數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排改造技術(shù)措施
數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)改造的目的是提高能源利用效率、降低PUE。由于數(shù)據(jù)中心能源消耗主要集中在信息系統(tǒng)、通風和制冷系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)三大領(lǐng)域。因此，這三大領(lǐng)域是能效提升的重點。本文將從數(shù)據(jù)中心能耗出發(fā)，重點介紹信息系統(tǒng)、通風和制冷系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造的思路和方法。
1.概述
為了保障IT設備和軟件運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)中心對電能質(zhì)量和機房環(huán)境要求較高，需要配套供配電、通風、制冷等環(huán)境基礎設施。通常，數(shù)據(jù)中心由信息系統(tǒng)和輔助設備構(gòu)成，輔助設備又可分為通風和空調(diào)系統(tǒng)，以及電氣系統(tǒng)。
從能耗結(jié)構(gòu)看，一個典型的數(shù)據(jù)中心能耗可分為以下三個部分：
（1）信息系統(tǒng)：占數(shù)據(jù)中心能耗的42%，包括服務器、存儲設備和網(wǎng)絡通信設備等。其中，服務器的數(shù)量最多。
（2）通風和空調(diào)系統(tǒng)：占數(shù)據(jù)中心能耗的40%，其中空調(diào)制冷系統(tǒng)占總能耗的25%以上，其他為空調(diào)送、回風系統(tǒng)；
（3）電氣系統(tǒng)：占數(shù)據(jù)中心能耗的18%以上，其中，UPS系統(tǒng)占總能耗的8%，其他為輔助照明等能耗。
數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造將綜合運行技術(shù)管理手段。在保障IT設備和軟件運行穩(wěn)定的基礎上，提高IT設備運行效率，對通風/空調(diào)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等環(huán)境基礎設施，以及建筑外圍結(jié)構(gòu)等進行改造。在技術(shù)改造的同時，運用智能化手段等，加強數(shù)據(jù)中心的節(jié)能管理，以提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率。
數(shù)據(jù)中心通用的節(jié)能技術(shù)改造措施如下：
表1數(shù)據(jù)中心通用的節(jié)能技術(shù)改造措施
數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造的流程可以歸納為：
1)對數(shù)據(jù)中心進行調(diào)查，篩選。首先分析服務器的單機功耗，上架率，數(shù)量等，確定IT設備總功耗。然后分析針對IT總功耗需要匹配的空調(diào)類型，功率等制冷系統(tǒng)功耗范圍。然后與企業(yè)實際制冷系統(tǒng)進行對比，核算二者的差別，并測量現(xiàn)場制冷的溫度和效率，進而得出數(shù)據(jù)中心制冷效率的初步結(jié)論。
2)對數(shù)據(jù)中心進行分類：第1類為能效很差的數(shù)據(jù)中心，必須進行改造；第2類為能效一般但是規(guī)模大的數(shù)據(jù)中心，值得改造；第3類是實施可行性強的數(shù)據(jù)中心，不涉及宕機的問題則易于改造。
3)初篩確定改造的數(shù)據(jù)中心后，向數(shù)據(jù)中心方提交供選擇的第三方診斷核查企業(yè)名單，由甲方確定第三方診斷企業(yè)，進行現(xiàn)場診斷。
4)施工方進入，對數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能改造。
5)第三方診斷公司再次對數(shù)據(jù)中心進行評估，驗收。
在數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)方面，近年來工信部發(fā)布了《綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術(shù)產(chǎn)品目錄（2019年版）》以及《國家綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術(shù)產(chǎn)品目錄（2020）》。將數(shù)據(jù)中心節(jié)能相關(guān)技術(shù)分為：能源資源利用效率提升技術(shù)產(chǎn)品（包括高效系統(tǒng)集成技術(shù)產(chǎn)品、高效制冷/冷卻技術(shù)產(chǎn)品、高效IT技術(shù)產(chǎn)品、高效供配電技術(shù)產(chǎn)品、高效輔助技術(shù)產(chǎn)品）、可再生能源利用和分布式供能以及微電網(wǎng)建設技術(shù)產(chǎn)品、廢舊設備回收處理等技術(shù)產(chǎn)品、綠色運維管理技術(shù)產(chǎn)品等四大類型，可作為數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)改造的重要參考。
