绿色数据中心节能技术发展现状分析

发布时间：2024-11-23 19:31

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什么是绿色数据中心？

　　绿色数据中心(Green Data Center)是指数据机房中的IT系统、制冷、照明和电气等能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响。

　　绿色数据中心是数据中心发展的必然，可以从建筑节能、运营管理、能源效率等方面来衡量一个数据中心是否为“绿色”。

　　绿色数据中心的“绿色”具体体现在整体的设计规划以及机房空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用上，要具备节能环保、高可靠可用性和合理性。

　　数据中心是公认的高耗能行业，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，全国数据中心总耗电量1500亿千瓦时，达到了社会总用电量的2.19%。预计到2025年，占比将增加一倍，达到4.05%。

绿色数据中心技术概述

　　绿色数据中心、绿色基站、绿色电源等相关的先进技术，对节能效果显著的微模块产品、液态制冷、冷热通道隔离、液冷服务器、自然冷却系统、高频模块化 UPS、分布式 HVDC、高送风地板、冷水机柜等产品进行重点推介，针对数据中心节能产业链条，规划出不同的节能技术选项和技术分类。统筹数据中心布局、服务器、空调等设备和管理软件应用，选址考虑能源和水源丰富的地区，利用自然冷源等降低能源消耗，选用高密度、高性能、低功耗主设备，积极稳妥引入虚拟化、云计算等新技术；优化机房的冷热气流布局，采用精确送风、热源快速冷却等措施，这些技术已经实践检验，属于节能效果显著、经济适行、有实施案例的成熟节能技术。

　　同时也要对节能技术进行系统评价，仅从某一层次孤立解决节能问题的战略，不但不能使节能效果最大化，相反可能降低基础设施的功能，增大建设和运营成本。

　　1.降低 IT 设备用电、提高 IT 设备节能效率：

　　采用新型节能处理器的 IT 设备，在保证同等处理能力的前提下，降低 IT 设备能耗；采用具有自动休眠或自动降级运行（如降频）能力的 IT 设备，使得设备在空闲时可以自动降低能耗；

　　采用系统资源共享技术和云计算技术，通过优化资源利用效率，实现以更少的设备（亦即更少的能耗）去完成更多的处理任务。

　　数据中心的节能包含两个方面的内容：基础设施的节能及 IT 设备的节能。根据定义，数据中心电能使用效率为同一时间周期内数据中心总电能消耗量与信息设备电能消耗量之比，其中数据中心总电能能耗为信息设备电能能耗与基础设施能耗的相加值。基础设施能效低下是传统设计造成的：

　　表1 数据中心当前能耗过高问题细分

　　2.提高供电系统效率的主要方向：

　　提高设备容量利用率：精细系统容量规划设计，避免设备过渡规划；采用模块化设计，实现设备容量的动态增长（UPS 设备本身效率提高 10% 左右）；供电方案优化设计，降低方案的复杂性。

　　配置高效“高频机”设备：提高设备本身效率（2% ～ 3% 左右）；降低交流输入系统供电设备和线缆的容量和传输损耗（效率提高 3% ～ 5% 左右）。

　　采用 380V/240V 直流 UPS 供电系统：提高 UPS 设备本身和 IT 设备内开关电源运行效率。

　　UPS 系统设置“经济运行”模式：提高系统运行效率（10% ～ 12% 左右）。

　　3.提高制冷系统效率的主要方向：

　　传统的未进行节能规划设计的数据中心，制冷系统的能耗是 IT 设备的 1.4 倍左右。经过精心规划设计并最大可能采用节能的制冷方案和设备后，在 IT 设备满负荷时，制冷系统能耗与 IT 设备能耗之比，在没有自然冷源的环境下可降到 0.5 左右，而在全年都有自然冷源的环境下，可降到 0.2 左右。除提高设备容量利用率以提高制冷设备的工作效率之外，节能改造的要点如下：

　　减少和消除机房内冷热气流混合改善冷却效果；防止冷热气流混合，可提高机房专用空调机的回风温度。具体措施包括：机架隔板配置、机房冷热通道布局、空调设备的正确安放、冷通道或热通道封闭。

　　缩短冷热气传输距离，减少传输阻力。相关技术涉及 IT 机房面积和长宽尺寸、送风方案（下送上回或上送下回）、是否铺设送风和回风管道、下送风地板高度、房间层高、线缆铺设方案等一系列内容。

