海里安家！華南理工科研團隊提出高能耗數據中心零碳運行新方案

《中國科學報》報道該成果

近年來，人工智能（AI）、機器學習、云計算及大數據技術呈現出爆炸式發展態勢，全球數據處理需求呈指數級增長。數據中心作為數字經濟的核心物理載體，其能耗問題日益嚴峻。

論文截圖

1月5日，《自然綜述-電氣工程》在線發表了華南理工大學電力學院教授朱繼忠團隊與合作者的最新研究成果。他們提出了一種以海洋可再生能源為支撐的水下數據中心零碳運行架構，為高能耗AI基礎設施的綠色轉型提供了全新解決方案。

“這項工作是當前‘綠色AI’背景下的一次前瞻性探索。”論文通訊作者朱繼忠表示，該研究首次系統性設計并論證了融合風能、光伏、波浪能和海水冷卻的水下數據中心能源與熱管理系統框架，驗證了其實現“全天候零碳運行”的可行性，展現出推動AI計算基礎設施綠色化、低碳化的潛力。

《自然綜述-電氣工程》的審稿人對這一研究成果給予了高度評價。他們認為，該研究“在綠色計算基礎設施設計方面提供了系統性新思路”，兼具“突破性技術創新和工程可行性”。

數據中心綠色轉型迫在眉睫

國際能源署（IEA）2025年4月發布的報告顯示，2024年全球數據中心的用電量約為415太瓦時（TWh，1太瓦時=10億千瓦時），占全球電力需求的1.5%。鑒于AI模型訓練與推理對算力的需求持續攀升，到2030年這一數字將增長一倍以上，達到約945TWh，相當于全球總用電量的近3%。

能耗激增的背后是持續運行的高性能服務器集群、高速網絡設備與海量存儲系統帶來的驚人電力需求，以及由此產生的巨額散熱負荷。傳統的風冷、液冷等散熱方式不僅消耗大量電能，還形成了“能耗-散熱”惡性循環。因此，如何突破電力供應與散熱管理的雙重瓶頸，實現“零碳運行”，已成為全球數據中心行業可持續發展面臨的嚴峻挑戰。

“傳統陸上數據中心若要大規模依賴可再生能源，將面臨諸多根本性制約。”論文共同第一作者、大連理工大學副教授楊浩森分析道，首先，可再生能源如風能和太陽能具有間歇性與波動性，而數據中心需7×24小時穩定供電，這對電網調節與儲能提出了極高要求；其次，大型風光電站通常位于偏遠地區，與數據中心密集的城市區域存在地理錯配，輸電損耗與基礎設施成本高昂；最后，陸上數據中心的冷卻系統即便采用先進技術，其能耗占比仍非常可觀。

楊浩森指出，這些因素促使研究團隊轉換思路，思考能否將數據中心部署在能源豐富且天然冷卻資源充足的環境中。海洋，正是一個理想的場所。

構建多能互補的零碳系統架構

基于上述構想，研究團隊設計出一種低碳、高效、智能協同的水下數據中心能源系統，并在模型與案例分析中驗證了其穩定性、經濟性和環境友好性。

該構想的核心是將數據中心模塊部署于海底或海上漂浮平臺，直接利用廣袤海洋蘊藏的風能、太陽能、波浪能等多種可再生能源進行供電，并借助低溫海水實現高效自然冷卻，從而構建一個近乎能量自給自足的閉環系統。

這一構想并非憑空想象。早在2022年，團隊就在廣東省基礎與應用基礎研究基金海上風電聯合基金重點項目的支持下，開展了大規模海上風電接入新型電力系統的協同優化調度研究，奠定了電力系統、海洋工程、熱力學多學科交叉的前期基礎。此次成果的核心突破在于提出并詳細論證了一套完整、可行、智能化的水下數據中心能源系統架構。

“我們設計了一套集成海上風電、浮動光伏、波浪能和電池儲能的能源系統，并輔以智能能源管理系統，實現了能源生產、存儲、調配、冷卻和碳排放的全生命周期優化。”論文共同第一作者、香港理工大學博士生董瀚江介紹。

