二氧化碳載冷制冷系統在數據中心的應用

劉永彬，林武雋，張 淵

（中國電信股份有限公司 北京分公司, 北京 100032）

0 引 言

隨著大數據、物聯網、云計算、人工智能、5G等技術的發展，大型數據中心（Internet Data Center，IDC）作為所有計算、存儲服務的載體，建設速度激增，運營規模也越來越大。近幾年，運營商大力建設高密度數據中心，為新增業務擴展原有數據中心規模，數據中心能耗問題已經越來越突出，高額的電費成本支出嚴重制約了IDC主機租賃等電信業務的發展。數據中心需要大量的電能來維持正常運營，根據公司相關數據統計，電費支出占網絡運營費用總支出的比例已超過40%，成為當之無愧的運營費用第一成本，降低能耗已成為各大數據中心運營公司降本增效、實現高質量發展的重要途徑[1]。

目前，我國一線城市對數據中心的建設、運營進行了一定的限制，北京地區對新建或改建數據中心的PUE值要求也在不斷提高，《北京市數據中心統籌發展實施方案》已明確要求，新建或改造后的數據中心，PUE值不應高于1.3，提升數據中心機房PUE水平成為各數據中心運營企業持續發展的必然途徑。

1 二氧化碳載冷制冷系統介紹

1.1 二氧化碳的性質及使用背景

二氧化碳沸點較低，無毒、不可燃、不易爆，可與各種潤滑油配合使用，黏度和密度較小，能夠減小流動阻力和系統管徑，使系統進一步小型化，節省機房面積。另外，二氧化碳的熱交換特性良好，能夠減少蒸發器、氣體冷卻器的換熱面積，使系統更加緊湊。最后，二氧化碳是大自然的組成成分之一，它的ODP為0，GWP為1[2]。然而，二氧化碳也具有一定的缺點，它的臨界溫度低（只有31 ℃）、冷凝壓力高（15 ℃時冷凝壓力為4.9 MPa，30 ℃時冷凝壓力為7.2 MPa），這也對采用二氧化碳作為制冷劑或載冷劑的設備提出了更高的制造及工藝要求。

在能源日益緊缺、環境問題愈加突出的今天，全社會都在尋求節能環保的可行方式。同時性能優良、價格低廉、運行穩定的新技術、新產品也在不斷涌現[3]。CO2具有無毒不可燃、高密度、低黏度等諸多特點。其流動損失小、傳熱效果良好，適合于作為載冷劑實現冷量的遠距離、高密度輸送。

1.2 系統原理

CO2載冷制冷系統屬于間接制冷系統，由制冷端和載冷端兩部分組成，制冷側仍用高效R134a或者環保型冷媒制冷劑，采用小型磁懸浮變頻離心式壓縮機制冷，經熱交換器后，由CO2代替常規的冷凍水或者氟利昂作為介質，經CO2泵供液進入數據機房內的CO2空氣冷卻器，液態CO2蒸發吸熱冷卻機房內空氣，由原空調風機向地板夾層送風對服務器進行高效冷卻。CO2載冷制冷系統原理如圖1所示。

圖1 CO2載冷制冷系統原理

CO2載冷制冷系統可在兩種模式下運行，分別是機械制冷模式和自然冷卻模式。機械制冷模式運行時，夏季氣溫高，無自然冷源可供使用，系統運行壓縮機制冷模式，蒸發式冷凝器為壓縮機提供冷凝，節流后的低溫液態R134a制冷劑將氣態CO2冷凝成液態，液態CO2經重力循環至機房換熱器內蒸發，吸收機房內的熱量后回到機組，完成制冷循環。磁懸浮壓縮機更適合小壓比運行，系統能源轉換效率（Cofficient Of Performance，COP）高于6.8以上。自然冷卻模式運行時，當環境溫度降低，機組進入自然冷卻制冷模式，氣態的R134a制冷劑通過蒸發式冷凝器實現冷凝，壓縮機停止運行。冷源系統僅有蒸發式冷凝器和氟泵等設備運行，系統COP高達15以上。

1.3 系統優勢

CO2載冷技術作為制冷行業最具發展潛力的新型技術之一，具有環保、可靠、安全、節能等特點，主要優勢如下：（1）水不進機房，安全性高；（2）采用蒸發式冷凝器以及CO2作為載冷劑，提高系統蒸發溫度（蒸發溫度為11℃,較原有系統6 ℃蒸發提高5℃）、同時降低冷凝溫度（冷凝溫度為35℃以下，較原有40℃冷凝降低5℃），大幅度降低制冷系統壓縮比（蒸發壓力為0.45 MPa，冷凝壓力為0.9 MPa，壓縮比僅為2），實現整體能耗的降低；（3）利用CO2蒸發潛熱大的特性，與現有冷凍水系統相比，輸送能耗大大降低；（4）利用CO2的相變潛熱換熱原理，其換熱性能好、熱響應時間短，送風溫度控制更為精準；（5）系統泵組、風機均采用變頻調速控制，降低在部分負荷時的泵耗；（6）根據室外溫濕度情況，系統可在過渡季節和冬季開啟自然冷卻模式，減少壓縮機能耗[4]。

CO2具有載冷量大、流動阻力小等特點，可大幅降低輸送設備的能耗。與傳統的冷凍水技術相比，CO2為相變傳熱，換熱溫差小，可有效提高機組的蒸發溫度，提升制冷效率。由于蒸發溫度的提高，延長了自然冷源的利用時間，可大幅降低系統能耗。