　　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为冷源，或利用部分地区冬季或春秋季室外温度较低空气做冷源。这就涉及到数据中心选址、冷源的采集、传输和热交换方法问题。

　　改造提高空调的性能，包括：使用涡旋式压缩机；使用变频技术空调机组；适当放大冷凝器，增加散热面积，降低冷凝温度、提高制冷系数；添加冷冻油添加剂，减阻抗磨，增强冷凝器和蒸发器的换热；夏季对风冷冷凝器进行遮阳，水雾降温等措施。

　　在方案设计阶段，应对多种方案进行技术经济比较，选取节能型的空调系统，如：带板式换热器的水冷型冷水机组，带乙二醇自然冷却系统的空调机，带氟泵节能模块的机房专用空调机等。大型数据中心还可以进一步考虑采用冷热电三联供方案（燃气内燃发电机产生的余热，供吸收式冷水机组制冷和冬季采暖用）。

　　表2 数据中心制冷节能产品与技术细分

　　提高建筑物围护结构热工性能；合理控制窗墙比；采用新型墙体材料与复合墙体围护结构；采用气密性好的门窗；尽量采用具有隔热保温性能的吸热玻璃、反射玻璃、低辐射玻璃等，避免使用单层玻璃；机房围护结构应严格密封，减少漏风量等。

　　随着科技的进步和电子技术的不断发展，IT 设备电子元器件的可靠性、耐热性得到了进一步的提升，低耗能 CPU 系统也已涌现，使得 IT 设备对环境温度的苛刻要求得到进一步缓解，也为机房环境温度的提升创造了条件。因此，适当提高机柜进风温度，可以减少空调系统的能耗，同时针对单机柜功率较大的情况下，大力推广液冷系统。

　　4.提高水资源利用效率的主要方向：

　　提高供水温度：在冷机开启的时间段内，提高冷却水温度，不仅仅节省冷塔风扇做功消耗的电量，而且还会使水蒸发量有所减少。在冬季板式换热器开启的时间段，提高冷冻水供水温度，使冷却水温度提升（板换开启后冷却水直接给冷冻水降温），蒸发量也有所减少。

　　提高冷却水浓缩倍数：冷却水做水处理加药，必定要配合着排污，来控制冷却水的浓缩倍数，从而控制冷却水中钙镁离子的含量，延缓管道及设备结垢。一般情况做水处理的厂商会建议 4 倍浓缩倍数，跟进每周检测补充水的电导率调整冷却水排污电导率设定值。由于冷却水排污量比较大，尝试逐步提升排污电导率设定，控制冷却水浓缩倍数在 5 倍左右。

　　提高反渗透进水水质及温度：适当增加反渗透膜的数量或提升进水水质，会提高产水量，减少废水排放。进水水温每提升 1℃，产水量会提升 2.5%-3.0%（以 25℃为标准）。

　　适当安排设备日常维护：数据中心有一项例行维护是冷塔清洗，最初的清洗频次为每月一次，后来由于冷却水系统做了加药处理后，清洗频次修改为累计运行 2 个月后清洗，这样的安排后就更加合理。不仅仅节省了人力成本，也提供了数据中心用水效率。

　　废水污水处理二次利用：对数据中心排放的废水（冷却水排污、冷凝水、生活用水等）回收再利用。对于雨水充足地区可做雨水收集利用。

　　5.提高可再生能源利用效率的主要方向：

　　数据中心的能耗问题已经引起了全球的广泛关注，对计算机系统可持续能力的设计已不可避免。虽然可再生能源具有间歇不稳定的特点，但是设计可再生能源驱动的数据中心除了可以降低数据中心的碳排放外还有许多其他的好处。

　　可再生能源发电是高度模块化的，可以逐渐增加发电容量来匹配负载的增长。如此，减小了数据中心因电力系统超额配置的损失，因为服务器负载需要很长一段时间才能增长到升级的配置容量。此外，可再生能源发电系统规划和建造的间隔时间（又称为筹建时间）要比传统的发电厂短很多，降低了投资和监管的风险。而且，可再生能源的价格和可用性相对平稳，使 IT 公司的长远规划变得简单。

　　6.提高资源循环利用的主要方向：

　　数据中心每天都产生大量的废热，入股允许数据中心热源接入城市供热系统，同时接收供热、开放区域供热。使用专门用于热回收的热泵，热泵的冷凝器侧与区域供热系统进行热交换，在那里传递热量，而不是将其散发到外部空气中。

