绿色节能数据中心规划建设分析

绿色节能数据中心规划建设分析

梁文杰

宏景科技股份有限公司  510663

摘要：数据中心是承载着大量数据处理与信息交互的关键节点，在5G互联网时代其重要性不言而喻。而绿色数据中心，是指数据中心完成其本职任务的同时，通过各系统的合理规划，多种节能技术的应用，使其电力利用率大幅提高，从而达到节能减排的一种先进概念，也是当今数据中心发展的必然趋势。

关键词：绿色数据中心、能耗、新技术应用

引 言

建设绿色数据中心是构建新一代信息基础设施的重要任务，是保障资源环境可持续的基本要求，是深入实施制造强国、网络强国战略的有力举措[1]。随着我国碳中和目标的提出，数据中心的合理节能规划，绿色设计显得尤重要。2019年，三部门为贯彻落实《工业绿色发展规划（2016-2020年）》，加快绿色数据中心建设，做出了重要的指导意见，明确指出新建大型和超大型数据中心PUE值不高于1.4。借此，本文将从绿色中心的各系统节能规划手段进行分析、论证。

1 绿色数据中心的选址思路

绿色数据中心的选址，不仅要考虑数据中心基本的选址因素，如业务定位、地理环境、交通情况、政策优惠等，还应尽可能靠近电源（发电站），减少因长距离的输电导致的能源损耗，同时减少电力电缆耗材的使用，降低数据中心的建设成本。其次，由于数据中心的空调制冷系统是仅次于IT设备用电的第二能耗大户，因此选取年平均温度较低的环境，合理利用自然资源，对数据中心内温度进行调节，可有效降低数据中心的电力使用。例如，可将数据中心选择在靠近水电资源丰富且年平均温度较低的地方，减少煤炭资源使用的同时，可充分利用室外空气对数据中心内设备进行冷却。

2机房设备布置

为了达到提高能源利用率的目的，绿色数据中心往往采用冷热通道分离的设备布置方式。随着服务器设备的功率不断提高，高密度云应用越发普遍，对机柜的散热能力提出了更高的要求。冷热通道封闭，是基于冷热气体分隔的原理，将空调冷空气从地板下或冷通道内水平送出，进入封闭冷通道内，通过设备的散热系统，在机柜前端吸入冷气，给服务器设备降温后，形成相对高温冷空气，经过机柜后端排至热通道，形成一个循环。相较于传统机房，绿色数据中心往往采用冷通道封闭的方案，使用封闭围板、天窗、通道门等组件，将冷空气与机房空间隔绝开来，大大减少空调冷量的浪费，同时可以大大提高高性能服务器的散热能力，充分利用空调资源。

3建筑结构设计

数据中心的建筑与结构设计，除满足现行规范的一般规定外，需在数据中心土建阶段，充分考虑外围护结构的热工性能，根据全年动态能耗分析情况确定其最优值。

首先，主机房不应设置外窗。由于数据机房非人员长期活动场所，因此无需设置外窗。不设置外窗，可减少通过太阳辐射进入机房内部的热量，减少机房内冷量的损失。其次，在主机房的围护材料上，要考虑隔热、保温和防辐射。常用的措施有在建筑物内墙、楼面采用保温隔热设计。此类措施，可有效减少数据中心与外环境的热交换，根据人为或系统判断，通过新排风系统进行必要的热交换，从而达到最大程度上的节能。

此外，应合理选择建材，避免使用有害材料。建筑外墙不得使用吸光材料或含毒的装修材料；数据中心内部墙体，天面及墙面需采用A级防火材料，地面需采用B1级防火材料，若采用其他易燃材料，表面都需经过防火涂料处理。若UPS电源室及电池室等配套功能用房设置有外窗时，需配置必要的双层固定式玻璃窗，且外窗需设置外部遮阳，内部需配置遮光窗帘。

4空气调节系统设计

数据中心是公认的高耗能大户，过去十年间，我国数据中心整体用电量以每年超过10%的速度递增：2018年全年共消耗1608.89亿千瓦时电量，超过整个上海市用电量。国网能源研究院预测，到2030年数据中心用电量将突破4000亿千瓦时，占全社会用电量的比重将升至3.7%[2]。如下图1所示，目前数据中心的能耗大致由通信及网络设备、供配电系统、照明及辅助设备和冷却系统组成的[3]，其中用于制冷系统的能耗占总能耗40%左右。

图1

综上所诉，提高冷却系统的能源利用效率，是绿色数据中心建设的首要任务，也是有效降低数据中心PUE值的重要手段，符合我国能耗双控的指导意见。

目前，利用普通风冷空调制冷技术的传统数据中心PUE值大多在1.6左右，但是通过合理的设计及优化，PUE值可达到1.4。而大型数据中心由于对冷量的需求比较大，可以采用水冷空调，集中制冷供冷，以达到更低的PUE值。

对于绿色数据中心新型制冷系统的建设，本篇主要展开以下两种制冷技术进行简述。

4.1间接蒸发冷却技术

间接蒸发冷却技术，指的是将非直接接触式换热器直接蒸发冷却得到的冷湿空气中的冷量传递给数据机房内循环的空气，从而实现数据机房内空气等湿降温的过程。间接蒸发冷却技术，直接把数据机房内热量通过主动热传导的方式传递室外环境中，与一般常规制冷方式相比，在炎热干燥地区可节能80%～90%，在炎热潮湿地区可节能20%～25%，在中湿度地区可节能40%，从而大大降低空调制冷能耗。一般间接蒸发冷却单元，除了空气换热单元外，还配备有传统的机械制冷单元（压缩机），用以在数据中心高负荷或室外温度过高时，进行辅助制冷。

