《国家信息化领域节能降碳技术应用指南与案例（2024年版）》之一：数据中心节能降碳技术（高效冷却技术）

《国家信息化领域节能降碳技术应用指南与案例（2024年版）》之一：数据中心节能降碳技术（高效冷却技术） （一）间接蒸发冷却制取冷水技术 1.技术适用范围 适用于数据中心冷却系统。 2.技术原理及工艺 该技术以内冷式间接蒸发冷却器为核心，利用水蒸发吸热效应通过热交换制取冷水。制取冷水过程中蒸发过程与所制取冷水无直接物理接触，无机械制冷参与，所制取冷水出水温度可低于环境空气湿球温度2~3℃。间接蒸发冷却冷水机组工作原理如图1所示。 图1间接蒸发冷却冷水机组工作原理图 3.技术功能特性及指标 采用外冷式、内冷式间接蒸发冷却器相结合的方式预冷进入 填料塔的工作空气，可降低机组出水温度。 （1）性能系数（COP）≥15； （2）节电35%以上，节水50%以上； （3）全年电能利用效率（PUE）≤1.1。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为新疆华奕新能源科技股份有限公司，应用单位为北京电信瀛海数据中心。该数据中心地面主体建筑共5层， 约24个机房模块，原空调系统采用离心式冷水机组+房间级冷冻水精密空调末端的形式给机房内服务器降温，主要耗能种类为电，IT设备运行总负荷约3150千瓦。 （2）主要技术改造内容： 在屋面设置10台制冷量为350千瓦的间接蒸发冷却冷水机组，当蒸发冷却冷水机组与原有机械制冷系统复合运行时，可有效提高压缩机能效比。项目改造周期为6个月。 （3）节能降碳效果及投资回收期： 项目年节电量为652万千瓦时，节能率为42%，折合年节约标准煤2021.2吨，减少二氧化碳排放5376.4吨。投资额为1220 万元，投资回收期为2.5年。 （二）基于间接蒸发冷水机组的综合冷源技术 1.技术适用范围 适用于数据中心冷却系统。 2.技术原理及工艺 该技术通过水循环回路工艺设计，将间接蒸发冷水机和压缩式冷水机组合成综合制冷系统，实现冬季间接蒸发冷水机组在北方寒冷地区数据中心安全运行。通过采用机组群控、系统自控等技术自动切换运行模式。工艺路线如图2所示。 图2间接蒸发冷水机组为冷源的数据中心空调系统工艺路线图 3.技术功能特性及指标 将间接蒸发冷水机和压缩式冷水机组合成综合制冷系统，充 分利用室外干空气或低温空气降低能耗。 （1）性能系数（COP）≥20； （2）冬季有防冻保护措施，极端低温也可正常运行； （3）与传统机械制冷空调相比，能耗降低20%以上。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为新疆绿色使者空气环境技术有限公司，应用单位为中国电信新疆分公司云基地3号楼数据中心。该数据中心共有14个机房，3015台机柜，主要耗能种类为电，空调总负荷约为16700千瓦。 （2）主要技术改造内容： 采用55台循环水量为50吨/小时的间接蒸发冷水机组，其中44台主用，11台备用，机组全部布置在屋面；4台蓄冷罐，分别为2台100立方米、2台150立方米蓄冷罐。项目改造周期为1年。 （3）节能降碳效果及投资回收期：项目与常规风冷冷水机组相比，每年每台机组节电量为32.35万千瓦，年节约总电量约 1423.4万千瓦时，折合年节约标准煤4412.5吨，减少二氧化碳排 放1.2万吨。投资额为1716万元，投资回收期为4.3年。 （三）全自然冷却冷源液冷温控技术 1.技术适用范围 适用于数据中心冷却系统。 2.技术原理及工艺 该技术采用热管散热和水冷散热技术，在高热流密度场景下，通过液冷内外循环系统将电子芯片产生的热量传递至冷却塔散热，无须配置机械制冷设备，实现对电子芯片的温度控制。其技术路线如图3所示。 图3液冷温控整体解决方案技术路线图 3.技术功能特性及指标 换热部分采用上喷淋式结构设计，充分利用自然冷源，提高了湿工况条件下的换热效率。 （1）单机柜设计功率≥75千瓦； （2）制冷负载系数（CLF）<0.06（南方地区）。