刚刚过去的2021年是“十四五”规划开局之年,数字经济发展“提速”,作为数字产业底层支撑的数据中心自然也迎来发展的黄金时期。去年,国家层面出台了包含《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》在内的多份政策性文件,促进数据中心行业有序发展。

数据中心在支撑数字经济快速发展的同时,不可忽略的是——数据中心是高载能行业。在“双碳”战略目标的引导、要求下,数据中心的节能减排,势在必行。

节水

数据中心要节约的不仅是“碳”

现阶段提到数据中心节能减排,很多人都会更多地关注数据中心如何“减碳”,即数据中心碳中和,而对于数据中心行业来说,其用水量之大也是不能不关注的问题。在行业更多关注PUE的同时,数据中心WUE(水资源利用效率,详见“阅读辅助”)却鲜少问津。

据统计,地球上的水大约96.5%都是海水,淡水只有3500万立方千米左右,且这些淡水中很大一部分储存在常年不化的冰川或者高山上的冰冠里,能够被人们直接取用的淡水资源就存在于陆地上的淡水湖和河流中,而这些水量只占全球总水量的1%。

以我国为例,我国水资源总量虽位列全球第六位,但因人口基数大,人均水资源占有量仅有2500立方米,约为世界人均水量的1/4,在世界排名第110位,已经被联合国列为13个贫水国家之一。

数据中心运行对水资源的需求旺盛,而数据中心内部署的精密设备又决定了用水只能使用淡水。据统计,数据中心若采用水冷却空调,一座数据中心每天就要用掉数以百万加仑(1加仑约合3.8升)计的水,用来冷却因运转而发热的设备。日常运行中的冷却水补水消耗量大约占数据中心总用水量的95%以上。如此大的体量,对于建设在水资源相对匮乏地区(如沙漠)的数据中心来说,对该地区的水资源利用率无异于“雪上加霜”。

作为数字经济重要支撑的数据中心,如果可以有效的降低WUE,也必将为构建节水型社会贡献一份不可或缺的力量。

不仅于此,大量的冷却水补水在数据中心运营成本中的占比也十分庞大,如果可以减少用水量,对降低数据中心运营成本来说,也起到了助推的作用。而数据中心WUE的降低也以“数值”的形式,体现了一家数据中心企业的社会责任。

政策引导

随着IDC产业的发展, IDC服务商在关注自身数据中心的PUE的同时,应给予WUE更多的关注。与此同时,在相应政策的推动下,数据中心节水进程也在逐步推进。

以点看面,去年10月,内蒙古乌兰察布市集宁区人民政府就出台了《关于禁止集宁区大数据企业使用地下水冷却降温的通知》(简称《通知》)。《通知》决定,“辖区内大数据企业一律禁止使用地下水冷却降温。”

同时,《通知》指出,科技和大数据管理局要督促辖区内使用地下水冷却的大数据企业按照巡视组反馈要求制定使用风冷或置换水源计划及实施方案,且大数据企业要尽快完成技术改造,编制水资源论证报告书,按照相关规定申办中水取水许可手续。

除此之外,去年11月与今年1月发改委联合各相关部委相继印发了《“十四五”节水型社会建设规划》与《“十四五”水安全保障规划》,两份文件都均指出,要坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路。

现有及未来将要发布政策,将进一步引导、规范、督促数据中心节水的落实情况,推进数据中心降低WUE。

技术驱动

在政策的引导下,IDC产业上下游企业都将节水“提上日程”,以技术驱动数据中心节水进程。下面我们就来盘点一下现阶段数据中心节水的途径都有哪些。

利用循环水

冷却层面的用水是数据中心主要用水领域,冷却水排污也自然成了数据中心主要废水来源,直接排放不但浪费了水资源,还有可能对环境造成污染,基于此,循环利用冷却水成为数据中心节水、保护环境的重要举措之一。

循环水排污水质与循环水系统运行水质基本相同,需要去除的污染物主要有金属离子、酸根离子、胶体、悬浮物、细菌/微生物等,且PH值呈弱碱性。

针对上述污水情况,通常采用的循环水排污回收装置的主要工艺流程为:絮凝沉淀阶段—初滤阶段—反渗透及出水阶段。这是现阶段各行业比较常见的循环水排污回收装置,不过该系统的应用成本较高,运维较难,这也成为现阶段数据中心循环水利用的一大阻碍,也成为未来数据中心节水技术的重要突破口之一。

浸没式液冷

近年来,随着液冷技术的不断成熟,越来越多的数据中心应用该技术帮助数据中心降温。现阶段,数据中心应用液冷主要分为两种——浸没式液冷和冷板式液冷。

浸没式液冷将数据中心内产热最多的服务器“浸泡”在特殊的绝缘冷却液中,可以大大降低数据中心PUE值。与此同时,冷却液的应用,替代了传统的机房空调,甚至不需要蓄冷罐的支持,从源头大幅降低了数据中心用水。