2.建筑與建筑熱工
進行建筑和建筑熱工節(jié)能改造的目的是優(yōu)化機房建筑結(jié)構(gòu)，提高密封性。在夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)的大部分時間里，外界環(huán)境處于高溫狀態(tài)，做好隔熱、密封，可以減少外界環(huán)境對數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務器的熱量輸送，減少制冷系統(tǒng)的負擔。
可按照建筑節(jié)能改造標準GB50174進行外圍護結(jié)構(gòu)改造，主要方式為在外墻體加裝隔熱棉、空心磚，在密封性差的門窗加裝膠條等，做好數(shù)據(jù)中心的隔熱工作。
在節(jié)能改造后，外圍護結(jié)構(gòu)所采用的保溫材料和建筑構(gòu)建的防火性能應符合GB50016的規(guī)定。常年無人值守的數(shù)據(jù)中心設有外窗的，應同時滿足保溫要求。封閉后氣密性不低于GB/T7106的8級要求。
3.信息系統(tǒng)
信息系統(tǒng)能耗最大，考慮到能耗的級聯(lián)效應，信息系統(tǒng)的降耗也會引起前端配電和空調(diào)耗電量的減少，因此，信息系統(tǒng)節(jié)能對于數(shù)據(jù)中心降低PUE意義重大。
作為數(shù)據(jù)中心的第一能耗大戶，信息系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵是選用低能耗的IT設備，提高IT設備能效比。IT設備能效比越高，意味著IT設備單位能耗所能存儲、處理和交換的數(shù)據(jù)量越大。提高IT設備能效比，可以降低機房配套的電氣系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等的容量和能耗，從而帶來巨大的節(jié)能和經(jīng)濟效益。
通用的技術(shù)手段包括：
1）在設備選型方面
根據(jù)數(shù)據(jù)中心的建設標準，結(jié)合實際擴容需求等，購置設備，盡量采用高密度、高能效比、耐高溫、耐腐蝕、空氣潔凈度要求低的電子信息設備。根據(jù)初步測算，IT設備用電量每下降1度，數(shù)據(jù)中心整體用電量就會下降2度以上，評價IT設備能效的主要指標包括ECR，即能耗與系統(tǒng)吞吐量的比值，IT設備的ECR指標越低，設備能效越高23。
在技術(shù)層面，選擇低功率CPU處理器、虛擬化運算技術(shù)、高效電源、動態(tài)制冷、刀片式架構(gòu)、電源智能化管理以及“動態(tài)休眠”等技術(shù)的IT設備。設備應能根據(jù)系統(tǒng)運行要求和負載狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)各軟件的工作和休眠狀態(tài)。建議設備整體休眠的節(jié)能效果最低應達到20%，優(yōu)選具有國際或國家行業(yè)節(jié)能等級認證的設備。
在條件允許的情況下，優(yōu)先選用液冷機架。
2）在設備使用方面
對數(shù)據(jù)中心處理的業(yè)務進行合理分級和規(guī)劃，避免對A級數(shù)據(jù)中心基礎設施資源的過度占用，同時提高代碼效率，提高業(yè)務處理能力和效率。在滿足設備運行安全和穩(wěn)定的前提下，盡量提高IT設備的利用率，節(jié)省運行設備的數(shù)量。
統(tǒng)籌考慮數(shù)據(jù)中心的各類計算、存儲和網(wǎng)絡資源，采用松耦合架構(gòu)配置各類資源，實現(xiàn)資源的共享和靈活調(diào)度，根據(jù)資源消耗比例靈活增加和減少某類資源的配置，做到按需配置。
在技術(shù)成熟的情況下，適時運用虛擬化和集群技術(shù)等。
3）在設備布置和節(jié)能管理方面
機架的布置應滿足機房整體布局要求和冷熱分區(qū)的要求，機架用電量與相應區(qū)域的制冷量相適應，設備的進排風方向應與機房氣流組織的要求一致。
合理規(guī)劃設備布置，同區(qū)域內(nèi)的機架用電量應盡量均勻，避免出現(xiàn)局部熱島現(xiàn)象；同機架內(nèi)盡量部署物理尺寸、用量和排風能力相近的設備，單機架耗電量應盡量不超過機房設計時的機架平均用電量；當機架用電量差別較大時，機房內(nèi)制冷設備和制冷量分布應考慮到不同功率機架的位置。
機架應按照規(guī)劃設計能力飽滿使用，當機架無法一次性安裝完畢時，應從距離送風口較勁的空間開始安裝設備。設備之間的空隙處應安裝擋風板，防止冷熱風短路。
4.通風及空調(diào)系統(tǒng)
通風和空調(diào)系統(tǒng)是為了保障IT設備運行所需溫度、濕度環(huán)境而建立起的配套設備設施。通常通風和空調(diào)系統(tǒng)能耗占到數(shù)據(jù)中心總能耗的40%，是數(shù)據(jù)中心能耗最大的輔助設備。主要的耗能設備包括專用空調(diào)、列間空調(diào)、加濕器；冷源設備包括風冷空調(diào)室外機、冷水機組主機、冷卻水塔等；新風系統(tǒng)包括送回風風機、加或除濕設施等。
目前，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)面臨的普遍問題：一是運行模式不合理，大部分數(shù)據(jù)中心全面需要制冷；二是冷濕環(huán)境不均勻，機房普遍存在局部過熱現(xiàn)象；三是處理流程不合理，同一機房存在同時除濕和加濕現(xiàn)象；四是輸配環(huán)節(jié)能耗高，特別是風機功耗多大。因此，制冷系統(tǒng)節(jié)能改造一直是數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造的重點和難點。
