当前位置：
二氧化碳载冷技术在数据中心的探索与应用
摘要：随着数字经济的快速发展，作为数字经济的“底座”，数据中心承担着越来越多计算量的同时，能源消耗也在逐年上升。近些年，在国家“碳达峰、碳中和”的战略目标背景下，数据中心应坚持走绿色低碳的发展道路。为了探索数据中心低碳节能发展路径，本文以中国体育彩票亦庄数据中心节能改造实践为例，阐述了二氧化碳载冷技术在数据中心的探索与落地应用，从建设、运行、节能多个维度总结分析，为数据中心节能低碳技术的应用提供了参考。
关键词：CO2载冷；二氧化碳载冷制冷系统；绿色；节能
一、引言
近两年，随着数字经济的发展，数据中心作为支撑数字经济发展的重要基础设施，建设体量和建设规模不断扩大。与此同时，算力助推全球数字经济发展的生产力作用更加凸显，算力需求的增长，带来了数据中心能耗总量也在不断增长。
根据国家“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的战略目标，数据中心作为占社会总用电量的比例持续增长的行业，向着更加绿色低碳的方向发展已经成为社会共识。国家及地区层面先后发布了众多政策引领数据中心向绿色化发展。2022年工业和信息化部、发展改革委等七部门联合发布《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022-2025年）》提出“加强数据中心统筹布局，推动基站主设备及配套设备设施节能技术运用推广”。2023年北京市发展和改革委员会修订印发了《关于进一步加强数据中心项目节能审查的若干规定》中提出“数据中心应当充分利用自然冷源，通过自用、对外供热等方式加强余热资源利用，鼓励数据中心余热与周边既有热源耦合利用，鼓励采用以二氧化碳等自然工质为介质的制冷设备”。从政策的发布上可以看出，国家鼓励数据中心推广应用节能技术，并鼓励采用以二氧化碳工质为介质的制冷设备，为数据中心绿色低碳发展提供了新的指引。
二、二氧化碳制冷技术的发展
1. 发展概况
CO2（R744）是在19世纪60年代研究成功的一种制冷剂，CO2制冷剂早期主要用于制冰系统，大多应用在大型冷库。19世纪90年代美国开始将CO2应用于制冷，1919年CO2制冷压缩机被广泛应用在舒适性空调中，先后应用在教堂、办公室系统中，1930年CO2制冷在住宅的空调系统中得到使用，后来又被用于各种商业建筑和公共设施空调制冷系统，且全球范围内有80%的船舶采用CO2制冷机，CO2制冷技术曾经达到了很辉煌的程度。
1931年以R12为代表的CFCs制冷剂一经开发，便以其无毒、不可燃、不爆炸、无刺激性、适中的压力和较高的制冷效率，很快取代了CO2在安全制冷剂方面的位置，CO2逐渐不再被作为制冷剂使用。
由于CFCs类工质会破坏臭氧层并对大气变暖产生不利影响，1985年至1993年期间，随着国际上对于全球气候环境变化的关注，逐步淘汰消耗臭氧层物质，采用自然工质作为制冷剂成为国际共识。前国际制冷学会主席，挪威的 GLorentzen在1989至1994年大力提倡使用自然工质，特别是对于CO2的研究与推广应用上起了很好的带头作用。因此，CO2制冷剂又一次成为在全球范围内受重视的制冷剂。
随着国内外对于CO2制冷的技术的深入研究，解决了其应用的一系列问题，就目前发展现状而言，CO2可以应用于制冷系统的大部分领域，主要应用包括大中型超市制冷系统、大中型冷藏库、汽车空调、热泵式热水器等。
2. 性能分析