浸没式液冷现阶段在国内比较成功的案例当属阿里巴巴浙江云计算仁和数据中心,该数据中心采用全浸没式液冷技术,在大幅降低PUE的同时,也降低了数据中心WUE。

放眼国际,对于建设在沙漠中的数据中心而言,缺水更是一个大问题。微软在沙漠地区建设的数据中心,为了使其在炎热和干燥的气候中的水足迹降至零,微软计划采用一种新的方式来冷却服务器——将它们浸泡在基于碳氟化合物的液体中。当服务器工作时,它们产生的热量使液体在达到华氏122度(摄氏50度)时沸腾。沸腾的液体逐步转化为蒸汽。蒸汽的蒸发将热量从服务器上带走,蒸汽碰到冷却水箱的盖子凝结后降回水箱中,创造了一个闭环冷却系统,减少了水和电的使用,同时得到了冷却效果。

不过目前浸没式液冷大规模应用还面临着诸多问题。采用浸没式液冷的数据中心,从服务器、机架,到供配电等设备均需要特殊定制化,这就加大了数据中心前期建设周期及成本。与此同时,将服务器“泡”在冷却液中也提升了运维难度,增加了后期的运维成本。

笔者相信,随着液冷技术的不断成熟,标准化的普及,浸没式液冷将成为数据中心主要供冷方式之一,为数据中心PUE、WUE的“双降”贡献力量。

水下数据中心

相较于在数据中心内应用液冷的模式,有部分IDC服务商选择探索直接将数据中心建设在水下的可能性,这为沿海地区的城市在建设数据中心的时候提供了些许参考。

现阶段,选择在水下建设数据中心的厂商主要有两家。从国内看,海兰信是国内“第一个吃螃蟹的人”

2020年11月海兰信UDC测试样机在珠海下水测试;

2021年1月海兰信公布阶段性测试成果,获得了成功的可行性验证;

2021年5月,海兰信与海南电信合作开展第二阶段测试,整备后的UDC样机内承载了海南电信的实际数据业务,第二阶段测试邀请了中国信通院云大所全程跟踪,测试结果达到预期。

海兰信在2021年迈出了我国水下数据中心从“0”到“1”的关键一步。

放眼国际,微软早在2015年就布局水下数据中心。水下数据中心的部署,利用海水带走数据中心内部服务器工作产生的热量,在大幅降低数据中心PUE的同时,也同时降低了数据中心WUE。

虽说把数据中心建在水下是实现数据中心碳中和及节水的可行路径之一,但现阶段需要面对的问题还有很多。其中运维是很关键的一个问题,因为建设在水下,提升了运维的成本及难度。

不过,随着数据中心数字化转型进程的推进,智能化运维的普及,无人值守、完全自动化的数据中心的应用落地,水下数据中心将成为未来数据中心降低能耗、节能减排的可行路径之一。

其他节水技术应用

除去上述相对来说比较“小众”的数据中心节水的可行路径外,现阶段已有大量节水技术在数据中心中应用。

同样以微软为例,其在2021年11月宣布在瑞典建设新的数据中心,并提出,到2030年,微软将实现水正值,数据中心内的服务器将全年采用外部空气冷却。此外,该数据中心将应用收集雨水装置,主要用于加湿,并支持现场数据中心设施,在降低数据中心PUE的同时,进一步降低数据中心WUE。

无独有偶,Facebook的Prineville数据中心采用了直接蒸发制冷系统。该系统没有耗电量大的机械制冷设备,并且用水量也比传统制冷设备少很多。该数据中心通过采用外部空气制冷和蒸发制冷方法实现数据中心制冷。

回看国内,现阶段我国在西北、东北地区所建设的数据中心也有不少应用间接蒸发冷等技术的案例。以美利云中卫数据中心为例,该数据中心充分利用中卫地区的区位优势,投产的一期工程采用了国际先进的间接蒸发自然冷却技术,相较于传统数据中心,节能幅度可达50%以上。于此同时,数据中心还配备了一套“新风”系统,使数据中心无需配置冷水机组、冷凝塔等水系统,只在每年气温较高的7~8月采用DX系统补充部分冷量,在降低数据中心PUE的同时,也大幅降低了数据中心WUE。

写在最后

目前来看,数据中心企业普遍对WUE的重视程度不如PUE,不过随着相应政策的推出,以及技术的普及,数据中心节水技术的成本及落地难度也将逐步降低。如果说2021年,我国数据中心降本增效是围绕PUE展开的,畅想一下,2022年,会有更多的焦点话题、技术研发围绕如何降低数据中心WUE展开,如何降低数据中心WUE与降低PUE将一样重要,对于数据中心而言,节能减排起始于碳中和,但绝不止于碳中和。

阅读辅助:

WUE只衡量数据中心制冷系统的水资源使用效率(并不包括水暖和办公室所消耗的水资源)。WUE是一个较新的标准,由从IT角度评估公司可持续性的数据中心产业组织绿色网格提出。绿色网络组织因为推出广为业界认可的衡量数据中心效率的PUE标准而著名。在高一点的层面上,WUE是将年度水资源使用量除以IT设备的水资源的使用量所获得的值。WUE的单位为公升/kWh。

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