對于通風和空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造，通用的措施包括：
1）選擇高效節(jié)能設備、加強節(jié)能管理、對溫度濕度的控制等，提高能源綜合利用效率。
2）綜合考慮建設規(guī)模、功率密度等條件，優(yōu)先采用帶有充分利用自然冷源或帶有廢熱回收的系統(tǒng)方式。
3）對通風、冷源、輸配、末端，特別是氣流組織等系統(tǒng)進行綜合改造。
4）有條件的數(shù)據(jù)中心，可采用液冷技術(shù)。
4.1采用高效節(jié)能設備
作為數(shù)據(jù)中心能耗最大的輔助系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)是提高數(shù)據(jù)中心能效的關(guān)鍵。
在高效節(jié)能設備和技術(shù)利用方面，建議采用磁懸浮離心冷水機組、變頻離心高溫冷水機組、變頻螺桿高溫冷水機組、冷水機組+自然冷卻系統(tǒng)、高效熱管自然冷卻系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻制取冷風技術(shù)、蒸發(fā)冷卻制取冷水技術(shù)和蒸發(fā)冷凝技術(shù)等，提高冷卻系統(tǒng)的能源利用效率。
4.2合理利用自然冷源
利用自然冷源已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心提高能效的重要途經(jīng)。自然冷源的利用主要包括風側(cè)自然冷卻、水側(cè)自然冷卻、氟側(cè)自然冷卻三種主要形式，三種冷卻技術(shù)的主要特征和設備原理如下。
表2 不同環(huán)境的自然冷卻制冷系統(tǒng)對比
圖1數(shù)據(jù)中心的三種典型自然冷卻模式示意圖
1.風側(cè)自然冷卻
風側(cè)自然冷卻技術(shù)是數(shù)據(jù)中心最有效的自然冷卻技術(shù)，該技術(shù)直接利用室外低溫空氣給數(shù)據(jù)中心機房降溫，減少了換熱流程。風側(cè)自然冷卻適用于氣候環(huán)境好，空氣質(zhì)量好，氣候涼爽的地區(qū)。在中國大部分嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)適用，部分夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)適用。
圖2中國風側(cè)直接自然冷卻時長分布圖（小時/年）
圖3中國不同氣候帶典型城市的完全自然冷卻時間（以年當量計算）
上圖為中國主要城市的完全自然冷卻時間。理論上年冷卻時長位于5000小時以上的區(qū)域均具有安裝新風系統(tǒng)的條件。
從自然條件上看：
西寧、拉薩、呼倫貝爾、蘭州、呼和浩特、銀川與烏魯木齊等年冷卻時間大于8000小時的城市，通過節(jié)能改造最多可降低約26%~33%的能耗，降低PUE至1.1~1.2；其中，西寧、拉薩、呼倫貝爾的溫度、濕度和空氣潔凈度更加符合直接自然冷卻的條件，為潛力最大的節(jié)能地區(qū)。蘭州、呼和浩特、銀川與烏魯木齊由于空氣質(zhì)量相比較而言略差，過濾系統(tǒng)的運行時長增加，節(jié)能潛力次之。
東北、華北部分地區(qū)例如哈爾濱、長春、沈陽、太原、石家莊等城市，全年自然冷卻時間位于6000~7000小時，通過節(jié)能改造最多可降低17.2%的能耗，降低PUE至1.35；
華北大部分地區(qū)、中原地區(qū)、部分西部地區(qū)例如北京、天津、濟南、西安、鄭州等城市，全年自然冷卻時間位于5000~6000小時，通過節(jié)能改造最多可降低18.8%的能耗，降低PUE至1.32；
東部沿海、長江流域、四川盆地、部分西南地區(qū)以及珠三角等地區(qū)例如上海、杭州、長沙、成都、重慶、貴陽等地，全年自然冷卻時間約小于5000小時。其中，上海、昆明、貴陽、杭州、武漢、南京、南昌、長沙、成都、重慶的全年冷卻時間位于4000~5000小時，通過節(jié)能改造最多可降低16.4%的能耗，降低PUE至1.36，其余地區(qū)節(jié)能改造潛力較小。
2.水側(cè)自然冷卻技術(shù)
水側(cè)自然冷卻技術(shù)是在室外空氣濕溫度較低時，利用低溫的冷卻水與冷凍水換熱，使冷凍水達到供水溫度要求或降低冷凍水溫度，從而減少冷機的開啟時間和強度。與風側(cè)自然冷卻不同，水側(cè)自然冷卻通常對外界空氣環(huán)境要求不高，但要求數(shù)據(jù)中心靠近江河湖海的數(shù)據(jù)中心。
根據(jù)學者研究，水側(cè)自然冷卻更適合寒冷和嚴寒地區(qū)。典型城市應用自然冷源的情況，節(jié)能率最低的是21%，最高達到38%，節(jié)能效果較為顯著。而在東北部地區(qū)、西北部地區(qū)以及青藏高原地區(qū)，節(jié)能率大多位于50%以上。
圖4中國數(shù)據(jù)中心水側(cè)間接自然冷卻節(jié)能率分布圖
從應用實踐看，目前國內(nèi)外已有眾多數(shù)據(jù)中心成功利用自然冷卻，實現(xiàn)能效提升。