CO2工质的标准沸点-78.2℃，凝固温度-56.55℃，临界压力7.372Mpa，临界温度31.1℃。0℃时的容积制冷量5398Kcal/m3，ODP=0（臭氧层潜能值为0），GWP=1（全球气候变暖潜能值为1），具有化学性质稳定、高密度、粘度低、流动性好、载冷量大、换热效果好等优点。
CO2具有较大的潜热和较高的相转换热，因此，在制冷设备的设计上可以采用较小的管径和换热器，在改善主制冷回路的汽化温度的同时，又能使系统效率得到提高。此外，设备管路尺寸变小，能降低主冷回路制冷剂的充注量，同时安装更加方便。但考虑到以CO2为制冷剂的制冷设备存在压力比小、排气压力高的问题，在应用上需要密切关注系统运行压力。
同时CO2工质具有无毒、无臭、无污染、不燃、不爆的优点，且来源广泛、价格低廉。综合分析，从介质特性、技术安全性和经济性等方面比较，CO2作为制冷剂的使用价值在国际上得到广泛的认可。
目前CO2制冷技术在数据中心行业应用较少，但是结合CO2在其他行业的实践，在数据中心制冷方面引入CO2制冷技术具有值得探索及尝试的空间。
二、二氧化碳载冷技术在数据中心的探索与应用
中国体育彩票亦庄数据中心（以下简称：体彩亦庄数据中心）在自身建设应用过程中，积极响应国家政策指引，主动承担社会责任，探索节能技术应用，先后针对性地部署多种措施推进数据中心绿色发展，提升数据中心绿色水平。在自身节能改造项目调研过程中，了解到CO2作为载冷剂的应用前景，计划探索将CO2作为载冷剂应用于数据中心机房制冷系统。
1. 设计过程
在前期设计阶段，我司对二氧化碳载冷制冷系统的发展与性能进行了充分的调研，并与第三方研讨论证该系统在数据中心的落地应用。经过实地踏勘与交流，第三方初步计划将该系统室外机组布置于数据中心屋面钢结构基础上，主要布置包括CO2储液罐、R134a储液罐、热交换器、CO2蒸发冷凝器、R134a蒸发冷凝器等室外机组设备，设计最高点距屋面约15米，总运行重量约30吨，在设备周围部署钢结构检修平台，整体占地面积约100平方米。
在设计优化过程中，考虑到室外机组总运行重量较大，经第三方结构评估超出拟部署区域最大荷载范围，通过分析及论证，通过减少检修平台面积及优化平台材质两项措施，将室外机组重量降低至23吨。同时，在室外机组周围部署检测模块，检测设备运行过程中存在的沉降、倾斜、振动等风险，通过接入基础设施环境监控系统，实时检测、快速识别、及时预警，最大限度的满足了设备运行过程中的建筑结构安全。
考虑到在屋面安装室外机组后，该设备将成为周边建筑物最高点，在雷雨天气时，增加了雷击的风险，通过降低室外机组基础结构高度，及安装避雷针等保护措施，有效降低运行风险。
通过对该系统室外机组结构的设计优化，满足了数据中心建筑结构的部署要求，形成了最终的设计方案。
与此同时，考虑到在该系统运行过程中存在CO2气体泄漏风险，在数据中心室内机组及管道井安装CO2气体检测装置并接入动环监控系统，当空气中CO2浓度达到预警值时，可实现自动声光报警，提高数据中心运行环境的安全性。
2. 设计架构及原理
（1）系统架构
本项目设计的二氧化碳载冷制冷系统由三大模块组成，包括室内换热模块、机械制冷模块、自然冷却模块，见图1。主要部件包括：列间蒸发器、风冷磁悬浮机组、R134a蒸发式冷凝器、节流装置、换热器、储液器、冷媒屏蔽泵、CO2自然冷冷却器、供水泵等设备。
室内换热模块由列间蒸发器、EC风机、控制单元模块组成；机械制冷模块由风冷磁悬浮机组制冷、R134a蒸发式冷凝器冷凝、供水泵组成；自然冷却模块由蒸发式CO2自然冷凝器、供水泵组成，在低温季节利用自然冷源提供免费冷量。
图1 二氧化碳制冷载冷系统图
（2）工作原理
该系统分为CO2载冷侧和R134a制冷侧两部分，两部分通过热交换器的形式进行热传递，具体工作原理如下：
