基于价值工程的数据中心液冷与风冷比较分析

郭方圆

（上海普平数据服务有限公司，上海 200032）

据不完全统计，预计2030年数据中心的用电量达到社会总用电量的1.5%～2%，而数据中心的制冷空调系统用电量占整个数据中心的30%～50%，制冷空调系统用电产生的碳排放量巨大[1]，故优化制冷空调系统对减少能源消耗起着关键性的作用。

目前，数据中心的主要制冷模式为风冷，冷源采用集中式冷冻水系统，空调末端采用房间级精密空调，主要配置为冷却塔+板换+冷机+末端空调，如果负载率达到80%以上，PUE值能保持在1.3左右；经过技术人员多年的研究、探讨及小规模实践，证实浸没式液冷和冷板式液冷适用于数据中心，并能大大降低PUE值使其保持在1.1内，对于能耗指标的降低做出了巨大的贡献。

以上海某数据中心风冷改液冷的实际案例，结合成熟的价值工程的理论方法，对比风冷空调系统与浸没式液冷的制冷模式的设计PU E和对应之成本，从浸没式液冷的建设成本（CAPEX）和运营成本（OPEX）角度提出费用优化的方法。

1 工程概述

1.1 施工项目背景

本工程为上海某数据中心DC01，钢筋混凝土结构，共计2层，楼高16.1 m，建筑面积23 000 m2，总IT负载14 MW。原设计，一层集中设计10 kV配电间、冷冻机房、配电室、消控室、运营商接入间；二层为8个包间及其辅助用房，制冷模式采用风冷，冷源采用集中式冷冻水系统。因客户需求变动，需将其中1个包间C05共1750 kW体量的IT负载改变制冷模式，由原来的风冷改成浸没式液冷模式。

浸没式液冷包含HVDC的配电、列头的配电、CDU设备、管线及支架、tank设备、CDU一次侧的管道、CDU二次侧的管道、楼板的承载、弱电工程、自控系统等的设计工作，相对应常规的风冷制冷模式，根据以上内容，结合图纸及技术资料，进行全方位的价格分析，比对两者成本差异。

1.2 浸没式液冷难点

（1）资料的不完备：相比国内所有数据中心，历史数据中心用液冷技术所承载的tank数量基本保持在6～8个，还处于试施工和运行阶段，而本次承载的规模较大，tank数量为84台，故未有非常完善的技术资料来支撑出图和计算成本。

（2）多元化沟通：从技术熟悉—技术深入探讨—方案图纸—施工图纸—工作界面—工程量清单—成本谈判—定标—施工—竣工验收等环节，与客户、合作伙伴、同事从技术层面、施工层面、成本层面进行全方面的沟通及探讨研究，沟通任务量巨大，沟通质量以及信息的畅通性如何保证也成为难点。

（3）专业性强：一是楼板承重，浸没式液冷是将服务器整体直接浸没在液体中，依靠流动的工程液体吸收服务器的发热量，故tank装的氟化液的单体质量远远高于机柜，需对楼板进行荷载测算并进行楼板加固处理；二是综合管线的布置，列头柜到tank的布线、配电箱到CDU的布线、CDU一次侧的管道、CDU二次侧的管道及弱电、自控等管线的整体布局；三是CDU集成化产品，包含1台不锈钢板式换热器、一台冷却液循环泵、一套冷却液循环过滤装置、阀门、管道、排气装置、压力传感器、温度传感器、电导率传感器等自控仪表、强电接线盒、弱电接线盒、接地用接线柱及与之配套的外框和支脚等；四是CDU与tank的精度要求，大大提升了成本，均为预制化产品，法兰、阀门、管道、软连接必须满足法兰日标要求、不锈钢管无缝链接、阀杆和阀体不锈钢材质、进口软连接等苛刻的要求。

1.3 数据分析及一般假设

通过对数据中心C05包间液冷和风冷制冷技术的比对，发现两种模式的差异点较多，为能更好地进行PUE及建设成本的对比，假定在液冷施工工艺完全成熟的情况下，风冷和液冷的施工进度、施工质量能保持同步，并以客户服务器的一次侧为成本测算的分界点为前提，再结合成熟的价值工程的理论方法比较风冷和浸没式液冷两种模式。

本次通过研究分析本案例中的所有资料，包括但不限于液冷图纸、技术文件等，对本项目所使用的浸没式液冷制冷模式从技术角度、施工角度、成本角度等方面进行技术沟通、施工界面安排、成本对比，得出最优成本方案，并与之功能做对比，得出价值系数，并从价值系数中的功能值和成本值入手，提出如何实现价值最优的解决方案。

2 液冷模式实例分析

价值工程（Value Engineering），也称价值分析（Value Analysis），是对产品或劳务的功能进行充分的成本分析，从而找出提高产品或劳务功能降低成本的有效且可行的方法。价值工程的主要原则就是用最低的总成本满足所需要的功能。价值工程（V）主要是指产品或劳务的功能（F）（功能指的是产品的用途或作用）与产品或劳务的成本（C）（成本指的是满足产品的所需要的功能所付出的周期成本）的对比值，即V=F/C。

价值分析是个相对比较复杂的过程，研究者会利用经验分析法、ABC分析法及百分比分析法选定研究对象，而本文主要通过经验分析法选定数据中心的重要指标PUE作为研究对象，用04评分法进行PUE值得功能评分，并通过成本精准测算，进而得出价值指数。