在國內(nèi)，浙江千島湖某數(shù)據(jù)中心利用湖水自然冷卻，采用開式空調(diào)系統(tǒng)，并配置蓄水池等設備保證不間斷運行，節(jié)能效果顯著；天津的騰訊某數(shù)據(jù)中心采用冷熱通道隔離、水側(cè)自然冷卻、自然風冷卻、變頻技術(shù)、分時式制冷等多項節(jié)能技術(shù)，節(jié)能能力居于中國領(lǐng)先水平；中國電信的永豐國際數(shù)據(jù)中心通過冰蓄冷、水冷自然冷源、高壓直供、分散式供電、太陽能等新技術(shù)以及科學運維，獲得了顯著的節(jié)能效果。
在國外，Google位于比利時的數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)100%水側(cè)自然冷卻，是Google第一個完全達到自然冷卻的數(shù)據(jù)中心；Google在歐洲還有2個實現(xiàn)完全自然冷卻的數(shù)據(jù)中心，一個位于愛爾蘭，采用直接蒸發(fā)制冷技術(shù)，一個位于芬蘭，采用100%海水散熱；此外，雅虎位于紐約洛克波特的“雞籠”數(shù)據(jù)中心、Facebook位于俄勒岡州的數(shù)據(jù)中心、惠普位于英國溫耶德的數(shù)據(jù)中心均采用自然冷卻技術(shù)達到了良好的節(jié)能效果
4.3優(yōu)化氣流組織形式
氣流組織形式是影響數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要因素。冷氣流動過程中的阻力越小，冷風和熱風氣流隔離的越好，冷量損耗的就越小，空調(diào)主機運行效果就越高，能效比越好。
在數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范和節(jié)能標準中，均將氣流組織優(yōu)化作為重點內(nèi)容。氣流組織優(yōu)化的內(nèi)容主要包括合理設計，通過多種措施提高機房空氣冷卻效率等。
1.合理設計機房氣流組織
機房內(nèi)部存在局部過熱現(xiàn)象。造成這一現(xiàn)象的原有是機房內(nèi)的氣流組織不合理，多數(shù)機房采用的上送風方式不符合熱空氣自然上升的流動規(guī)律。這種先冷環(huán)境、后冷設備的送風方式，導致了局部過熱現(xiàn)象。并且冷熱空氣相互混合，減少了送回風溫差，增加了送風量，造成了不必要的浪費。
因此，如何合理設計機房內(nèi)的氣流組織，減少無效回風和冷熱氣流混合成為數(shù)據(jù)機房配套設計和改造所面臨的一大難題。如果這一問題得到有效解決，就意味著機房空調(diào)制冷效率大大提高，從而達到節(jié)能和降低PUE的目的。
為了解決上述問題，機房內(nèi)的上送風方式正逐步向著架空地板送風、機房上部回風方式改進，對機柜布置、冷熱通道布局等提出新的要求。同時，新型近端制冷技術(shù)更加靠近負載，其制冷密度和節(jié)能效果遠超傳統(tǒng)的遠端制冷，有效解決機房高密度和局部過熱的問題。
具體的措施包括：
1）在機房機架布置上，應采用“面對面、背靠背”方式布置，形成“冷”和“熱”通道；
2）機房空調(diào)應采用下送風、上回風方式，架空地板下不應布置各種線纜；根據(jù)符合功率密度，合理規(guī)劃架空地板高度，確定地板下送風斷面風速控制在1.55-2.5m/s，一半數(shù)據(jù)中心機房架空地板高度不應小于400mm；
3）機架和空調(diào)設備的距離應大于1200mm,避免出現(xiàn)回風短路的情況，當空調(diào)設備送風距離大于15m時，需在機房兩側(cè)布置空調(diào)設備；
4）如果必須采用上送風，下回風方式時，應采用風管送風方式，風管、送回風口的尺寸應根據(jù)機房熱負荷計算確定。
早期國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的相關(guān)設計規(guī)范均要求機房內(nèi)的環(huán)境溫度為22℃~25℃。這樣必然導致制冷系統(tǒng)需要將機房內(nèi)的環(huán)境溫度處理到相應溫度。盡管IT設備機柜的出風側(cè)通道和外圍走廊等環(huán)境空間的溫度符合要求，但IT設備的實際散熱卻不一定。這造成了大量的冷量浪費在環(huán)境空間里。
《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174-2017）已明確規(guī)定溫度控制點為機柜的進風側(cè)，即專用空調(diào)的冷空氣僅需存在于IT設備散熱所需的地方，這一氣流組織形式的改變提高了制冷系統(tǒng)冷卻IT設備的效率，提高了節(jié)能效果。
2.提高機房空氣冷卻效率
數(shù)據(jù)中心機房通常有四種氣流組織形式，包括房間級、行級、機柜級和芯片或服務器級。對于機房空氣冷卻效率而言，通常關(guān)注房間級、行級和機柜級冷卻方式。
首先，最普遍采用的是房間級制冷。采用房間級制冷時，制冷系統(tǒng)與機房直接關(guān)聯(lián)，并行工作來處理機房的總體熱負荷。在設計中，對氣流的關(guān)注往往有很大的不同，對于較小的機房，機柜有時隨意擺放，對于氣流沒有特別的規(guī)劃、遏制，這部分數(shù)據(jù)中心是最為重點的節(jié)能改造對象。而對于較大的復雜數(shù)據(jù)中心，可能使用高架板送風到經(jīng)過精心規(guī)劃的熱通道/冷通道，來引導氣流并使其與機柜相適應的目的。房間級制冷機房本身獨有約束的影響很大，比如室內(nèi)凈高、房間形狀、地板上下的障礙物、機柜布局、制冷系統(tǒng)位置、IT負載功率分配等。
