綠色數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析
什么是綠色數(shù)據(jù)中心？
綠色數(shù)據(jù)中心(Green Data Center)是指數(shù)據(jù)機房中的IT系統(tǒng)、制冷、照明和電氣等能取得最大化的能源效率和最小化的環(huán)境影響。
綠色數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然，可以從建筑節(jié)能、運營管理、能源效率等方面來衡量一個數(shù)據(jù)中心是否為“綠色”。
綠色數(shù)據(jù)中心的“綠色”具體體現(xiàn)在整體的設(shè)計規(guī)劃以及機房空調(diào)、UPS、服務(wù)器等IT設(shè)備、管理軟件應用上，要具備節(jié)能環(huán)保、高可靠可用性和合理性。
數(shù)據(jù)中心是公認的高耗能行業(yè)，過去十年間，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增，2018年，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量1500億千瓦時，達到了社會總用電量的2.19%。預計到2025年，占比將增加一倍，達到4.05%。
綠色數(shù)據(jù)中心技術(shù)概述
綠色數(shù)據(jù)中心、綠色基站、綠色電源等相關(guān)的先進技術(shù)，對節(jié)能效果顯著的微模塊產(chǎn)品、液態(tài)制冷、冷熱通道隔離、液冷服務(wù)器、自然冷卻系統(tǒng)、高頻模塊化 UPS、分布式 HVDC、高送風地板、冷水機柜等產(chǎn)品進行重點推介，針對數(shù)據(jù)中心節(jié)能產(chǎn)業(yè)鏈條，規(guī)劃出不同的節(jié)能技術(shù)選項和技術(shù)分類。統(tǒng)籌數(shù)據(jù)中心布局、服務(wù)器、空調(diào)等設(shè)備和管理軟件應用，選址考慮能源和水源豐富的地區(qū)，利用自然冷源等降低能源消耗，選用高密度、高性能、低功耗主設(shè)備，積極穩(wěn)妥引入虛擬化、云計算等新技術(shù)；優(yōu)化機房的冷熱氣流布局，采用精確送風、熱源快速冷卻等措施，這些技術(shù)已經(jīng)實踐檢驗，屬于節(jié)能效果顯著、經(jīng)濟適行、有實施案例的成熟節(jié)能技術(shù)。
同時也要對節(jié)能技術(shù)進行系統(tǒng)評價，僅從某一層次孤立解決節(jié)能問題的戰(zhàn)略，不但不能使節(jié)能效果最大化，相反可能降低基礎(chǔ)設(shè)施的功能，增大建設(shè)和運營成本。數(shù)據(jù)中心綜合節(jié)能策略如下圖所示：
圖2 數(shù)據(jù)中心綜合節(jié)能策略組合
1.降低 IT 設(shè)備用電、提高 IT 設(shè)備節(jié)能效率：
采用新型節(jié)能處理器的 IT 設(shè)備，在保證同等處理能力的前提下，降低 IT 設(shè)備能耗；采用具有自動休眠或自動降級運行（如降頻）能力的 IT 設(shè)備，使得設(shè)備在空閑時可以自動降低能耗；
采用系統(tǒng)資源共享技術(shù)和云計算技術(shù)，通過優(yōu)化資源利用效率，實現(xiàn)以更少的設(shè)備（亦即更少的能耗）去完成更多的處理任務(wù)。
數(shù)據(jù)中心的節(jié)能包含兩個方面的內(nèi)容：基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能及 IT 設(shè)備的節(jié)能。根據(jù)定義，數(shù)據(jù)中心電能使用效率為同一時間周期內(nèi)數(shù)據(jù)中心總電能消耗量與信息設(shè)備電能消耗量之比，其中數(shù)據(jù)中心總電能能耗為信息設(shè)備電能能耗與基礎(chǔ)設(shè)施能耗的相加值?；A(chǔ)設(shè)施能效低下是傳統(tǒng)設(shè)計造成的：
表1 數(shù)據(jù)中心當前能耗過高問題細分
2.提高供電系統(tǒng)效率的主要方向：
提高設(shè)備容量利用率：精細系統(tǒng)容量規(guī)劃設(shè)計，避免設(shè)備過渡規(guī)劃；采用模塊化設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)備容量的動態(tài)增長（UPS 設(shè)備本身效率提高 10% 左右）；供電方案優(yōu)化設(shè)計，降低方案的復雜性。
