2023浸没式液冷数据中心热回收白皮书
[编号：ODCC-2023-09008] 浸没式液冷 数据中心热回收白皮书 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 版权声明 浸没液冷智算产业发展论坛发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用浸没液冷智算产业发展论坛成果中的文字或者观点的，应注明来源：“浸没液冷智算产业发展论坛”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，浸没液冷智算产业发展论坛及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 I 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 编制说明 本报告由OPPO广东移动通信有限公司牵头撰写，在撰写过程中得到了其他单位的大力支持，在此特别感谢以下参编单位和参编人员： 参编单位（排名不分先后）： OPPO广东移动通信有限公司、中国信息通信研究院、阿里云计算有限公司参编人员（排名不分先后）： 孔庆一、唐虎、郭亮、文芳志、卢象明、李忠科、王荣环、袁小艳项目经理： 孔庆一，邮箱：kongqingyi@oppo.com II 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 前言 2021年国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》表明应实施园区节能降碳工程，以高耗能高排放项目（以下称“两高”项目）集聚度高的园区为重点，推动能源系统优化和梯级利用，打造一批国际先进水平的节能低碳园区。同时提及推动既有设施绿色升级改造，积极推广应用高效制冷、先进通风、余热利用、智能化用能控制等技术，提高设施能效水平。数据中心园区作为两高大户，应响应国家政策，增加能源利用梯度，实现绿色化低碳化运营。浸没式液冷和配套的热回收技术为数据中心低碳运营带来了新机遇。 浸没式液冷作为一种先进的、刚刚商业化起步的技术，行业涉及较少。基于浸没式液冷数据中心的余热回收符合能源梯级利用的原则，有利于改善数据中心的碳排放表现，可以带来额外的经济价值，值得深入调研。本文旨在提供一套较为系统的浸没式液冷数据中心热回收技术理论参考。 本文共分为五个模块，分别阐述数据中心行业热回收现状、浸没式液冷数据中心热回收架构示例、浸没式液冷数据中心热回收价值、社会用能面专项研究、国家政策联动研究。 本白皮书由OPPO数智工程算力资源组负责管理和具体技术内容的解释，业内在实际的工程实践中若发现需要修改或补充之处，请将意见和建议反馈至kongqingyi@oppo.com，以作日后修订时的参考，谢谢。 III 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 目录 版权声明I 编制说明II 前言III 0.通用1 0.1术语解释1 0.2名词解释2 1.数据中心热回收现状与挑战2 1.1行业政策及发展现状2 1.1.1数据中心行业的社会压力2 1.1.2数据中心热回收的相关政策3 1.1.3数据中心行业热回收发展现状4 1.2传统风冷数据中心过往的挑战6 1.2.1风冷数据中心废热品位过低，再利用难6 1.2.2全年运行时间短，投资回报不如人意6 1.3浸没式液冷技术发展趋势7 1.3.1液冷数据中心大规模铺开是趋势，液冷有利于余热回收落地7 1.3.2数据中心规划成熟，服务器利用率提高9 2.液冷数据中心热回收发展路径9 2.1液冷数据中心热回收选址9 2.2液冷数据中心热回收建筑及机电配套需求11 2.2.1建筑配套需求11 IV 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 2.2.2机电配套需求11 2.3液冷数据中心热回收架构11 2.4液冷数据中心热回收控制管理系统20 3.液冷数据中心热回收价值21 3.1技术价值22 3.2经济价值24 3.3减碳价值30 4.社会用热清单研究32 4.1第一产业33 4.2第二产业35 4.3第三产业37 5.液冷数据中心热回收政策联动39 5.1双碳政策39 5.2东数西算39 5.3共同富裕41 5.4数据中心招商困境41 6.总结与展望41 7.参考文献42 V 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 0.通用 0.1术语解释 0.1.1浸没式液冷Immersionliquidcooling 以冷却液作为传热介质，将发热器件完全浸没在冷却液中，发热器件与冷却液直接接触并进行热交换的液冷形式。按照热交换过程中冷却液是否存在相态变化，可分为单相液冷和相变液冷两类。下文中“浸没式液冷”简称为“液冷”。 0.1.2单相液冷Single-phaseliquidcooling 作为传热介质的液体在热量传递过程中仅发生温度变化，而不存在相态转变，过程中完全依靠物质的显热变化传递热量。 0.1.3相变液冷Phase-changeliquidcooling 作为传热介质的液体在热量传递过程中发生相态转变，依靠物质的潜热变化传递热量。 0.1.4浸没式液冷数据中心Immersioncoolingdatacenter 暖通及配套系统采用浸没式液冷技术的数据中心 0.1.5浸没式液冷数据中心余热回收系统Wasteheatrecoveryandutilizationsysteminimmersioncoolingdatacenter 通过与浸没液冷系统结合，对液冷数据中心信息/通信设备所产生热量进行余热回收的系统。下文中“浸没式液冷数据中心余热回收系统”简称为“余热回收系统”。 0.1.6一次冷却循环系统Primarysidecoolingcirculationsystem 液冷系统内，负责将被冷却设备元器件的发热量传递至冷却液分配单元的冷却液循环系统，简称一次侧。 0.1.7二次冷却循环系统Secondarysidecoolingcirculationsystem 液冷系统内，将通过冷却液分配单元热交换而来的信息/通信设备元器件所产生热量散发到环境中的冷却水循环系统，简称二次侧。 0.1.8虚拟化Virtualization 将计算机的各种实体资源（CPU、内存、磁盘空间、网路适配器等）抽象、转换后呈现出来，供分割、组合为一个或多个应用环境的一种计算资源管理技术。 