采用行級制冷配置時，制冷機組與機柜行相關(guān)聯(lián)，在設計上，機組可能位于IT機柜之間，也可吊頂安裝。與傳統(tǒng)無氣流遏制房間級制冷相比，氣流路徑較短，專用度更加明確。對于200kW以下的數(shù)據(jù)中心應采用行級制冷，無需高架地板即可部署，而對于已有數(shù)據(jù)中心，在部署較高密度負載時（每機柜5kW或更高），應進行行級制冷節(jié)能改造。
采用機柜級制冷時，制冷機組與機柜相關(guān)聯(lián)，機組直接安裝在IT機柜上或者內(nèi)部。與房間級或行級制冷相比，機柜的氣流路徑更短，且專用度更準確，使得氣流完全不受任何安裝變動或機房約束的影響，可達到最高功率密度50kW。
圖5房間級、行級與機柜級制冷模式對比示意圖
表3柜級、行級與房間級制冷特點與優(yōu)劣勢對比
從三種方式對比看：機柜級制冷最為靈活、部署最快，并能支持最高功率密度，但需要額外費用開支；行級制冷具備機柜級制冷的諸多優(yōu)勢，如靈活性、部署速度以及密度優(yōu)勢，且成本較低；房間級制冷能夠通過重新配置穿孔地板來快速更改制冷分配模式，在低密度數(shù)據(jù)中心，所有機柜共享制冷冗余，此方式具有成本優(yōu)勢，且最為簡單。
氣流組織優(yōu)化對于數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗效益顯著。據(jù)測算，全國中小型數(shù)據(jù)中心從2006年的PUE=2.7降低到了2013年的PUE=1.8，其中一部分是通過優(yōu)化氣流組織實現(xiàn)的。目前，國內(nèi)仍有一部分數(shù)據(jù)中心氣流運行不合理，導致其PUE過高。據(jù)專家測算，通過對氣流的改造，國內(nèi)中小型數(shù)據(jù)中心PUE值有望從1.8下降到1.5。
4.4采用液冷技術(shù)
液冷是指使用液體作為熱量傳輸媒介，與發(fā)熱部件進行換熱，進而帶走熱量的技術(shù)。雖然液冷技術(shù)研發(fā)的初衷是為解決傳統(tǒng)制冷面臨的高功率主機散熱難題，但在發(fā)展的過程中，逐漸成為數(shù)據(jù)中心降低PUE值的突破性技術(shù)。
從技術(shù)效果看，液體傳導熱能效果好，比熱容大，在吸收大量的熱量后自身溫度不會產(chǎn)生明顯變化，能夠穩(wěn)定CPU溫度，實現(xiàn)機房環(huán)境40度條件下無需空調(diào)制冷設備，PUE可大幅下降到1.0左右，因而被認為是降低數(shù)據(jù)中心能耗的最可靠和可行的技術(shù)方案之一。
與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，液冷技術(shù)擁有以下優(yōu)勢：
一是液體的比熱容與導熱能力遠遠高于氣體，溫度傳遞效果更快、更優(yōu)，可以大大提高數(shù)據(jù)中心冷卻效率，與風冷系統(tǒng)，能節(jié)約30%的能源；
二是功率密度大，可以節(jié)約數(shù)據(jù)中心的空間，節(jié)省建設成本，同時液冷系統(tǒng)所使用的泵和冷卻液系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)相比噪聲更??；
三是液體技術(shù)不受海拔與氣壓的影響，在高海拔地區(qū)依然保持較高的散熱效率；
四是能夠?qū)崿F(xiàn)余熱利用，傳統(tǒng)的風冷設備一般將熱量直接排到大氣中，但液冷數(shù)據(jù)中心以液體為載體，直接通過熱交換接入樓宇采暖系統(tǒng)和供水系，滿足居民供暖和溫水供應的需求，有效實現(xiàn)余熱資源綜合利用。
圖6液冷技術(shù)與傳統(tǒng)制冷技術(shù)的比較
液冷的制冷模式主要包括主要分為冷板式、噴淋式以及浸沒式。冷板式效率最低，但是最利于節(jié)能改造，可在原有的IT設備上進行改造，通過在CPU表面貼覆冷管，冷管內(nèi)填充氟類制冷劑的方式進行降溫。噴淋式與浸沒式則是將整機浸沒于制冷劑中，因而對制冷劑的絕緣性，抗腐蝕性要求較高。
采用導熱型冷卻模式時，循環(huán)冷卻水（或其他液體）在管道內(nèi)流動，管道連接的換熱器（包括蒸發(fā)器、散熱器等不同類型的冷板）貼敷在CPU等熱量產(chǎn)生設備的表面，因此液體制冷劑不與集成電路直接接觸，冷卻介質(zhì)在換熱器吸收熱量將CPU的熱量傳至冷凝器，冷卻介質(zhì)在外部冷凝器放熱，完成制冷過程。
浸沒式液冷技術(shù)將發(fā)熱期間浸沒在液體中，通過直接接觸進行熱交換。整個浸沒式液冷系統(tǒng)可包括兩個部分，室內(nèi)側(cè)循環(huán)和室外側(cè)循環(huán)。室內(nèi)側(cè)循環(huán)構(gòu)成中，冷卻液在封閉式腔體內(nèi)與發(fā)熱器件進行熱交換；在室外側(cè)循環(huán)中，低溫水在液冷換熱模塊中吸收氣態(tài)冷卻液攜帶的熱量變成高溫水，進入冷卻塔后，高溫水與大氣進行熱交換，變成低溫水后再與氣態(tài)冷卻液進行熱交換。
圖3-7浸沒式相變液冷的示意圖
近年來，隨著液冷技術(shù)的發(fā)展，一些科研單位和公司將其有效的應用到服務器/芯片級散熱領(lǐng)域。國際上，IBM、谷歌、英特爾等國際巨頭早已積極布局；在國內(nèi)，中科曙光、華為、浪潮、聯(lián)想和阿里為代表的科技公司開展了積極探索，并積累了豐富的經(jīng)驗。例如：2013年，中科曙光完成了首臺冷板式液冷服務器原理機的驗證；2015年，中科曙光部署大規(guī)模商業(yè)應用項目落地；2017年，浪潮發(fā)布了以冷板液冷服務器為核心的解決方案。