配置高效“高頻機”設(shè)備：提高設(shè)備本身效率（2% ～ 3% 左右）；降低交流輸入系統(tǒng)供電設(shè)備和線纜的容量和傳輸損耗（效率提高 3% ～ 5% 左右）。
采用 380V/240V 直流 UPS 供電系統(tǒng)：提高 UPS 設(shè)備本身和 IT 設(shè)備內(nèi)開關(guān)電源運行效率。
UPS 系統(tǒng)設(shè)置“經(jīng)濟運行”模式：提高系統(tǒng)運行效率（10% ～ 12% 左右）。
3.提高制冷系統(tǒng)效率的主要方向：
傳統(tǒng)的未進行節(jié)能規(guī)劃設(shè)計的數(shù)據(jù)中心，制冷系統(tǒng)的能耗是 IT 設(shè)備的 1.4 倍左右。經(jīng)過精心規(guī)劃設(shè)計并最大可能采用節(jié)能的制冷方案和設(shè)備后，在 IT 設(shè)備滿負荷時，制冷系統(tǒng)能耗與 IT 設(shè)備能耗之比，在沒有自然冷源的環(huán)境下可降到 0.5 左右，而在全年都有自然冷源的環(huán)境下，可降到 0.2 左右。除提高設(shè)備容量利用率以提高制冷設(shè)備的工作效率之外，節(jié)能改造的要點如下：
減少和消除機房內(nèi)冷熱氣流混合改善冷卻效果；防止冷熱氣流混合，可提高機房專用空調(diào)機的回風溫度。具體措施包括：機架隔板配置、機房冷熱通道布局、空調(diào)設(shè)備的正確安放、冷通道或熱通道封閉。
縮短冷熱氣傳輸距離，減少傳輸阻力。相關(guān)技術(shù)涉及 IT 機房面積和長寬尺寸、送風方案（下送上回或上送下回）、是否鋪設(shè)送風和回風管道、下送風地板高度、房間層高、線纜鋪設(shè)方案等一系列內(nèi)容。
直接利用自然冷源，大幅度降低制冷功率；可利用地下水或地表水作為冷源，或利用部分地區(qū)冬季或春秋季室外溫度較低空氣做冷源。這就涉及到數(shù)據(jù)中心選址、冷源的采集、傳輸和熱交換方法問題。
改造提高空調(diào)的性能，包括：使用渦旋式壓縮機；使用變頻技術(shù)空調(diào)機組；適當放大冷凝器，增加散熱面積，降低冷凝溫度、提高制冷系數(shù)；添加冷凍油添加劑，減阻抗磨，增強冷凝器和蒸發(fā)器的換熱；夏季對風冷冷凝器進行遮陽，水霧降溫等措施。
在方案設(shè)計階段，應對多種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，選取節(jié)能型的空調(diào)系統(tǒng)，如：帶板式換熱器的水冷型冷水機組，帶乙二醇自然冷卻系統(tǒng)的空調(diào)機，帶氟泵節(jié)能模塊的機房專用空調(diào)機等。大型數(shù)據(jù)中心還可以進一步考慮采用冷熱電三聯(lián)供方案（燃氣內(nèi)燃發(fā)電機產(chǎn)生的余熱，供吸收式冷水機組制冷和冬季采暖用）。
表2 數(shù)據(jù)中心制冷節(jié)能產(chǎn)品與技術(shù)細分
提高建筑物圍護結(jié)構(gòu)熱工性能；合理控制窗墻比；采用新型墻體材料與復合墻體圍護結(jié)構(gòu)；采用氣密性好的門窗；盡量采用具有隔熱保溫性能的吸熱玻璃、反射玻璃、低輻射玻璃等，避免使用單層玻璃；機房圍護結(jié)構(gòu)應嚴格密封，減少漏風量等。
隨著科技的進步和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，IT 設(shè)備電子元器件的可靠性、耐熱性得到了進一步的提升，低耗能 CPU 系統(tǒng)也已涌現(xiàn)，使得 IT 設(shè)備對環(huán)境溫度的苛刻要求得到進一步緩解，也為機房環(huán)境溫度的提升創(chuàng)造了條件。因此，適當提高機柜進風溫度，可以減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗，同時針對單機柜功率較大的情況下，大力推廣液冷系統(tǒng)。
4.提高水資源利用效率的主要方向：
提高供水溫度：在冷機開啟的時間段內(nèi)，提高冷卻水溫度，不僅僅節(jié)省冷塔風扇做功消耗的電量，而且還會使水蒸發(fā)量有所減少。在冬季板式換熱器開啟的時間段，提高冷凍水供水溫度，使冷卻水溫度提升（板換開啟后冷卻水直接給冷凍水降溫），蒸發(fā)量也有所減少。
提高冷卻水濃縮倍數(shù)：冷卻水做水處理加藥，必定要配合著排污，來控制冷卻水的濃縮倍數(shù)，從而控制冷卻水中鈣鎂離子的含量，延緩管道及設(shè)備結(jié)垢。一般情況做水處理的廠商會建議 4 倍濃縮倍數(shù)，跟進每周檢測補充水的電導率調(diào)整冷卻水排污電導率設(shè)定值。由于冷卻水排污量比較大，嘗試逐步提升排污電導率設(shè)定，控制冷卻水濃縮倍數(shù)在 5 倍左右。