朱繼忠（右三）指導學生。受訪者供圖

研究團隊提出了三重冷卻機制，包括海水換熱、吸收式制冷和電動壓縮機制冷。海水換熱利用海水的天然低溫特性，為服務器進行初步散熱；吸收式制冷則進一步降低溫度，確保服務器在適宜的環境下運行；電動壓縮機制冷作為補充，在極端情況下保障服務器正常運行。這三重冷卻機制相互配合，在保障服務器運行溫度穩定的同時，最大限度地回收和利用廢熱，有效提升了系統整體能效。

在系統可靠性方面，團隊同樣進行了精心設計。考慮到海洋環境的復雜性和不確定性，團隊設計了應急柴油機組和混合冷卻架構。應急柴油機組能夠在極端天氣、電池故障或設備宕機等突發情況下迅速啟動，為數據中心提供緊急電力支持；混合冷卻架構則可以根據不同工況靈活調整冷卻方式，確保系統的冷卻效果不受影響。這些設計大大增強了系統的韌性，提高了水下數據中心在復雜海洋環境中的應對能力。

“我們建立了詳細的數學模型并在模擬的海洋環境與典型數據中心負載場景下進行案例仿真分析。”董瀚江說，“分析結果驗證了該架構在技術上的穩定性、長期運營的經濟性及相較于傳統數據中心顯著的碳減排效益。它本質上是一個實現了能源生產、存儲、調配、冷卻和碳排放全生命周期優化管理的智能體。”

從概念邁向工程實踐

盡管水下數據中心的藍圖令人振奮，但將其從理論架構推向實際工程應用，仍面臨一系列需要攻克的技術與工程挑戰，如海洋腐蝕、極端氣候、維護難度大等。然而，從長遠運營的角度來看，水下數據中心具有顯著的優勢。

研究團隊表示，這一構想可以節約大量土地資源，避免因數據中心建設而占用寶貴的陸地空間。同時，借助海洋可再生能源和海水冷卻技術，水下數據中心能夠大幅降低電力成本，減少對傳統能源的依賴。更為重要的是，水下數據中心能夠顯著降低碳排放，為實現碳中和目標作出積極貢獻。

“隨著海洋工程、可再生能源和信息技術的發展，水下數據中心將成為未來綠色AI與數字經濟基礎設施的重要形態之一。”朱繼忠指出，該系統最大特色在于最大化利用自然界的饋贈——持續的海洋可再生能源和天然的低溫冷卻介質，幾乎不依賴陸上電網和化石能源，具備卓越的環境可持續性和地理部署靈活性。

“下一步，我們計劃開展小型原型系統的詳細設計與仿真驗證，并積極尋求與能源企業、數據中心運營商及海洋工程公司的產業合作，共同探索水下數據中心從實驗室走向規模化應用的現實路徑。”朱繼忠說。

對于水下數據中心建設可能對海洋環境造成的影響，朱繼忠認為“這是一個長期、系統的復雜問題”。其團隊提出的方案旨在最大化利用海洋可再生能源與天然低溫海水，通過多能互補與智能系統實現近零碳運行。從設計原理看，系統依靠海水冷卻和可再生能源供電，理論上減少了傳統數據中心的溫排水與碳排放問題。

盡管如此，任何海洋工程都需全面評估長期生態影響，包括設備安置對海底生態的擾動、材料腐蝕可能帶來的污染風險及冷卻過程對局部水溫的微量改變。研究團隊在設計中考慮了系統可靠性與應急措施，但具體環境影響仍需通過后續原型試驗與監測進一步驗證。

相關論文信息

https://doi.org/10.1038/s44287-025-00246-7

黨委宣傳部（融媒體中心）

信息來源：中國科學報

文字：朱漢斌

微信編輯：鮑恩

初審：冀早早

復審：盧慶雷

終審：夏正林

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