在制冷侧，高温高压的制冷剂（R134a）气体进入蒸发式冷凝器，通过喷淋水蒸发后的潜热将热量带走，使高温高压的制冷剂蒸汽冷凝成液体。从蒸发冷排出的制冷剂液体进入储液器，经过膨胀装置节流后的低温液态制冷剂进入热交换蒸发器，在蒸发器中与载冷剂（CO2）进行热交换，液态的制冷剂吸热蒸发后回至压缩机，经过压缩机压缩成为高温高压蒸汽，重新开始一个制冷循环。
在载冷侧，气态的载冷剂（CO2）与液态的制冷剂（R134a）进行热交换后，气态的CO2冷凝为液态CO2，液态CO2通过泵送或重力供液进入数据机房内的CO2空气冷却器，液态CO2蒸发吸热，将机房内循环空气降温，进而实现服务器等通信设备的高效冷却，室内热量通过热交换最终传递至蒸发式冷凝器排放到室外。
3. 设计方案
考虑到数据中心首次应用CO2载冷技术，本项目设计两个机房模块制冷采用一套二氧化碳载冷制冷系统和一套普通风冷系统组成双冷源制冷系统，主冷源为CO2载冷机组（设计制冷量800kW），备用冷源为普通风冷机组，通过切换逻辑可实现主冷源机组故障或制冷效果不足时，备用冷源机组自动接入，满足机房持续制冷需求。同时，机房模块设计冷通道封闭，制冷机组采用列间空调，使制冷更贴近热源，提高制冷效率。
二氧化碳载冷制冷系统设计了机械制冷、自然冷却、混合制冷三种运行模式，通过三种模式的灵活切换，可大幅度降低机组的运行功耗，提升系统整机能效。
在夏季室外温度较高时，采用机械制冷模式，压缩机启动，驱动R134a经热交换器与CO2进行热交换，将机房热量换至室外。
在冬季或春秋过渡季节环境温度较低时，室外环境湿球温度小于8℃时，采用完全自然冷却模式，CO2经蒸发式自然冷凝器进行换热，利用免费冷源完成冷凝，将机房热量换至室外。
在过渡季节，当室外环境温度比较低，但依靠自然冷源又不满足机房全部散热需求时，开启混合制冷模式。在混合制冷模式下，以自然冷却为主提供冷量，由变频压缩机机械制冷来补充冷量，与自然冷源形成无缝衔接，实现自然冷源的最大程度利用。
图2 体彩亦庄数据中心CO2载冷制冷系统室外机组
4. 应用效果
（1）测试效果
在二氧化碳载冷制冷系统安装调试完成后，为了验证实际运行效果，由第三方测试单位进行假负载验证测试，按实际总制冷量测试（800kW），测试时间为当年十月下旬，选取温差较大的两个时间段，测试该系统在3种不同负载率下的制冷效率，进一步了解该系统的制冷效果。
白天最高温度时，测试该系统的机械制冷效率，具体结果如下：在25%负荷时，该系统的COP≥5.5；在50%负荷时，该系统的COP≥8；加载至75%负荷时，该系统的COP≥10。
夜间最低温度时，测试该系统的自然冷却效率，具体结果如下：在25%负荷时，该系统的COP≥8；在50%负荷时，该系统的COP≥10；加载至75%负荷时，该系统的COP≥16。
从测试数据分析，在机械制冷模式下，该系统制冷效率随着负载率的上升而提高，在高负载率下，该系统制冷效果更加明显；在自然冷却模式下，该系统可充分利用自然冷源，相较机械制冷模式，制冷效率明显。
（2）应用效果
参考项目所在地2022年全年各级干球温度频数图，预估二氧化碳载冷制冷系统采用完全自然冷源模式运行时长约3042小时、混合模式运行时长约2608小时、机械制冷模式运行时长约3110小时，参考图3。
图3 2022年全年各级干球温度频数