间接蒸发冷却系统，充分利用了自然冷量，减少了电力能源的使用，仅仅通过风-风的一次换热，把数据中心内大部分热量散失到自然空气中，同时又保障了数据中心内空气的洁净度。但采用间接蒸发冷却技术的数据中心也有缺点。第一，其内部环境温度较高。通过上述原理及热力学第二定律可知，在仅采用间接蒸发冷却技术的前提下，数据中心内温度势必比室外环境高。但得益于目前服务器技术发展，服务器对环境的温度及湿度要求越来越宽松，这种低成本且高效的制冷系统才得以大范围推广开来。第二，其占地面积大，且对建设地点的环境温度有一定的要求。仅适用于面积宽广且年平均温度不超过数据中心温度要求限定值的地区，这点成为间接蒸发冷却系统在其推广上的最大阻碍。

4.2液冷散热技术

液冷所使用的液体，并不是指单纯的水。指的是利用高比热容的液体作为传输介质，直接将与机柜内服务器接触，从而带走服务器产生的热量，使其冷却。目前液冷技术主要有三种部署方式，分别是冷板式、喷淋式、浸没式三类方式。

冷板式散热，是将液冷冷板安装在服务器内的核心元件上，依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热目的。冷板液冷解决了服务器里发热量大的器件的散热，其他散热器件还得依靠风冷，所以采用冷板式液冷的服务器也称为气液双通道服务器。冷板的液体不会直接接触核心元件，而是通过中间的导热板传热，安全性高。

喷淋式散热系统，需在每个服务器顶部开孔，根据发热体位置和发热量大小不同，让冷却液对发热体进行喷淋，达到设备冷却的目的。喷淋的液体和被冷却器件直接接触，冷却效率高；但液体在喷淋的过程中遇到高温物体会有飘逸和蒸发现象，雾滴和气体沿机箱孔洞缝隙散发到机箱外面，会导致机房环境清洁度下降或对其他设备造成影响，同时也提高了设备运维的难度。

浸没式散热，是将服务器直接浸没在冷却液中，冷却液与服务器电路板直接接触，通过冷却液的流动带走服务器等设备产生的热量。浸没式液冷分为两相液冷和单相液冷，冷却液的散热方式可以采用干冷器和冷却塔等形式。浸没式液冷是最普遍的直接接触型液冷。由于发热元件与冷却液直接接触，散热效率更高，噪音更低。

在绿色数据中心设计时，应该根据项目的特点，充分考虑制冷系统新式制冷技术的应用。如地理环境优越时，可应用间接蒸发冷却技术；项目资金允许，运维技术可靠的情况下，可采用液冷散热技术。

5电气系统设计

数据中心的供配电系统设计，UPS电量损耗所占比重非常大，因此，特别是双路UPS供电架构，采用高效节能的UPS系统尤为重要。

当今UPS有许多节能技术，如市电直供技术，当UPS检测到市电电源质量满足要求的情况下，可以采用市电直供，在市电断电或质量不达标的情况下，可在半个正弦波周期内，切换回UPS供电，在保障服务器设备供电可靠性的前提下，节省因UPS整流逆变元件带来的电量损耗。模块化UPS轮询休眠技术，一般数据中心会根据最满负载所需容量下的1.2倍来选择UPS的容量。在UPS容量合理设计的情况下，平时绝大部分时间UPS负荷仅为30%，据国内数据中心专业机构统计，即使专业数据中心平均负荷也仅在45%左右，此时采用模块化UPS，可以根据负荷大小，适时调整投入使用的模块数量，以打到功率及损耗的最平衡匹配。电缆的线径选择，应根据经济电流来选择电缆线径，特别是对于高负荷应用的主干电缆，其规格因适当加大，且接头处工艺需作严格要求，减少因发热而导致的电能损失过大。

在配电架构方面，可采用高压直流供电技术。高压直流供电的优点如下：1.采用功率MOS高频软开关技术的240V高压直流旁观电池技术，可高达96%以上效率，比采用晶闸管或IGBT的传统UPS效率更高，且体积更小。其电池直接挂在输出母线上，可靠性更高，且具有在线扩容、不掉电切换等优点；2.模块化设计，按需配置、可根据需求增加模块；3.高压直流的输入功率因数高、产生谐波小，对电力电网系统友好，且同样体积下支持的负载率比传统UPS要高，可降低柴发容量；4.高压直流比传统UPS要更安全，因为输出浮地，单极对地电压进135V；5.240V高压直流可以直接使用在绝大多数的标准交流设备上（380V高压直流等其他电压等级则不行），IT设备不用定制电源及设备改造，更容易推广。

6结语与展望

在当今互联网蓬勃发展、世界能源架构逐步变化的今天，做好绿色数据中心的设计与规划，即符合时代发展的潮流，又响应了国家的号召。除本篇讨论到的节能技术外，还有许多新型技术正悄然诞生，作为数据中心此类前沿行业，需积极探索，勇于尝试新科技新技术的应用，为世界能源科技行业发展作出贡献。

[1]工业和信息化部,国家机关事务管理局,国家能源局. 工业和信息化部国家机关事务管理局国家能源局关于加强绿色数据中心建设的指导意见[J]. 科学与信息化,2021(24):11-13.

[2]刘四红．马上消费 数据中心碳减排初探索[J]．北京商报，2021(14)

[3]孙翠锋，高岩．数据中心节能技术趋势展望[J]．信息通信技术与政策，2018，12(12)：32—36．