　　数据中心热回收可以以两种方式进行。其一是数据中心可以使用热泵生产自己的冷却，并在合适的温度下将多余的热量排入区域供热网络。其二是采用数据中心的多余热量通过回水管中被运送到生产工厂，在生产工厂中多余的热量进入大型集中式热泵的蒸发器侧，为区域供热网络供热。

绿色数据中心节能技术发展方向

　　1.数据中心主要节能方向分析

　　在数据业务需求的爆炸式增长及 IT 技术的迅速发展的共同推动下，数据中心在本世纪进入迅猛发展时期，而与此同时数据中心的能耗问题也随着其发展变得越来越无法忽视。数据中心的能耗相对于其他的建筑能耗有其自身的特殊性：耗能设备的种类繁多、专业性强，对它的节能研究是一项多专业综合的系统工程。

　　IT 设备包括计算、存储、网络等不同类型的设备，用于承载在数据中心中运行的应用系统，并为用户提供信息处理和存储、通讯等服务。IT 设备的具体类型包括：

　　(1) 服务器类，例如机架式、刀片式（含机框）或塔式等服务器；

　　(2) 存储类，包括磁盘阵列、SAN（Storage Area Network，存储区域网络）交换机等存储设备，以及磁带库、虚拟带库等备份设备；

　　(3) 网络类，包括交换机、路由器，以及防火墙、 VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）、负载均衡等各类专用网络设备;

　　(4)IT 支撑类：主要包括用于运行维护的监控管理等设备。

　　数据中心制冷设备是为保证 IT 设备运行所需温、湿度环境而建立的配套设施，主要包括：

　　(1) 机房内所使用的空调设备，包括机房专用空调、行间制冷空调、湿度调节设备等；

　　(2) 提供冷源的设备，包括风冷室外机、冷水机组、冷却塔、水泵、水处理等；

　　(3) 如果使用新风系统，还包括送风、回风风扇、加/ 除湿设备、风阀等。在当前中国数据中心建成后，电费占运维总成本 60%-70%，而空调所用电费在其中占 40% 左右。在纯产品的角度上看，机房精密空调为了节能，主要利用冷水机组、FREE COOLING、精确送风、氟泵等多种节能方式和产品类型。

　　表3 数据中心液冷与风冷的比较分析

　　表4 数据中心制冷的模式分析

　　数据中心供配电系统用于提供满足设备使用的电压和电流，并保证供电的安全性和可靠性。供配电系统通常由变压器、配电柜、发电机、UPS、HVDC（高压直流）、电池、机柜配电单元等设备组成。

　　数据中心中其它消耗电能的基础设施，包括照明设备、安防设备、灭火、防水、传感器以及相关数据中心建筑的管理系统等。

　　2.当前数据中心节能研究分类分析

　　数据中心巨大的能源消耗是促使人们研究其能源利用效率的主要推动力，而讽刺的是对于全球数据中心的实际能源消耗量，至今还没有任何有信服力的统计结果。造成这种现象的原因很多：一方面，数据中心发展仍在上升期，数量及设备性能均存在着不稳定性，这在客观上为统计工作带来了困难；另一方面大部分数据中心运行管理人员将数据中心运行数据视为一种私有资源，不愿意公开，主观上为统计工作设置了障碍。

　　数据中心能耗的研究从研究角度的不同可以分为两类，一类是从宏观上研究，力求获得数据中心总体的耗能情况。主要是采用一种间接估算的方法来研究全球服务器的能耗总量。它主要依据全球服务器消费及运行信息。将服务器按其价格分为三类，通过市场调查分析出各类服务器的历史安装数、制造厂家出货数及报废的台数。在每类服务器中选取一个最具代表性的典型服务器来测量其能耗数据，再将测得的各典型服务器全年能耗乘以每一类服务器的实际运行台数则可以得到全球服务器总能耗估计值。这类研究可以在未来的发展方向为进一步提高估算的准确性及考虑数据中心其它部分能耗（其他 IT 设备及制冷等辅助设备的能耗）的统计，并从单纯统计转变为对未来能耗的预测；

　　另一类是以特定的数据中心作为研究对象，通过对个体的研究以期反映出总体的特点，这一类研究的进一步发展一方面依赖于测量仪器的发展（这一点对于电源供应不独立的数据中心来说尤为重要），另一方面也依赖于所研究的数据中心数量的增加和每个数据中心历年数据的累积，将数据以数据库的形式建立起来以供业内人士的进一步研究。了解更多请阅读绿色数据中心先进适用技术。

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