提高反滲透進水水質(zhì)及溫度：適當增加反滲透膜的數(shù)量或提升進水水質(zhì)，會提高產(chǎn)水量，減少廢水排放。進水水溫每提升 1℃，產(chǎn)水量會提升 2.5%-3.0%（以 25℃為標準）。
適當安排設(shè)備日常維護：數(shù)據(jù)中心有一項例行維護是冷塔清洗，最初的清洗頻次為每月一次，后來由于冷卻水系統(tǒng)做了加藥處理后，清洗頻次修改為累計運行 2 個月后清洗，這樣的安排后就更加合理。不僅僅節(jié)省了人力成本，也提供了數(shù)據(jù)中心用水效率。
廢水污水處理二次利用：對數(shù)據(jù)中心排放的廢水（冷卻水排污、冷凝水、生活用水等）回收再利用。對于雨水充足地區(qū)可做雨水收集利用。
5.提高可再生能源利用效率的主要方向：
數(shù)據(jù)中心的能耗問題已經(jīng)引起了全球的廣泛關(guān)注，對計算機系統(tǒng)可持續(xù)能力的設(shè)計已不可避免。雖然可再生能源具有間歇不穩(wěn)定的特點，但是設(shè)計可再生能源驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心除了可以降低數(shù)據(jù)中心的碳排放外還有許多其他的好處。
可再生能源發(fā)電是高度模塊化的，可以逐漸增加發(fā)電容量來匹配負載的增長。如此，減小了數(shù)據(jù)中心因電力系統(tǒng)超額配置的損失，因為服務(wù)器負載需要很長一段時間才能增長到升級的配置容量。此外，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃和建造的間隔時間（又稱為籌建時間）要比傳統(tǒng)的發(fā)電廠短很多，降低了投資和監(jiān)管的風險。而且，可再生能源的價格和可用性相對平穩(wěn)，使 IT 公司的長遠規(guī)劃變得簡單。
6.提高資源循環(huán)利用的主要方向：
數(shù)據(jù)中心每天都產(chǎn)生大量的廢熱，入股允許數(shù)據(jù)中心熱源接入城市供熱系統(tǒng)，同時接收供熱、開放區(qū)域供熱。使用專門用于熱回收的熱泵，熱泵的冷凝器側(cè)與區(qū)域供熱系統(tǒng)進行熱交換，在那里傳遞熱量，而不是將其散發(fā)到外部空氣中。
數(shù)據(jù)中心熱回收可以以兩種方式進行。其一是數(shù)據(jù)中心可以使用熱泵生產(chǎn)自己的冷卻，并在合適的溫度下將多余的熱量排入?yún)^(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)。其二是采用數(shù)據(jù)中心的多余熱量通過回水管中被運送到生產(chǎn)工廠，在生產(chǎn)工廠中多余的熱量進入大型集中式熱泵的蒸發(fā)器側(cè)，為區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)供熱。
綠色數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)發(fā)展方向
1.數(shù)據(jù)中心主要節(jié)能方向分析
在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長及 IT 技術(shù)的迅速發(fā)展的共同推動下，數(shù)據(jù)中心在本世紀進入迅猛發(fā)展時期，而與此同時數(shù)據(jù)中心的能耗問題也隨著其發(fā)展變得越來越無法忽視。數(shù)據(jù)中心的能耗相對于其他的建筑能耗有其自身的特殊性：耗能設(shè)備的種類繁多、專業(yè)性強，對它的節(jié)能研究是一項多專業(yè)綜合的系統(tǒng)工程。
IT 設(shè)備包括計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等不同類型的設(shè)備，用于承載在數(shù)據(jù)中心中運行的應用系統(tǒng)，并為用戶提供信息處理和存儲、通訊等服務(wù)。IT 設(shè)備的具體類型包括：
(1) 服務(wù)器類，例如機架式、刀片式（含機框）或塔式等服務(wù)器；
(2) 存儲類，包括磁盤陣列、SAN（Storage Area Network，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）交換機等存儲設(shè)備，以及磁帶庫、虛擬帶庫等備份設(shè)備；
(3) 網(wǎng)絡(luò)類，包括交換機、路由器，以及防火墻、 VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）、負載均衡等各類專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;
