徐悅

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：本文對綠色數(shù)據(jù)中心的發(fā)展背景、基本概念，以及實(shí)現(xiàn)綠色化的關(guān)鍵要點(diǎn)展開了簡要分析。同時(shí)，評估了綠色數(shù)據(jù)中心在提高整體能源效率、助力國家達(dá)成碳減排目標(biāo)過程中所發(fā)揮的重要作用。通過剖析綠色數(shù)據(jù)中心的實(shí)際案例，呈現(xiàn)了在提升能源使用效率（PUE）方面所取得的成果，提出了一系列推動(dòng)數(shù)據(jù)中心行業(yè)朝著環(huán)境友好方向發(fā)展的策略。本研究致力于為數(shù)據(jù)中心行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論參考與實(shí)踐指引。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；PUE；冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

伴隨信息技術(shù)的迅猛進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理以及分發(fā)的關(guān)鍵樞紐，其重要程度愈發(fā)顯著。但不可忽視的是，數(shù)據(jù)中心的能耗問題逐漸成為全球矚目的重點(diǎn)。根據(jù)國際能源署（IEA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球數(shù)據(jù)中心的能耗在全球總電力消耗中所占比例約為2%，而且這一占比正逐年攀升。在此情形下，構(gòu)建綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心，既是順應(yīng)節(jié)能減排緊迫要求的必要舉措，也是達(dá)成可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。

本文首先對數(shù)據(jù)中心的能耗現(xiàn)狀及其給環(huán)境帶來的影響進(jìn)行了簡要概括，隨后深入探究了綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的概念、目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)的具體路徑。通過剖析模塊化設(shè)計(jì)、低能耗技術(shù)等核心要素，為推動(dòng)數(shù)據(jù)中心向綠色化轉(zhuǎn)型提供理論依據(jù)和實(shí)踐方面的指導(dǎo)。

1.1 數(shù)據(jù)中心能耗統(tǒng)計(jì)

全球數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，其能耗問題引起了廣泛關(guān)注。據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2022年全球數(shù)據(jù)中心耗電量約為460TWh，占全球總用電量的2%，并且預(yù)計(jì)到2026年，這一數(shù)字可能增長至1000TWh以上。在中國，數(shù)據(jù)中心的耗電量也在增長，2022年達(dá)到了2739億kWh，占全社會(huì)用電量的0.9%。

隨著生成式人工智能（AI）等技術(shù)的普及，數(shù)據(jù)中心的耗電量預(yù)計(jì)將進(jìn)一步增加，到2026年可能達(dá)到2022年的2.3倍。全球數(shù)據(jù)中心的用電量在2021年為220～320TWh，其中不包括用于加密貨幣開采的能源，后者在2021年為100～140TWh。2018年至2025年中國數(shù)據(jù)中心耗電量預(yù)測如圖1所示。

圖1 2018—2025年中國數(shù)據(jù)中心耗電量預(yù)測

中國預(yù)計(jì)到2030年數(shù)據(jù)中心能耗總量將達(dá)到4500億kWh，碳排放增長率將超過300%，這進(jìn)一步凸顯了提高能源效率和減少碳排放的緊迫性。

1.2 政策與法規(guī)概述

為了應(yīng)對數(shù)據(jù)中心能耗問題，全球多個(gè)國家和地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)了一系列的政策和法規(guī)。例如，歐盟通過了一系列政策和法規(guī)，如《數(shù)據(jù)中心能效行為準(zhǔn)則》，旨在提高數(shù)據(jù)中心的能源效率。美國則通過《能源政策法案》等法律，鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心采用節(jié)能技術(shù)和設(shè)備。

中國發(fā)布了《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)中心的能耗和能效提出了明確要求。此外，中國政府為了推動(dòng)數(shù)據(jù)中心的綠色低碳發(fā)展，頒布了《數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》。以下是數(shù)據(jù)中心相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)政策：《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50174、《數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施施工與驗(yàn)收規(guī)范》GB 50462、《數(shù)據(jù)中心設(shè)施運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51314、《模塊化數(shù)據(jù)中心通用規(guī)范》GB／T 41783—2022、《電子計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范》GB／T 2887、《計(jì)算機(jī)場地安全要求》GB／T 9361、《模塊化微型數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》T／CECA20001、《超級計(jì)算數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)要求》T／CCUA 016、《數(shù)據(jù)中心綠色等級評價(jià)》T／CCUA 011、《中小學(xué)微模塊網(wǎng)絡(luò)機(jī)房建設(shè)規(guī)范》T／JYBZ 022—2022、《醫(yī)療機(jī)構(gòu)智慧建筑數(shù)字化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》T／NAHIEM 32—2021。

設(shè)R(MTask,MA)表示基于制造任務(wù)特征的制造任務(wù)與制造活動(dòng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣，根據(jù)任務(wù)的特征集合可以將制造任務(wù)與制造活動(dòng)的關(guān)系表達(dá)為

2.1 定義與特點(diǎn)

綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的概念是指在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營等全生命周期內(nèi)，采用高效節(jié)能的技術(shù)，優(yōu)化能效比，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排。綠色數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)通常包括：

（1）提升能源利用效率：通過優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)和運(yùn)營，減少能源消耗，提高電能使用效率（PUE）。

（2）增加可再生能源的使用：利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，減少對化石燃料的依賴。

（3）實(shí)施節(jié)能降碳改造：對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心進(jìn)行技術(shù)改造，提升能效，減少碳排放。

（4）優(yōu)化數(shù)據(jù)中心布局：根據(jù)資源和環(huán)境條件，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)中心的地理位置和規(guī)模。

（5）推廣綠色技術(shù)產(chǎn)品：使用高效節(jié)能的IT設(shè)備和制冷系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)中心的整體性能。

2.2 節(jié)能目標(biāo)與效益分析

綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的建設(shè)目標(biāo)主要包括降低能耗、減少碳排放、提高能源利用效率等。此外，綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)還有助于推動(dòng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

以國內(nèi)為例，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)量也隨著增長，中國2020－2035年數(shù)據(jù)中心能耗和5G能耗增長關(guān)系如圖2所示。

圖2 中國2020－2035年數(shù)據(jù)中心能耗和5G能耗增長關(guān)系圖

3.1 模塊化設(shè)計(jì)原理

模塊化設(shè)計(jì)是一種將復(fù)雜系統(tǒng)分解為獨(dú)立、可互換的模塊的方法。模塊化數(shù)據(jù)中心通常由多個(gè)獨(dú)立的模塊組成，每個(gè)模塊都可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以與其他模塊組合，以滿足不同的需求。模塊化數(shù)據(jù)中心爆炸圖如圖3所示。

圖3 模塊化數(shù)據(jù)中心爆炸圖

模塊化數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)是一種高效、靈活且可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)中心建設(shè)方法。以下是模塊化數(shù)據(jù)中心在建設(shè)過程中的一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)原則和實(shí)踐。

1）模塊化設(shè)計(jì)：模塊化數(shù)據(jù)中心采用“1＋4＋N”的生態(tài)解決方案，其中“1”代表核心模塊，包括IT設(shè)備、供電、電池和溫控模塊，“4”代表四個(gè)輔助模塊，而“N”代表根據(jù)需求添加的其他模塊。這種設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)中心能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求快速擴(kuò)展。

2）預(yù)制化和預(yù)集成：基礎(chǔ)設(shè)施在工廠預(yù)集成，現(xiàn)場采用積木式搭建，顯著加快建設(shè)周期，相比傳統(tǒng)方案可加快50%以上。

3）智能技術(shù)：集成智能溫控、智能供電、智能鋰電及智能營維技術(shù)，提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率和可靠性。

4）環(huán)境適應(yīng)性：模塊化數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)考慮了抗震、防風(fēng)、防塵和防水性能，使其能夠在多種環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

5）節(jié)能和環(huán)保：設(shè)計(jì)時(shí)采用節(jié)能措施，如自然冷卻技術(shù)和高效能設(shè)備，以降低能耗和提高電源使用效率（PUE）。

6）標(biāo)準(zhǔn)化：遵循國際和國內(nèi)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)中心的安全性和可靠性。

3.2 模塊化對節(jié)能的貢獻(xiàn)

模塊化設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面的主要貢獻(xiàn)包括：

（1）全預(yù)制模塊化技術(shù)：預(yù)制模塊化數(shù)據(jù)中心通過在工廠內(nèi)預(yù)制和預(yù)調(diào)測，減少了現(xiàn)場施工時(shí)間和資源浪費(fèi)，從而提高了整體能效。

（2）高可靠性和低PUE架構(gòu)：通過采用模塊化預(yù)制化設(shè)計(jì)、高效能設(shè)備和智能管理系統(tǒng)，模塊化數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性和高可用性，同時(shí)保持低能耗。

（3）自然冷源利用：模塊化數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)充分利用自然冷源，如通過蒸發(fā)冷卻或自然通風(fēng)等方式減少機(jī)械制冷的需求，從而降低能耗。

（4）智能溫控系統(tǒng)：通過集成智能溫控技術(shù)，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載和環(huán)境條件動(dòng)態(tài)調(diào)整制冷策略，確保在滿足設(shè)備運(yùn)行要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的利用。

4.1 能耗結(jié)構(gòu)分析

通過對數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，依據(jù)各類用電設(shè)備在數(shù)據(jù)中心機(jī)房總功耗中所占比例，可進(jìn)行如下排序：在數(shù)據(jù)中心機(jī)房里，IT設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗占總功耗近半，約45%，是能耗最高的部分；空調(diào)系統(tǒng)功耗占比次之，約40%；供電系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗占總功耗10%左右；照明及其他系統(tǒng)的功耗僅占5%左右。數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)

