构建数据中心绿色节能生态圈实践探究

构建数据中心绿色节能生态圈实践探究

邱子良

（深圳供电局有限公司，广东深圳 518000）

摘要：本文针对数据中心绿色节能建设存在问题展开分析，内容包括碳排放总量高、存储介质能耗高、数据流通能耗高等，通过研究选择数据中心地址、电气系统节能设计、制冷系统节能设计、优化数据中心存算比、数据算法节能设计、数据基础设施节能设计等实践要点，其目的在于提高数据中心绿色节能水平，减少数据中心运行时的能源损耗。

关键词：数据中心；绿色节能；电气系统

在行业数字化转型速度不断加快的背景下，社会数据总量呈爆发式增长趋势，如4K/8K、AI、5G、IoT、大数据等。基于“十四五”规划要求，在2025年全球数据总量将超过175ZB，而国内数据总量也将达到48.6ZB。建设数据中心作为存储数据的重要载体，因其不间断服务等、运行性能高等特性，使其成为各区域高能耗内容，如何降低数据中心运行能耗、提高数据中心运行阶段生态性，也成为后续发展过程中需重点关注的内容。

1数据中心绿色节能建设存在问题

现有数据中心建设过程中存在以下应用问题：（1）碳排放总量高，基于《中国数据中心可再生能源应用发展报告（2020）》中的相关数据可以得知，2019年国内数据中心行业耗电总量在600×109-700×109kW·h，约占全国总用电量的0.8%-1.0%，而根据十四五规划可以得知，在2025年数据中心用电量将占据全国总用电量的1.5%-2.0%，带来了严重的碳排放量问题，威胁碳排放环境稳定性。（2）介质能耗高，目前常用的数据存储介质有HDD机械磁盘，此类存储介质的能耗超过6.0W，产生的能耗总量较高。（3）数据流通能耗高，在数据与计算活动间，需要借助复杂存储层次来均衡带宽、容量、应用成本等因素，在数据搬运到布尔逻辑计算单元时，会消耗90%以上能耗，产生较大能源损失。

2构建数据中心绿色节能生态圈实践要点

2.1选择数据中心地址

在数据中心构建中，科学选址可以减少传统资源损耗，起到节能降耗的作用。在具体的选址活动中应注意以下内容：（1）在构筑物内建设数据中心时，需要尽量选择建筑物低层，同时考虑到数据中心产热量大、机房设备密集度高、设备总重量高，因此也需要选择保温条件良好、楼板承载性稳定的区域建设数据中心。另外，在数据中心的建设中，也需确保供电线路短捷性，以此来减少供电阶段的能源损耗。（2）对于新建的大型数据中心，可选择自然通风良好的区域进行建设，如“阿里巴巴”公司某数据中心建设在沙漠地区，借助沙漠温差、大风天气实现机房降温，节约了大量传统能源消耗。

2.2电气系统节能设计

进行数据中心电气系统节能设计时，需注意以下内容：（1）在电气系统节能设计中，需要做好UPS电源设备的合理化选择。据以往应用经验可以得知，UPS电源消耗量占比总耗能10%以上，其采购成本也占比整个机房投入的5%以上。因此在UPS电源设备的选择中，需要优选动态UPS电源设备作为辅助电源，其运转时能效可达95%以上，同比传统UPS电源（能效为85%）运行更加节能。（2）在电气系统的设计中，也会引入清洁能源作为系统的辅助能源，如风能、太阳能、数据中心对外逸散热量等，以此来弥补传统电气系统运行时的能量损耗，而且这些能源具有无污染、来源广泛等特征，满足绿色节能要求。

2.3制冷系统节能设计

在制冷系统的节能设计中，需注意以下内容：（1）使用自然冷却技术，可分为风冷和水冷两种冷却方式，前者是利用回风风机箱直接将室外低温气体与室内回风根据一定比例进行混合（此时已达预设送风温度）后进入到数据中心机房，以此来降低机房中的平均温度。后者则是在机房内建立循环水冷系统，借助冷却低温水将数据中心产生的热量带出，相较于风冷系统，水的比热容较高，可以带走更多热量，以此来减少空调系统耗能，起到节约资源 的作用。（2）使用氟侧自然冷节能空调，其属于高效节能的冷却系统，该系统当中布设了独立压缩机、制冷系统与氟泵制冷系统，在冬季可使用泵循环替代压缩机进行运行，以降低机组的运行能耗；夏季则会打开压缩机，维持正常的机房运行；在其他过渡季节则会同时使用压缩机与泵结构，以提高相关资源的利用效率，减少其他资源损耗。

2.4优化数据中心存算比

在数据中心运行过程中，计算与存储能力需保持着相互匹配状态，以此来起到降低数据中心运行能耗，提升系统运行效率的作用。在具体的处理活动中，会将每秒浮点运算次数或者数据中心峰值性能作为算力评估依据，同时也会根据CPU使用率来衡量存储量，决定算力使用率。现阶段，国内CPU利用率只有45%左右，产生了众多能耗。因此在绿色节能设计中，会对存算比进行优化设计，如更新运行系统参数、优化软件功能等，以此来提高数据中心存算比，减少系统运行阶段的能源损耗[1]。

2.5数据算法节能设计

在数据算法节能设计活动中，需要注意以下内容：（1）引入新存储介质，如目前许多地区应用的SSD固态硬盘，其基本能耗不超过3.0W，在静态无负荷的情况下，其能耗不超过1.3W，具有更好的节能属性。（2）应用数据重删技术，此类技术在应用中借助定长重删、变长重删、相似重删等算法来对数据块进行检查，并将相同数据进行删除，可以实现2.0-3.6的数据缩减率，以此来减少50%以上的耗能。（3）引用数据压缩与压紧技术，借助数据压缩算法和压紧算法，来对各类数据块优化数据进行优化整理，以此来减少数据块占用空间，拓展数据存储空间

[2]。（4）多协议互通技术，此类技术的核心内容是同数据可利用多种协议来进行访问，避免了同数据多系统存储的情况，在提高访问效率的同时，减少资源占用的情况。

2.6数据基础设施节能设计

除上述提到的节能设计内容外，在绿色节能设计活动中也需做好数据基础设施优化设计，目前应用较多的设施类型为高密液冷超融合数据基础设施，此类设施在应用中具有线性拓展能力强、高密度计算存储性能强、高通量数据处理性能、多云数据对接等特点，依托于此设施能够建立全面液冷架构，相较于传统的数据中心设施，此类设施在应用中可以减少5-10倍的设备占地空间，同时拥有良好的数据中心交付效率、灵活的数据调整能力，从而起到绿色节能化发展效果[3]。

结束语

综上所述，数据中心作为各类数据存储、查询、提取的重要载体，其运行质量也将直接影响到数据取用和传输质量。与此同时，数据中心在运行时也会消耗大量能源，不满足绿色节能发展理念。基于此，在数据中心建设过程中，引入可靠的绿色节能措施，不仅可以降低数据中心运行能耗，而且能够契合绿色生态发展要求，助推社会经济的健康发展。

参考文献

[1]陈心拓，周黎旸，张程宾.绿色高能效数据中心散热冷却技术研究现状及发展趋势[J/OL].中国工程科学：1-11[2022-08-19].

[2]王慧慧.节能技术在绿色机房的应用与实践[J].节能与环保,2022(07):95-96.

[3]郭丰.聚焦“双碳”背景下数据中心的绿色发展[J].世界环境,2022(03):58-59.