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为广东申菱环境系统股份有限公司，应用单位为中国移动南方基地液冷试验局。项目共建设机柜14架，单机 柜功率6千瓦，单业务机架装机15台服务器，最大装机容量210台服务器，该数据中心需在高热高湿环境下运行，主要耗能种类为电。 （2）主要技术改造内容： 建设45千瓦液/气双通道制冷系统2套进行液冷温控换热技术验证、测试分析，具体包括液冷一次侧（冷却塔、冷却循环泵、冷却循环官网）、液冷温控系统、二次侧输送管网、液冷分配单元、液冷机柜。项目建设周期为90天。 （3）节能降碳效果及投资回收期： 该项目电能利用效率（PUE）可低于1.15，年节电量58.9万千瓦时，折合年节约标准煤182.6吨，减少二氧化碳排放485.7 吨。投资额为200万元，投资回收期为2.2年。 （四）全直流变频氟泵空调技术 1.技术适用范围 适用于数据中心冷却系统。 2.技术原理及工艺 该技术采用全变频架构，根据机房负载变化和室外环境温度进行系统寻优，自动调整压缩机、室内风机、室外风机等转速与电子膨胀阀的开度。在室外环境温度较低时，由氟泵驱动实现自然冷却循环，无须压缩机运行。机组架构如图4所示。 图4全直流变频氟泵空调室内机组架构图 3.技术功能特性及指标 通过压缩机、风机、膨胀阀的优化设计和精确控制，可实现机组低至10%负载时连续稳定除湿。 （1）全年能效比（AEER）10.90（75%负荷）； （2）北方地区100%负荷下全年能效比（AEER）6.16； （3）北方地区75%负荷下全年能效比（AEER）10.90； （4）北方地区50%负荷下全年能效比（AEER）16.57。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为华为数字能源技术有限公司，应用单位为华为云乌兰察布数据中心。该项目为新建项目，总共建设1500个IT机柜，主要耗能种类为电。 （2）主要技术改造内容： 制冷系统采用全变频架构的60台高效制冷变频氟泵空调，在室外环境温度较低时，由氟泵驱动实现自然冷却循环，无须压缩机运行。项目实施周期为3个月。 （3）节能降碳效果及投资回收期：项目全年能效比（AEER）为10.9，年节电量405.1万千瓦时，折合年节约标准煤1255.8吨， 减少二氧化碳排放3340.4吨。投资额为1215万元，投资回收期 为5年。 （五）全变频三驱相变制冷技术 1.技术适用范围 适用于数据中心冷却系统。 2.技术原理及工艺 该技术使用相变工质，通过压缩机、气泵、液泵三种驱动模式实现相变冷却循环。结合全变频智能控制策略，在过渡季节运行气泵驱动模式，低温季节运行液泵驱动模式，高温季节运行压缩机驱动模式。技术原理如图5所示。 图5全变频三驱相变制冷技术原理图 3.技术功能特性及指标 通过采用智能寻优控制策略，缩短压缩机运行时长，延长自然冷源利用时间，降低能耗。 （1）全年能效比（AEER）＞16.5； （2）噪声＜54dBA。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为中国移动通信集团设计院有限公司，应用单位为湖北移动楚平路数据中心。该项目一期总共可装机架为414 架，二期改造可装机架736架，园区形成1150架总装机能力，主要耗能种类为电。 （2）主要技术改造内容： 应用全变频三驱相变温控技术空调对二期冷却系统进行改造，结合全变频智能控制策略，分季节进行使用。项目改造周期为24天。 （3）节能降碳效果及投资回收期： 项目空调系统节能率39.5%，年节电量为75.6万千瓦时，折合年节约标准煤234.4吨，减少二氧化碳排放623.5吨。投资额 为421.7万元，投资回收期为9个月。 10 （六）气体增压型氟泵空调技术 1.技术适用范围 适用于数据中心冷却系统。 2.技术原理及工艺 该技术采用氟泵和压缩机串联设计，通过低压缩比变频压缩机与智能算法软件控制相结合，可在同一系统中实现压缩机模式、气体增压模式、氟泵模式三种模式自动切换运行。