4.2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

冷卻系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心能耗的主要部分之一。優(yōu)化冷卻系統(tǒng)不僅可以降低能耗，還可以提高設(shè)備的運(yùn)行效率和壽命。冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化是一個(gè)多方面的過程，涉及到數(shù)據(jù)中心的物理布局、設(shè)備選擇、維護(hù)策略和智能監(jiān)控。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷系統(tǒng)規(guī)劃存在的問題主要有：（1）采用家用房間級空調(diào)而非機(jī)房專用空調(diào)，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心機(jī)房無法保持良好的恒溫恒濕的環(huán)境條件。（2）設(shè)備的擺放布局不合理，為了達(dá)到設(shè)備的降溫目的，通常是加大了空調(diào)的制冷功耗，這使得冷源的過度消耗。（3）錯(cuò)誤的冷熱氣流組織規(guī)劃，造成了冷熱空氣混合從而導(dǎo)致了制冷效果的降低。

因此為達(dá)到大型數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能效果，需對大型數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)進(jìn)行合理規(guī)劃，模塊化冷通道選用列間精密空調(diào)。采用模塊化的制冷系統(tǒng)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展需求逐步增加制冷單元，從而提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。機(jī)柜采用面對面、背靠背方式擺放采用冷熱通道方式制冷。從鄰近兩機(jī)柜的正面排出冷風(fēng)經(jīng)過服務(wù)器設(shè)備的網(wǎng)孔再從機(jī)柜的背面排走熱風(fēng)，提高制冷效率以此達(dá)到節(jié)能效果。模塊化冷通道列間精密空調(diào)氣流組織示意圖模式如圖5所示。

圖5 行間級精密空調(diào)制冷氣流組織示意圖

國內(nèi)在綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，例如位于河北省張家口市張北縣的阿里巴巴張北云計(jì)算廟灘數(shù)據(jù)中心，采用了先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和高效利用可再生能源的方法。通過應(yīng)用組合式空調(diào)箱（AHU）風(fēng)墻技術(shù)和高壓直流供電（HVDC）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自然冷卻和減少電能損耗。位于北京市順義區(qū)的萬國數(shù)據(jù)十一號數(shù)據(jù)中心通過優(yōu)化供電架構(gòu)和提高綠電使用比例，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

云上天府智算中心是是國標(biāo)（GB 50174—2017）以及國際數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)Uptime Tier Ⅲ＋級的國家重大建設(shè)項(xiàng)目。其位于四川德陽天府?dāng)?shù)谷云上天府大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園，于2023年9月26日正式投運(yùn)，總投資約40億，單體建筑超5萬m2，能提供6120個(gè)6kW機(jī)柜裝機(jī)位，容納10萬臺(tái)服務(wù)器。

D數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司助力云上天府智算中心，實(shí)現(xiàn)了其直連國家骨干網(wǎng)，預(yù)計(jì)網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延將在3ms以內(nèi)，穩(wěn)定性強(qiáng)，能耗低，年平均PUE值低于1.25。D數(shù)據(jù)中心將“綠色節(jié)能”的特點(diǎn)貫穿始終，充分利用自然冷源、風(fēng)能和低功耗設(shè)備，使該項(xiàng)目每年節(jié)省耗電量可達(dá)11234萬kWh，年減排二氧化碳8.8萬t，以綠色算力助力云上天府智算中心數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

在互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的當(dāng)下，數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代信息社會(huì)運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)張。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的能耗問題逐漸進(jìn)入人們的視野，成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文圍繞大型綠色數(shù)據(jù)中心規(guī)劃領(lǐng)域展開研究，憑借多年在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃與建設(shè)方面積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并參考了前人的研究成果，詳細(xì)闡述了綠色數(shù)據(jù)中心的發(fā)展背景及其重要意義。在此基礎(chǔ)上，提出了針對大型綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃方法，并對綠色數(shù)據(jù)中心的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行了低碳節(jié)能分析。鑒于我國在綠色數(shù)據(jù)中心研究方面尚處于發(fā)展階段，本文在研究思路和方法上或許存在一定的改進(jìn)空間。不過，綠色數(shù)據(jù)中心無疑是未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重要趨勢，本文的研究成果對后續(xù)大型綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃研究具備一定的參考價(jià)值。

針對本文的研究，還有一些問題有待進(jìn)一步探索。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理量呈爆發(fā)式增長，設(shè)備產(chǎn)生的熱量也隨之大幅增加。傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱技術(shù)在應(yīng)對高密度服務(wù)器的散熱需求時(shí)愈發(fā)吃力，而液冷技術(shù)由于其高效的熱交換性能，有可能成為解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)需對其展開深入研究。

對于大型綠色數(shù)據(jù)中心利用自然資源實(shí)現(xiàn)節(jié)能的研究，應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)的自然條件進(jìn)行。比如，在光照資源豐富的地區(qū)，可以考慮加大太陽能在電力供應(yīng)中的占比；在水資源充足的區(qū)域，利用水冷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能；而在氣候寒冷的地區(qū)，則可充分利用冷風(fēng)和冰水等自然資源進(jìn)行節(jié)能。通過因地制宜的方式，挖掘自然資源在數(shù)據(jù)中心節(jié)能中的巨大潛力。