首先，确定研究对象的功能值（F）：组织技术部的技术总监、暖通技术负责人、弱电技术负责人、施工项目经理、运维总监、运维经理、运维值班员等7人，完全独立地对设计PUE实际所达到的功能（Fa、Fb）进行打分，计算总分和平均分，从而得出功能值，计算结果如表1所示。

表1 功能测算表

其次，确定研究对象的成本值（C）：根据施工工作界面，对液冷涉及的4个标段机电总包工程（CDU一次侧工程、弱电工程、CDU二次侧工程及甲供设备）分别进行成本测算及核对，为了方便成本计量，将4个标段的总成本换算成成本指标（元/kW），用于评价研究对象的成本值，如表2所示。

表2 成本测算表

最后，确定价值：价值（V）=功能（F）/成本（C），计算结果如表3所示。

表3 价值测算表

从功能测算表可以得出液冷的制冷模式功能值（即PUE值越低，功能值得分越高）非常高，高出风冷模式100%，功能性能完美，但其成本值过高，比风冷模式高出267%，导致价值数远远低于1。为了实现价值数趋向于1，则在保持功能值（即PUE）绝对优势的情况下，如何降低成本值将作为液冷技术的改进方向。

3 液冷方案优化改进

3.1 数据中心全生命周期成本

数据中心作为互联网行业的基础设施，对于像第三方数据中心供应商而言，全生命周期成本包括建设成本（CAPEX）和运营成本（OPEX），而运营成本（OPEX）又分租电分离模式和包租包电模式。假设项目类型属于包租包电模式，并在固定的IT负载量下（假设1750 kW），电费0.6元/度，在不同的PUE下，测算每年的电费价格，如表4所示。通过上述分析，采用液冷在包租包电模式下电费有较大幅度的节约，并与国家号召的打造绿色节能数据中心相匹配。从成本角度分析，液冷技术虽然在建设成本（CA PEX）的投资中费用有所上升，但结合2～3年的运营成本（OPE X）价值数趋于1，达到功能与成本的平衡，所以基于建设成本（CAPEX）和运营成本（OPEX）的两者综合考虑，利用液冷技术的制冷措施，在提高功能值的同时，也能有效控制成本。

表4 电费测算表

3.2 基于建设成本（CAPEX） 液冷技术价值优化改进

3.2.1 规模化投产运营

近几十年在很长的一段时间内，早期数字信息需求量小，之前主要运用在电信的IDC服务器托管企业或政府单位的数据业务，单机柜容量主要以4 kW以下机柜为主，限制了液冷技术的有效发展；其次，与风冷技术相比，液冷技术在系统部署、制冷原理以及技术方向等方面存在较大的研发及应用困难[3]。近两年，随着业务量需求的日益剧增，单机柜趋于10 kW以上，甚至20 kW以上，高功率的机柜的散热量极具加大，制冷面积不断加大，导致相同面积高密度机柜的产出率大大降低，而且提高制冷要求，利用传统的风冷制冷模式，不管从产出率还是成本方面，都不是最好的选择。由此，液冷技术开始慢慢运用在数据中心，但由于技术的壁垒，局限于个别互联网企业的研发和实践阶段，但随着时间的推移，液冷技术逐步会趋于成熟化和规模化，经济价值会日益显现。

3.2.2 技术优化

（1）CDU到tank间的管道连接，产品材料及施工工艺要求极高，如使用的管道（要求：无缝、预制成段）及其配套的阀门（要求：日标）、法兰（要求：日标）、软连接、三通、弯头等均要求为316不锈钢材质，CDU内用的液体循环泵需采用协磁（ASSOMA）原装进口品牌，并进行高精度的预制组装，而随着液冷技术的不断革新，产品材料及施工工艺是否能优化，比如管道是否能从无缝不锈钢管变成有缝镀锌钢管，或者预制成品能变成现场直接焊接产品，又或者进口产品能慢慢用国产品牌替换等，从而在满足tank运行需求的同时能有效降低成本，提高价值（V）。

（2）承重要求高，tank是承载液体、服务器及配套设施的大容器，它所要求的湿荷载为4T，远远大于机柜的荷载。对于改造建筑，一般情况建筑荷载只有1T左右，那采取何种加固措施的性价比最高，就需要通过加固多方案讨论及成本测算，得出最优加固方案，从而降低成本投入；而对于新建建筑，则可以采用性价比高的抗压材料做为结构材料，并合理安排tank的放置位置，较少配筋率及混凝土的使用量，从而降低成本，提高价值（V）。

（3）服务器浸没的液体，据目前了解，该液体的价格等同于黄金价格，极其昂贵。如果优化和选择冷却液，也需进一步的研究，该液体直接与服务器接触，就必须保证该液体与服务器是绝缘的，还必须从环保性能、稳定性能、电化学反映、pH值、液体浓度、微生物总数指标、导热系数、散热能力等方面全面研究测试，结合经济指标，选出性价比高的冷却液，从而可大幅度的降低后期运维成本。

4 结束语

本文运用价值方法仅对浸没式液冷与风冷的技术PUE功能和成本差异进行简单的分析比较，液冷属于高功能产品，为了得到更合理的价值数，本文最后提出三方面的改进措施，一是从建设成本（CAPEX）和运营成本（OPEX）两方面成本整体考虑，加入运营成本（OPEX）的液冷摊销成本情况；二是荷载方面，针对不同的建筑提出不同的荷载方案来优化成本；三是从建设成本（CAPEX）把控方向考虑，从技术优化角度，通过现实的技术要求及实际运用的液体材料分析，提出优化方案，最终给出液冷制冷技术的可行性。■