本项目两个模块采用传统风冷列间制冷系统，另外两个模块采用CO2载冷列间制冷系统，结合当前机房模块的实际运行负荷情况，选取两个运行负载容量及空调配置相同的机房模块，对传统风冷空调和CO2载冷空调的实际耗能情况进行对比与分析。所对比的数据来源于数据中心动环监控平台，数据采集周期为1年（2022年11月-2023年10月），其中传统空调的总能耗约为390811 kW·h，CO2载冷空调的总能耗约为139329 kW·h，从对比数据可以看出，CO2载冷空调对比传统空调的节能效果很显著。参考图4，该系统实际全年利用自然冷源时间超3600小时，且系统能耗远低于传统空调。
图4 传统空调与CO2载冷空调能耗对比
通过统计分析，CO2载冷空调相比于传统空调，年节电量约为251482 kW·h，按平均每度电1元计算，每年约节省25万元；依据电力折标煤系数取0.1229千克标准煤/千瓦小时，每年节电量约30.91吨标准煤；每年二氧化碳减排量约151.9吨，依据电力排放因子（每度电排放二氧化碳气体的量）目前采用0.604tCO2/MWh。根据上述能耗数据对比，如按设备10年的生命周期计算，相比于传统空调，CO2载冷空调总节电量约2514820 kW·h，节能效果显著。
5. 运行管理
由于二氧化碳载冷制冷系统中CO2工质的特殊性，该系统隶属于特种设备，我司在实际运行过程中重点关注了CO2工作压力高、气体泄漏、机组故障等运行风险，制定了相应的管理策略。
在运行维护方面，制定年度维护计划，安排值班团队7×24小时远程监控，定时现场巡视，实时关注系统的运行状态。同时，安排厂商每月进行预防性维护，每半年进行过滤网更换及室外机组水槽除垢清洁，每年10月份对系统的自然冷却功能进行切换测试。通过制定一系列的维护计划，提前排除运行隐患，确保系统安全稳定运行。
在应急管理方面，按应急场景有针对性的制定应急预案，定期开展应急演练，锻炼基础设施团队在应对突发故障时的联合响应、解决能力，保障业务恢复的及时性，满足生产业务的连续性需求。
在人员组织方面，按照《特种设备安全监察条例》的要求严格执行，并安排运维人员参加压力容器培训，考取特种设备人员作业证《快开门式压力容器操作R1》，确保每班组至少具备2人持证，满足日常运维工作需求，提高了操作安全及故障处理能力。
通过针对性制定运行管理措施并有效执行，二氧化碳载冷制冷系统的运行风险有效降低，自建设投入运行至今，系统运行稳定，故障率低，未发生过安全事故，持续满足了数据中心的制冷需求。
四、总结
本文结合体彩亦庄数据中心实际应用，详细介绍了CO2载冷技术在数据中心的探索和应用，通过对比分析，CO2载冷技术在降低数据中心能源消耗方面具有显著优势。目前，数据中心采用CO2载冷技术应用较少，但CO2作为一种天然制冷剂，替代传统制冷剂的应用领域正在不断扩大。体彩数据中心节能改造引入二氧化碳载冷制冷系统并成功落地，总结该项技术应用在数据中心的建设及运维经验，为数据中心应用探索节能技术提供了一定的借鉴。
未来，在国家推动实现“双碳”目标和国家对数据中心绿色低碳发展要求提高的背景下，作为支撑数字经济高速发展的底座，数据中心的绿色发展已成为趋势，面临愈加严峻的挑战，这需要行业内外共同发力，探索更多节能降碳方案的实施和绿色节能技术的应用的可能性，持续推动数据中心各个环节的绿色低碳发展。
作者简介：
王天明，现任中体彩科技发展有限公司高级基础设施工程师，15年数据中心运行管理及规划建设经验。
李展，现任中体彩科技发展有限公司高级基础设施工程师，15年数据中心运行管理及规划建设经验。
张冬雪，现任中体彩科技发展有限公司基础设施工程师，3年数据中心运行管理及运维体系建设经验。会成立于1994年，是国内成立最早的数据中心行业机构。欢迎行业同仁关注。
本文来源于《中国优秀数据中心》2024年第1期，转载请联系秘书处。