制冷循環采用磁懸浮變頻離心式壓縮機制冷，相比傳統的離心機組，磁懸浮軸承無任何接觸摩擦，無需潤滑油系統，換熱器內無油膜熱阻，提高了蒸發器、冷凝器的換熱效率。由于不需要考慮壓縮機的回油問題，管路系統更加簡單。機組冷凝端采用蒸發式冷凝器，排熱效率高、耗水量低。相比于傳統的冷凍水系統的冷卻塔，減小了冷卻水泵的揚程，可大幅降低冷卻水泵的功耗。

2 CO2載冷系統在北京電信某數據中心的應用

2.1 數據中心概況

本數據中心是北京電信的一個新建大型數據中心，位于北京亦莊開發區，工程占地面積12 758.52 m2，總建筑面積約8.5×104m2，分為地下3層和地上5層，主要由IDC機房和辦公區組成。一層至五層為數據中心機房，負一層為總配電室與數據中心機房，負二層為數據中心機房，負三層為冷凍機房、蓄冰池與數據中心機房。各層數據中心機房主要用于安裝數據設備，各層均有樓層配電室、UPS電力電池室、鋼瓶間等配套設備區域[5]。

該數據中心采用水冷機組與乙二醇冰蓄冷機組的雙重供冷組合，數據機房內采用冷凍水型地板下送風空調機組，室內回風經過精密空調熱轉換后，通過地板直接送入機柜底部和封閉冷通道內。

2.2 原空調系統能耗分析

現場維護人員通過對數據中心運行能耗數據的統計分析，整套冷凍水型空調系統能耗比例如圖2所示。

圖2 原空調系統各類設備能耗比例

從圖2可知，制冷主機、精密空調、水泵為主要的耗能設備，總占比達到了96%，分析其能耗較高的原因如下。

2.2.1 制冷主機

為保證機房環境冷量要求，送回水溫度設置低，回風溫度設置在25 ℃，導致制冷主機的蒸發溫度較低、壓縮機壓縮比大、功率高、能效低。

2.2.2 循環水泵

由于采用冷水作為換熱介質，水的熱容較小，且通過顯熱換熱，因此需要的流量大，在管道內的流動阻力大，使得水泵的能耗大。

2.2.3 精密空調

由于采用地板送風形式，送風距離遠、阻力大、風機功率高。為保證良好的氣流組織，房間內的絕大部分精密空調風機均需開啟運行，開啟數量多，風量遠大于服務器散熱需求。

2.3 二氧化碳載冷系統應用分析

2.3.1 系統現場安裝情況

經過綜合考量，在完全保留現有機房空調系統的基礎上，重新增加一套CO2載冷空調系統（以下簡稱“新系統”），原空調系統作為備份使用，平時開啟CO2載冷系統，提高機房制冷的可靠性。

新系統的CO2載冷模塊機組和蒸發式冷凝器將放置在屋頂，室內側在原有空調機的回風側設置CO2冷卻器，仍利用原有空調機的風機送風。由于CO2冷卻器盤管管徑較細，空氣側風阻較低，對空調機的送風風壓幾乎不造成影響。二氧化碳載冷系統現場設備如圖3所示。

圖3 二氧化碳載冷系統現場設備

2.3.2 系統實際應用節能效果

根據運行期間統計的數據，包含IT設備總負荷與空調風機功率、壓縮機的運行功率、蒸發冷凝器運行功率、冷媒泵運行功率，并對二氧化碳載冷系統不同工況下的數據進行記錄，得到系統的節能量統計結果如表1所示。

表1 CO2載冷系統節能量統計表

從表1可以看出，CO2載冷系統綜合優勢明顯，經濟效益顯著，平均PUE值為1.2，預計年度PUE值為1.22，節能率為47.08%，每年節電量約為6.0×105kW·h，減少CO2排放量600 t，節約了標準煤241 t。

成果價值方面，此系統采用的是CO2載冷制冷技術，也是國內首次應用于大型數據中心的節能技術，經過中國制冷協會的專家評估，該技術達到了國際領先水平。通過節能改造，機房空調系統能耗顯著降低，既為公司節約了大量運行成本，也為節能減排做出了貢獻，具有很好的推廣價值。

3 結 論

2020年12月18日閉幕的中央經濟工作會議中指出，做好“碳達峰”“碳中和”工作是2021年要抓好的8大重點任務之一。這是“碳達峰”和“碳中和”首次出現在中央經濟會議的重點任務中，各級政府部門正在制定計劃和路線圖，將“碳減排”和“碳中和”落實到具體行動。北京公司也盡快啟動了“碳中和”規劃，推動和踐行相關舉措。

本案例屬于二氧化碳載冷系統在我國大型數據中心的首次應用，二氧化碳載冷系統充分利用制冷側壓縮比小、能效高、載冷側壓損小、載冷量大的優勢，同時可以有效利用自然冷卻，應用于數據中心可實現制冷系統整體能耗的大幅度降低。

在響應國家節能減排政策的號召下，同時為公司節約運行成本，提升數據中心機房PUE水平已成為公司降本增效的重要手段，此案例對于我們探索資源節約型、環境友好型的制冷新技術和實現電費壓降、推進降本增效的重點工作具有較好的示范效應。