由于在散熱行能、集成度、可維護性、可靠性、性能、能效、廢熱回收、噪聲控制等方面的優(yōu)良表現(xiàn)，液冷技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心突破節(jié)能瓶頸的解決方案之一。2019年2月，工信部、國家機關(guān)事務管理局和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設的指導意見》，鼓勵數(shù)據(jù)中心采用液冷等高效系統(tǒng)設計方案。但受到資本投入、設備兼容、傳統(tǒng)觀念等限制，目前液冷技術(shù)的普及推廣仍面臨著制約，需要加快技術(shù)宣傳、最佳實踐普及和標準研制等步伐。
5.電氣系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)用于提供IT設備使用所需的電壓和電流、照明等。數(shù)據(jù)中心電氣系統(tǒng)包括供配電系統(tǒng)、備用電源、不間斷電源、高壓和低壓配電以及照明系統(tǒng)。系統(tǒng)能耗主要包括開關(guān)損耗、低壓配電系統(tǒng)損耗、UPS損耗、供電電纜損耗等。
電氣系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的第三大能耗大戶，在規(guī)劃設計時應根據(jù)系統(tǒng)負荷容量、用電設備特點，供電線路距離以及分布等因素，從設計、運行和管理等方面采用先進的節(jié)能技術(shù)。
通用的節(jié)能措施包括：
1）對電子信息設備的實際用電量及其電源系統(tǒng)的配置容量、冗余度進行復核，在滿足安全性的前提下對其進行改造，使電源設備處于轉(zhuǎn)換率較高的負載率區(qū)間。
2）合理調(diào)整供配電系統(tǒng)，變壓器、配電線路和設備的容量應滿足數(shù)據(jù)中心基礎設施可用性等級及該等級在GB/T2887對應的相關(guān)規(guī)定。
3）綜合考慮采用可再生能源、峰谷蓄能、錯峰蓄冷、液冷、余熱回收利用等技術(shù)手段，提高數(shù)據(jù)中心用能清潔化水平和電能利用效率。
4）對原回路容量進行校核，并應選擇節(jié)能燈具。應充分利用自然光，并設置光感系統(tǒng)。
5.1采用高效節(jié)能設備
對供電設備進行選型時，應采用新型節(jié)能技術(shù)和設備，減少供電設備自身的消耗。
1）針對變壓器：建議采用SCB10型干式變壓器，或者空載損耗更低的非晶合金干式變壓器等。
2）針對UPS設備：在相同的額定容量時，可選用高效率的高頻UPS等；在滿足IT設備安全可靠運行的條件下，可選用高壓直流供電系統(tǒng)對IT設備進行供電，該方法節(jié)省了逆變環(huán)節(jié)，效率相對傳統(tǒng)塔式UPS大幅提高。
3）針對照明系統(tǒng)：可采用LED等高效節(jié)能光源，以電子鎮(zhèn)流器取代電感鎮(zhèn)流器，延時開關(guān)、光控開關(guān)、聲控開關(guān)、感應式開關(guān)取代蹺板式開關(guān)等。同時，可增加照明控制系統(tǒng)進行節(jié)能管理等。
4）鋰電池技術(shù)：隨著鋰離子電池的能量密度和安全性能的持續(xù)提高，成本的不斷降低，鋰電在數(shù)據(jù)中心的需求量越來遠大，有望成為新一代主流能源。
在新型技術(shù)方面，可采用具備“動態(tài)休眠”的供電產(chǎn)品設備。該技術(shù)可在系統(tǒng)負載較低的情況下，與動力監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合自動根據(jù)當前總負載的大小計算出工作所需的整流模塊或UPS模塊數(shù)量，實現(xiàn)供電系統(tǒng)整體效率的提升，減少能源在低負載情況下的浪費。
5.2促進UPS自身節(jié)能
機房的能耗大戶是服務器、數(shù)據(jù)存儲器等數(shù)據(jù)處理設備，數(shù)據(jù)設備的用電量大，就需要更多的UPS電源來供電，UPS電源在電能轉(zhuǎn)換中需耗費一定的能量，電能在傳遞分配中也有損失。在滿足業(yè)務需求或同樣處理存儲能力的設備中，促進提高UPS自身節(jié)能是數(shù)據(jù)中心能效提升的關(guān)鍵。
主要的措施包括：
1）選用高效器件
數(shù)據(jù)中心可采用高壓直流技術(shù)，系統(tǒng)包括交流、整流和直流配電部分。高壓直流是在配電前端先將輸出的電流整流并轉(zhuǎn)換成直流電源供IT內(nèi)服務器電源使用，服務器電源只需要實現(xiàn)DC-DC的轉(zhuǎn)換，中間變化的過程減少了損耗，增加了電流的可靠性和穩(wěn)定性。新型高效UPS的運行效率可達96%以上，節(jié)約型的不間斷電源在低負載區(qū)間依然能保持較高的效率。
2）提高UPS運行效率
UPS的效率直接決定了整個UPS系統(tǒng)的能耗，這也使得數(shù)據(jù)中心客戶對UPS效率的要求日益提高。以一個容量為300KVA的UPS為例，每度電按0.9元計算，UPS效率每提高1%，一年節(jié)省的電費為300×0.8×0.01×24×365×0.9=18921.6元?？梢娞岣遀PS的工作效率，可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費，因此提高UPS效率是降低整個機房能耗的最直接方法。