0.1.9免费供冷Free-Cooling 利用机房所在地理位置的气候条件，让低温天然资源成为IT信息机房制冷系统的冷源的一种制冷方式。 0.1.10水源热泵Water-sourceheatpump 1 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 利用低品位热能资源，应用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种装置。 0.1.11空气源热泵Air-sourceheatpump 利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置。 0.2名词解释 Tank液冷机柜Tank CDU冷却液分配单元CoolantDistributionUnitGPU图形处理器GraphicProcessingUnitTDP散热设计功耗ThermalDesignPower COP 制热能效比 CoefficientOfPerformance PUE 电源使用效率 PowerUsageEffectiveness WUE 水资源使用效率 WaterUseEfficiency EER 能源效率比 EnergyEfficiencyRatio Colo 主机托管 Colocation GWP 全球变暖潜能值 GlobalWarmingPotential ODP 臭氧消耗潜能值 OzoneDepletionPotential ACH 每小时换气次数 AirChangesperHour 1.数据中心热回收现状与挑战 1.1行业政策及发展现状 1.1.1数据中心行业的社会压力 在新基建政策和互联网产业发展的双重推动下，数据中心数量与机架数量剧增，电力需求增长迅猛。截至2018年底，我国数据中心总量已超过40万个，大型及以 上数据中心的总机架数达204万个[1]。预计到2025年，大型及以上数据中心的机架数量将达到802万个。从服务器角度看，根据IDC发布的2021年全球服务器市场追踪报告，在疫情背景下服务器市场仍保持12.7%的同比高增长，这侧面证明数据中心行业未来仍会保持高速增长趋势[2]。 数据中心机架数及服务器数量的大幅增加将导致数据中心电力需求不断增长。 2018年我国数据中心用电总量为1,609亿千瓦时，占全社会总用电量的2.35%； 2020年用电总量达2,023亿千瓦时，占全社会用电总量的2.7%，约为北京市2021 年全社会用电量的两倍；预计2030年将突破4,000亿千瓦时，占全社会用电总量的3.7%[1]。如此大额的用电量给数据中心行业带来了巨大的社会和政策压力。 2 80000 72852 3.00% 69404 70000 75110 2.71% 63625 2.50% 60000 56393 56933 59710 2.42% 2.16% 2.00% 50000 1.96% 1.86% 1.76% 40000 1.47% 1.50% 30000 1.00% 20000 0.50% 10000 829 1000 1108 1250 1500 1763 2035 00.00% 2014201520162017201820192020 数据中心用电量 全社会用电量 数据中心社会用电量占比 用电量(亿千瓦时) 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 图一：数据中心产业用电量统计[45] 1.1.2数据中心热回收的相关政策 自2019年初工信部等三部门联合发布《加快构建绿色数据中心的指导意见》[3]以来，在发改委、工信部、能源局等多个部门发布的包括《关于进一步加强数据中心项目节能审查的若干规定》[4]《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》[5]《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》[6]在内的多份全国性及地方性政策文件中均提及要推进绿色数据中心建设。 过往行业内普遍认为数据中心作为数据处理的大脑，服务器运算可以看作是输入电力能源输出算力的过程。根据数据中心服务器运行的底层逻辑，大部分电能通过阻性载流的元器件转化为热能，小部分以电磁波形式散出。因此，数据中心生产算力的本质应为输入电力能源，输出计算能力及废热，且几乎所有的电能都被转化为废热。由此数据中心的热回收应用场景应运而生，旨在合理利用数据中心产生的废热，实现能源的梯级利用。考虑到数据中心庞大的存量用电量及迅猛的增量趋势，余热回收目前存量及未来增量都潜能巨大。 图二：数据中心产生废热理论基础 3 浸没式液冷数据中心热回收白皮书 在国家层面，国务院发改委发出的《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》[7]特别提及推动数据中心采用余热回收利用等节能技术模式。同时，2021年国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》[8]表明应实施园区节能降碳工程，以高耗能高排放项目集聚度高的园区为重点，推动能源系统优化和梯级利用，打造一批国际先进水平的节能低碳园区。同时提及推动既有设施绿色升级改造，积极推广使用高效制冷、先进通风、余热利用、智能化用能控制等技术，提高设施能效水平。 在地方性文件方面，2021年1月21日北京市经信局发布的《北京市数据中心统筹发展实施方案（2021-2023年）》（征求意见稿）[9]中重点提到，鼓励数据中心进行热源利用。鼓励数据中心采用余热回收利用措施，为周边建筑提供热源，提高能源再利用效率。2022年5月16日北京市发展和改革委员会印发的“关于印发北京市低效数据中心综合治理工作方案的通知”[10]特别提到推动数据中心余热利用试点示范，促进数据中心余热接入城市大网或区域热力管网，征集适合数据中心的低温余热利用、冷热联供等余热利用相关技术，有序推进试点示范。 与此同时，江苏省发改委提出的《江苏省新型数据中心统筹发展实施意见》[11]、杭州市发改委提出的《关于数据中心建设有关事项的通知》[12]、重庆市经济和信息化委员会发出的《绿色数据中心评价指标体系》[13]等政府文件都特别提及了鼓励余热回收技术在数据中心行业的应用。 总体来看，不管是国家层面还是地方层面都开始对
