心集中大型蓄冷罐,也存在初投资较大、断电时需要UPS驱动服务器侧冷冻系统水泵、存在斜温层和系统安全隐患等问题,因此,本研究团队近年来研究了高效分布式蓄能集成热管系统,一方面希望解决集中式蓄冷罐、输配管道、阀门及系统存在的潜在故障,提升系统备份安全性;另一方面拟解决服务器侧冷冻水泵的UPS配置将不可避免地导致应急条件下的电力系统切换的潜在风险。相变储能+热管系统的集成技术为上述挑战提供了一个可行的途径,但是,该系统存在理论和技术难点和挑战,比如说:相变蓄冷放冷过程+热管冷凝蒸发过程+冷却流体的多元多相耦合换热过程机理分析;相变过程的导热系数低,如何提升相变模块的导热性能、或者相变模块的材料改性,满足快速蓄冷和放冷的过程;如何保证在复杂的多相流条件下按需放冷和储冷;相变材料价格和封装、以及性能稳定性等难题是学术界和企业界关注的焦点和难题。本研究团队长期对热管的换热特性和相变模块蓄放冷过程进行研究,对换热机理进行解析,设计满足工程需求系统的实验模型,对系统结构参数、运行参数、换热特性进行系统优化,虽然取得了一些研究进展,由于系统比较复杂,可以参考的文献和理论不多,相关的理论工作需要进一步深入研究。
       热管技术可以满足高热密度服务器机柜冷却过程,机柜高热条件下的热管包括背板热管和芯片级热管。对于大型数据中心,热管系统可以考虑采用重力驱动热管系统、液泵驱动的热管系统,前者需设置冷凝侧和蒸发侧合理的高度差,后者也带来了泵的寿命和能耗增加负面因素。高热密度机柜冷却技术还包括了沉浸式冷却以及板式单相流冷却技术。
       自然冷源利用属于数据中心的高效冷却方案,就如前面所述,自然冷源的利用需要因地制宜,综合当地气象参数、能源种类、价格、冷热需求、数据中心规模、服务器功率密度、上架率、冷却设备性能、效率等因素。自然冷源的综合利用是数据中心高效冷却需要考虑的首要问题,自然冷源有多种可行方案可供选择和优化;其次在自然冷源不能满足数据中心冷却需求时,需要构建制冷系统进行冷量的补足;最后对热量有需求的场合,对数据中心的服务器低品位的热能进行提升和利用。在北欧、北美由于有热量的需求,数据中心余热利用得到了工程应用和示范,获得了较好的社会效益和经济效益,值得我国学者、设计师、业主关注和借鉴。
指导的博士生毕业

往期回顾

  • 张泉:数据中心节能方向及相关技术研究的进展
  • 袁艳平:千人中文国际会议从无到有的故事
  • 伍小亭:应该注重正确的技术应用在正确的场景
  • 森山昌幸与麦克维尔的十年
  • 董增胜:连接科技与生活的高标物联力量
  • 从农村走出的暖通空调教授
  • 徐文华:新风设施将会成为建筑的标配
  • 打造一站式“人居环境”个性化方案定制平台 实现行业产业链升级
  • 森山昌幸: 麦克维尔的“母港”规划是下一步的发展战略
  • 李国庆:地铁追“风”的创新实践者
  • 赵旭东:“一带一路”给我们带来的机遇与挑战
  • 一带一路上的蒸发冷却技术——专访西安工程大学副校长黄翔
  • 同方泰德:开发系统APP推动节能事业发展
  • 郑永新:换热器技术的发展所面对的共同难题
  • 孙扬:大气雾霾治理之道与室内环境管理与控制
  • 陈焕新:制冷空调产业如何适应大数据时代
  • 周敏:工程应用是新技术推广的重要环节
  • 顾兆林:治理建筑室内环境更应关注人居环境
  • 黄翔:不能忘记为什么而出发
  • 周威:麦克维尔深圳工厂的深耕细作