通過優(yōu)化算法，實施監(jiān)測負載、環(huán)境、電網(wǎng)情況等，不斷調(diào)整UPS工作狀態(tài)，保障UPS一致運行在高效率狀態(tài)。同時，可通過智能休眠技術(shù)，在負載較低時，使一些模塊休眠，減少UPS的空載能耗，從而提高系統(tǒng)運行效率，為了保障休眠狀態(tài)下模塊的同一壽命，模塊可采用自動輪換休眠等模式。
3）降低輸入電流諧波，提高輸入功率因數(shù)
諧波的危害表現(xiàn)為引起電氣設備(電機，變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱，降低繼電保護，控制，以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波諸如電網(wǎng)后會使無功功率加大，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。
目前治理諧波的方式有6脈沖整流器+無源(或有源)濾波器，12脈沖整流器+無源濾波器，IGBT整流器等方式，這些能夠?qū)崿F(xiàn)低輸入電流諧波(<3%)和高輸入功率因數(shù)(>0.99)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能要求。
4）采用ECO模式
目前大部分的UPS均具有ECO模式（即經(jīng)濟運行、交流直供），電能質(zhì)量好且節(jié)能需求較為迫切的數(shù)據(jù)中心，可采用ECO模式。在ECO模式下，UPS自身能耗將大幅降低，效率可達到99%以上。
5.3促進可再生能源利用
目前中國數(shù)據(jù)中心的可再生能源利用仍處于起步階段。隨著中國“雙碳”目標的提出，在各地越來越嚴格的能源雙控目標下，數(shù)據(jù)中心的可再生能源利用必然要再上一個臺階。
目前，國家尚未出臺對數(shù)據(jù)中心的可再生能源利用提出明確的要求。在2017年的《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點評價指標體系（2017）》中規(guī)定：數(shù)據(jù)中心應用高比例可再生能源或清潔能源（包括自有設施生產(chǎn)和外購的可再生能源或清潔能源）作為加分項，用電比例達到當?shù)毓╇娤到y(tǒng)配電網(wǎng)可再生能源滲透率的加1分，每增加10%加1分，最多5分。
目前，數(shù)據(jù)中心利用可再生能源的主要路徑包括：
1）自建可再生能源項目
數(shù)據(jù)中心自建可再生能源項目可以是集中式電站或者分布式光伏電站。其中，分布式光伏發(fā)電指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng)。目前最為廣泛的形式是屋頂光伏發(fā)電項目。
數(shù)據(jù)中心自建分布式光伏的典型案例：北京中經(jīng)云亦莊數(shù)據(jù)中心于2016年投入使用，數(shù)據(jù)中心大樓頂層設計安裝800kW(10000平米)的光伏電站，利用太陽能為建筑提供電力服務。
數(shù)據(jù)中心集中式電站的典型案例：2015年蘋果公司分別于四川省新能源、中環(huán)能源、加州陽光電力合資城里企業(yè)，在四川建設集中式光伏電站。在風電領(lǐng)域，蘋果在2016年入股金風科技旗下4家新能源公司，年生產(chǎn)風電285兆瓦。
由于前期投入較高，且數(shù)據(jù)中心自建的可再生能源項目發(fā)電量僅能滿足少量的用電需求，因而企業(yè)積極性不高，仍需要在政策、投資、發(fā)電上網(wǎng)等方面加大支持和引導力度。
2）可再生能源市場化交易
在新一輪電力體制化改革下，數(shù)據(jù)中心可通過電力中長期市場，直接或通過售電企業(yè)采購可再生能源。如百度陽泉數(shù)據(jù)中心2017年簽約風力發(fā)電2600萬千瓦時，清潔能源使用占比達到16%。
2018年，該數(shù)據(jù)中心風電用電量達到了5500萬千瓦時。同時，綠色證書等也為數(shù)據(jù)中心采購可再生能源提供新的途經(jīng)。
自2018年以來，中國互聯(lián)網(wǎng)云服務企業(yè)的可再生能源采購量實現(xiàn)了較大規(guī)模的增長，阿里、萬國數(shù)據(jù)、百度等均實現(xiàn)了可再生能源利用量的提升，秦淮數(shù)據(jù)還提出了“100%可再生能源轉(zhuǎn)型目標”，據(jù)此，有理由相信數(shù)據(jù)中心的可再生能源利用規(guī)模和水平將持續(xù)提高。
5.4應用需求響應技術(shù)
電力需求響應是電力用戶對電價或激勵信號做出的主動響應，這種響應主要表現(xiàn)為用戶臨時性改變用電行為，即根據(jù)電價高低或激勵大小，臨時性調(diào)節(jié)電力負荷。隨著能耗管理技術(shù)的發(fā)展，先進的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)具備高度靈活的自適應能耗調(diào)整能力，可以作為需求側(cè)可控負荷與電力系統(tǒng)協(xié)同運行，參與電力需求響應。