(4)IT 支撐類：主要包括用于運行維護的監(jiān)控管理等設(shè)備。
數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備是為保證 IT 設(shè)備運行所需溫、濕度環(huán)境而建立的配套設(shè)施，主要包括：
(1) 機房內(nèi)所使用的空調(diào)設(shè)備，包括機房專用空調(diào)、行間制冷空調(diào)、濕度調(diào)節(jié)設(shè)備等；
(3) 如果使用新風系統(tǒng)，還包括送風、回風風扇、加/ 除濕設(shè)備、風閥等。在當前中國數(shù)據(jù)中心建成后，電費占運維總成本 60%-70%，而空調(diào)所用電費在其中占 40% 左右。在純產(chǎn)品的角度上看，機房精密空調(diào)為了節(jié)能，主要利用冷水機組、FREE COOLING、精確送風、氟泵等多種節(jié)能方式和產(chǎn)品類型。
表3 數(shù)據(jù)中心液冷與風冷的比較分析
表4 數(shù)據(jù)中心制冷的模式分析
圖3 中國數(shù)據(jù)中心單機柜功率密度分析及預測
數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)用于提供滿足設(shè)備使用的電壓和電流，并保證供電的安全性和可靠性。供配電系統(tǒng)通常由變壓器、配電柜、發(fā)電機、UPS、HVDC（高壓直流）、電池、機柜配電單元等設(shè)備組成。
數(shù)據(jù)中心中其它消耗電能的基礎(chǔ)設(shè)施，包括照明設(shè)備、安防設(shè)備、滅火、防水、傳感器以及相關(guān)數(shù)據(jù)中心建筑的管理系統(tǒng)等。
2.當前數(shù)據(jù)中心節(jié)能研究分類分析
數(shù)據(jù)中心巨大的能源消耗是促使人們研究其能源利用效率的主要推動力，而諷刺的是對于全球數(shù)據(jù)中心的實際能源消耗量，至今還沒有任何有信服力的統(tǒng)計結(jié)果。造成這種現(xiàn)象的原因很多：一方面，數(shù)據(jù)中心發(fā)展仍在上升期，數(shù)量及設(shè)備性能均存在著不穩(wěn)定性，這在客觀上為統(tǒng)計工作帶來了困難；另一方面大部分數(shù)據(jù)中心運行管理人員將數(shù)據(jù)中心運行數(shù)據(jù)視為一種私有資源，不愿意公開，主觀上為統(tǒng)計工作設(shè)置了障礙。
數(shù)據(jù)中心能耗的研究從研究角度的不同可以分為兩類，一類是從宏觀上研究，力求獲得數(shù)據(jù)中心總體的耗能情況。主要是采用一種間接估算的方法來研究全球服務(wù)器的能耗總量。它主要依據(jù)全球服務(wù)器消費及運行信息。將服務(wù)器按其價格分為三類，通過市場調(diào)查分析出各類服務(wù)器的歷史安裝數(shù)、制造廠家出貨數(shù)及報廢的臺數(shù)。在每類服務(wù)器中選取一個最具代表性的典型服務(wù)器來測量其能耗數(shù)據(jù)，再將測得的各典型服務(wù)器全年能耗乘以每一類服務(wù)器的實際運行臺數(shù)則可以得到全球服務(wù)器總能耗估計值。這類研究可以在未來的發(fā)展方向為進一步提高估算的準確性及考慮數(shù)據(jù)中心其它部分能耗（其他 IT 設(shè)備及制冷等輔助設(shè)備的能耗）的統(tǒng)計，并從單純統(tǒng)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷ξ磥砟芎牡念A測；
另一類是以特定的數(shù)據(jù)中心作為研究對象，通過對個體的研究以期反映出總體的特點，這一類研究的進一步發(fā)展一方面依賴于測量儀器的發(fā)展（這一點對于電源供應不獨立的數(shù)據(jù)中心來說尤為重要），另一方面也依賴于所研究的數(shù)據(jù)中心數(shù)量的增加和每個數(shù)據(jù)中心歷年數(shù)據(jù)的累積，將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式建立起來以供業(yè)內(nèi)人士的進一步研究。了解更多請閱讀綠色數(shù)據(jù)中心先進適用技術(shù)。
本文標題：綠色數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析
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