系统结构如图6所示。 图6气体增压型氟泵空调技术结构图 3.技术功能特性及指标 通过采用低压缩比变频压缩机，结合双变频技术（变频压缩机+变频氟泵），实现全年能效比（AEER）显著提升。 全年能效比（AEER）≤13.59。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为广东海悟科技有限公司，应用单位为中国联通天津华苑数据中心。改造前数据中心采用14台100千瓦定频 风冷空调进行制冷，主要耗能种类为电，每小时用电量为149千瓦时。改造目标是充分利用自然冷源，降低机房空调耗电量。 （2）主要技术改造内容： 采用14台100千瓦氟泵空调系统进行改造，通过低压缩比变频压缩机与智能算法软件控制实现三种模式自动切换运行，降低综合能耗。项目改造周期2个月。 （3）节能降碳效果及投资回收期： 项目可实现年节电量76.8万千瓦时，折合年节约标准煤238.1 吨，减少二氧化碳排放633.3吨。投资额为168万元，投资回收 期为2.19年。 （七）基于磁电协合波的冷却水管路防结垢技术 1.技术适用范围 适用于数据中心循环冷却水系统。 2.技术原理及工艺 该技术将一种超低频率时变电磁波与离子电流脉冲波融合形成磁电协合波，激励钢铁表面形成致密的四氧化三铁（Fe3O4）磁铁钝化层，促使碳酸钙过饱和以无附着性微细文石粉末析出，防止设备及管路结垢、腐蚀及微生物滋生。工艺流程如图7所示。 图7基于磁电协合波的冷却水管路防结垢工艺流程图 3.技术功能特性及指标 通过磁电协合波，控垢、除垢效果优于传统化学法处理，有 效提升换热效率。 （1）可避免换热器冷却水侧生成新碳酸钙硬垢，提高散热效率； （2）循环水中总铁（Fe）浓度≤1.0mg/L； （3）循环水中异养菌总数≤1.0×104CFU/mL。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为上海源自达环境技术有限公司，应用单位为唐镇数据中心循环冷却水处理改造项目。该数据中心额定总功率984千瓦，中央空调总制冷量为1950冷吨，主要耗能种类为电， 冷却水总循环量1410立方米/小时。 （2）主要技术改造内容： 安装磁电协合波系统，配套发射器及激励装置的挂靠、ABS自动排放阀组及电导率监控系统。项目改造周期为2周。 （3）节能降碳效果及投资回收期： 项目每小时节电量为23.6千瓦时，以每年运行10个月计算， 年节电量为17.0万千瓦时，折合年节约标准煤52.7吨，减少二 氧化碳排放140.2吨。投资额为85万元，投资回收期为2年。 （八）磁/气悬浮压缩机及氟泵双擎驱动多联热管空调技术 1.技术适用范围 适用于数据中心冷却系统。 2.技术原理及工艺 该技术综合采用多联热管、磁/气悬浮无油压缩机和氟泵技术，室外侧可根据气候类型选择蒸发冷或风冷冷凝器，室内侧可选背板末端、列间末端、房级末端、风墙末端等多种形式。液态制冷剂在室内末端吸热蒸发为气态，气态制冷剂在室外冷凝器冷凝成液态，液态制冷剂在氟泵作用下送回室内末端完成制冷循环，系统可智能切换压缩机、液泵驱动模式。系统架构如图8所示。 图8蒸发冷/风冷式无油热管相变多联冷源系统架构图 3.技术功能特性及指标 采用相变制冷剂作为载冷介质，利用无油悬浮式压缩机及变频冷媒泵，降低运行能耗。 （1）制冷量覆盖范围50～550kW； （2）全年能效比（AEER）≥8。 4.应用案例 （1）项目基本情况： 技术提供单位为深圳市艾特网能技术有限公司，应用单位为坪山荔景通讯网络5G技术应用及测试研发中心。该项目为新建项目。数据中心共6层，总建筑面积约14264平方米，数据中心 拥有机柜1506个，单机柜功率8千瓦，可部署服务器33000台，主要耗能种类为电。 （2）主要技术改造内容： 该项目共采用71套制冷量为240kW无油热管相变多联冷源系统，室内末端采用热管列间空调568台，室内末端送/回风温度25/37摄氏度。项目建设周期为3个月。 （3）节能降碳效果及投资回收期： 项目全年能效比（AEER）为