數(shù)據(jù)中心參與需求響應的主要方式包括：直接負荷控制、蓄冷空調(diào)等。嚴格來說，蓄冷技術(shù)在用戶側(cè)并不直接節(jié)能，但蓄冷技術(shù)可以解決區(qū)域電網(wǎng)供需矛盾，促進可再生能源消納，有利于區(qū)域電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。對于用戶來說，如果峰谷價差的足夠大，蓄冷技術(shù)的應用能大幅減少用戶電費，帶來較好的經(jīng)濟效益。
1.直接負荷控制
直接負荷控制是數(shù)據(jù)中心采取先進的技術(shù)手段，包括無線電控制技術(shù)、專用通信線控制技術(shù)，對可調(diào)節(jié)的用電設備進行分臺分類的集中控制。根據(jù)電價或激勵信號，臨時性啟動或關(guān)閉用電設備，以達到促進電力平衡和節(jié)約電費等目標。
2.蓄冷空調(diào)
蓄冷空調(diào)是一種儲能裝置，利用峰谷電價差，利用夜間低谷點制冷，將冷量以冷、冷水或凝固狀相變材料的形式儲存起來，而在空調(diào)高峰負荷時段部分或全部地利用儲存的冷量向空調(diào)系統(tǒng)供冷，以達到減少制冷設備安裝容量、降低運行費用和電力負荷削峰填谷的目的。
根據(jù)蓄冷介質(zhì)的不同，常用蓄冷系統(tǒng)又可分為三種基本類型：第一類是水蓄冷，即以水作為蓄冷介質(zhì)的蓄冷系統(tǒng)；第二類是冰蓄冷，即以冰作為蓄冷介質(zhì)的蓄冷系統(tǒng)；再一類是共晶鹽蓄冷，即以共晶鹽作為蓄冷介質(zhì)的蓄冷系統(tǒng)。水蓄冷屬于顯熱蓄冷，冰蓄冷和共晶鹽蓄冷屬于潛熱蓄冷。水的熱容量較大，冰的相變潛熱很高，而且都是易于獲得和廉價的物質(zhì)，是采用最多的蓄冷介質(zhì)，因此水蓄冷和冰蓄冷是應用最廣的兩種蓄冷系統(tǒng)。
蓄冷空調(diào)可作為數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)系統(tǒng)的緊急備份，保障中央空調(diào)系統(tǒng)的安全性。在中央空調(diào)主機停機時持續(xù)一段時間的冷量，對于制冷系統(tǒng)要求較高的金融、電信等領(lǐng)域，蓄冷空調(diào)可發(fā)揮較大的作用。
6.能耗管理
能耗管理對于數(shù)據(jù)中心而言，猶如一條正態(tài)分布的長尾曲線，曲線的頭部由IT設備、空調(diào)、電氣、建筑等大指標構(gòu)成，曲線的尾部則由機柜位置部署、氣流組織形式、機柜距離以及系統(tǒng)運行維護等小指標構(gòu)成。
對于數(shù)據(jù)中心而言，能耗管理要實現(xiàn)大指標和小指標的綜合管理，為數(shù)據(jù)中心節(jié)能提供整體解決方案。為了提高數(shù)據(jù)中心能耗管理水平，數(shù)據(jù)中心應建立能耗監(jiān)測系統(tǒng)，有能力的數(shù)據(jù)中心可構(gòu)建智能化運維系統(tǒng)。
圖8數(shù)據(jù)中心能耗管理的長尾曲線
1.構(gòu)建能耗監(jiān)測系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測系統(tǒng)通常包括：各種智能化的電力設備、傳感器、存儲設備、應用系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。
數(shù)據(jù)中心的能耗監(jiān)測對象包括：動力系統(tǒng)（包括高壓變配電設備、中亞變配電設備、低壓配電設備、整流配電設備、變流設備、發(fā)電和儲能設備等）、空調(diào)設備（包括冷凍系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、配電柜、分散式空調(diào)等）、機房環(huán)境（包括環(huán)境條件、圖像監(jiān)控、門禁等）。
數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對所有耗電設備的監(jiān)控和管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析功能，能夠?qū)?shù)據(jù)中心用電量分時段統(tǒng)計、分析、實現(xiàn)趨勢分析和預警等功能。系統(tǒng)能夠?qū)τ秒娫O備的基礎信息、配置信息等進行詳細的管理，可根據(jù)機房環(huán)境溫度和上級指令有選擇地對智能/非智能耗能設備進行開啟和關(guān)閉。
2.構(gòu)建智能化運維系統(tǒng)
通過技術(shù)改造，將原有系統(tǒng)升級為智能化運維管理系統(tǒng)，使其能夠根據(jù)設備狀態(tài)、負載率等運行狀態(tài)的實時變化，根據(jù)內(nèi)外部不同溫度、濕度、水溫、儲冷量、峰谷電價等綜合因素，及時調(diào)整各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使各設備系統(tǒng)能夠在滿足冗余需求的前提下，盡量工作在能源效率最優(yōu)的狀態(tài)。有條件的數(shù)據(jù)中心可采用大數(shù)據(jù)、AI算法等手段實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)智能、節(jié)能調(diào)節(jié)。
來源：網(wǎng)絡
本文標題：數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排改造技術(shù)措施
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