綠色數(shù)據(jù)中心主要節(jié)能技術(shù)

沈世鎮(zhèn)　申　沛　上海市能效中心

綠色數(shù)據(jù)中心主要節(jié)能技術(shù)

沈世鎮(zhèn)申沛上海市能效中心

為了提高數(shù)據(jù)中心的能源效率，盡量減少數(shù)據(jù)中心整體用電量，盡量增大數(shù)據(jù)中心整體用電量中用于IT系統(tǒng)的比例。新建數(shù)據(jù)中心應(yīng)該按綠色數(shù)據(jù)中心要求建造。主要介紹綠色數(shù)據(jù)中心的主要節(jié)能技術(shù)。如：低能耗服務(wù)器、虛擬化技術(shù)、市電直供+240V高壓直流（HVDC）、自然冷卻、合理的氣流組織、建筑節(jié)能技術(shù)。

綠色數(shù)據(jù)中心；節(jié)能技術(shù)；用電量

隨著信息化快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)步伐明顯加快，總量已超過300萬個(gè)，耗電量占全球總耗電量的比例為1.1%～1.5%，其高能耗問題已引起各國政府的高度重視。國際上普遍通過應(yīng)用節(jié)能、節(jié)水、低碳等技術(shù)產(chǎn)品以及先進(jìn)管理方法建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心（Green Data Center），實(shí)現(xiàn)能源效率最大化和環(huán)境影響最小化。

近年來，我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅猛，總量已超過40萬個(gè)，年耗電量超過全社會用電量的1.5%［1］。數(shù)據(jù)中心的能耗主要包括服務(wù)器、交換機(jī)、存儲系統(tǒng)等IT設(shè)備的能耗，也包括空調(diào)、配電、照明等輔助系統(tǒng)的能耗。2009年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量約364億kWh，2011年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量約700億kWh，2015年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量約1000億kWh，相當(dāng)于一個(gè)三峽電站一年的發(fā)電量。

數(shù)據(jù)中心是一整套復(fù)雜的設(shè)施，它不僅包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和其他與之配套的設(shè)備（如通訊設(shè)備和存儲系統(tǒng)），還包括冗余的數(shù)據(jù)通信連接、環(huán)境控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備以及各種安全設(shè)備。

綠色數(shù)據(jù)中心是指數(shù)據(jù)機(jī)房中的IT系統(tǒng)、機(jī)械、配電、照明等取得最大化能源利用率和最小化的環(huán)境影響，也即提高數(shù)據(jù)中心的能源效率，盡量減少數(shù)據(jù)中心整體用電量，盡量增大數(shù)據(jù)中心整體用電量中用于IT系統(tǒng)的比例，盡量減少用于非計(jì)算設(shè)備（電源轉(zhuǎn)換、冷卻等）用電量。

目前對計(jì)算機(jī)中心能效水平普遍采用大型數(shù)據(jù)機(jī)房PUE值（PUE=數(shù)據(jù)中心設(shè)備總電耗/IT設(shè)備電耗）來評價(jià)，PUE應(yīng)≤1.5。國內(nèi)外新建先進(jìn)大型數(shù)據(jù)中心，最低PUE值已經(jīng)做到1.07～1.2，全年P(guān)UE已經(jīng)做到1.3以下。

以下對綠色數(shù)據(jù)中心目前主要采取的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行簡介。

1　低能耗服務(wù)器

集成電路芯片、電子器件是構(gòu)成設(shè)備的基礎(chǔ)。而芯片器件的能耗也是決定IT設(shè)備能耗的主要因素。IT設(shè)備需選用低功耗的產(chǎn)品和選用有效用電率高的產(chǎn)品。因此降低芯片器件的能耗、減少散熱量、提高主頻、采用多核、提高密度、減小空間，并使“功耗不變、性能提升”。是現(xiàn)行芯片器件廠商努力和用戶選擇的目標(biāo)。

數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備主要有：計(jì)算機(jī)設(shè)備、服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通訊設(shè)備、存儲設(shè)備等。服務(wù)器設(shè)備在數(shù)據(jù)中心中是一項(xiàng)重要的設(shè)備，占有較多的數(shù)量和空間，也是數(shù)據(jù)中心中能耗較多的設(shè)備。近年來，服務(wù)器的形式發(fā)生了較大的變化。由原來的主機(jī)式、落地式到現(xiàn)在的機(jī)架式、刀片式。刀片服務(wù)器密度較高比機(jī)架式服務(wù)器消耗電能要少。刀片式服務(wù)器，就是指服務(wù)器外形扁而平，活像個(gè)刀片，于是形象的叫做“刀片服務(wù)器”。在標(biāo)準(zhǔn)高度的機(jī)架式機(jī)箱內(nèi)可插裝多個(gè)卡式的服務(wù)器單元（即刀片，其實(shí)際上是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的板卡，上有處理器、內(nèi)存和硬盤等，并安裝了操作系統(tǒng)，因此一個(gè)刀片就是一臺小型服務(wù)器），這一張張的刀片組合起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)的互通和共享，在系統(tǒng)軟件的協(xié)調(diào)下同步工作就可以變成高可用和高密度的新型服務(wù)器。這些刀片服務(wù)器共用系統(tǒng)背板、冗余電源、冗余風(fēng)扇、網(wǎng)絡(luò)端口、光驅(qū)、軟驅(qū)、鍵盤、顯示器和鼠標(biāo)，一個(gè)機(jī)箱對外就是一臺服務(wù)器，而且多個(gè)刀片機(jī)箱還可以級聯(lián)，形成更大的集群系統(tǒng)。因?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式機(jī)箱通常內(nèi)置了8～14個(gè)刀片服務(wù)器，這些服務(wù)器是共用冗余電源，所以服務(wù)器電源的工作效率得到很大提升。而刀片服務(wù)器因?yàn)轶w積小，與同等速度與配置的機(jī)架式服務(wù)器相比，更加省電與節(jié)能。服務(wù)器等IT設(shè)備要考慮選用高性能的芯片、低能耗器件，并具有冗余電源和冗余散熱送風(fēng)設(shè)施和動態(tài)管理模式。

2　虛擬化技術(shù)

虛擬化是通過軟件實(shí)現(xiàn)硬件“綠色節(jié)能”的一種有效手段。虛擬化技術(shù)是合并多臺使用率比較低的IT設(shè)備（服務(wù)器設(shè)備和存儲設(shè)備）到1臺或幾臺高端IT設(shè)備上運(yùn)行?？梢詫?臺物理服務(wù)器虛擬劃分成多個(gè)相互隔離的小服務(wù)器，并且每個(gè)虛擬的小服務(wù)器都擁有獨(dú)立的IP。虛擬化可以提高系統(tǒng)適應(yīng)性，提高IT設(shè)備的有效利用率，運(yùn)行較少的服務(wù)器并動態(tài)關(guān)閉不使用的服務(wù)器，可降低設(shè)備的使用能耗。

3　市電直供+240V高壓直流（HVDC）技術(shù)

我國已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室測試到進(jìn)了信息行業(yè)應(yīng)用多年，IT設(shè)備采用240V高壓直流供電。在電信運(yùn)營商和一些大型互聯(lián)網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，已經(jīng)有數(shù)以十萬計(jì)的IT設(shè)備在240V高壓直流環(huán)境下可靠運(yùn)行幾年了，并且表現(xiàn)出很好的可靠性及節(jié)能效果。目前240 V高壓直流技術(shù)的可行性已經(jīng)得到較好驗(yàn)證，相應(yīng)的理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也在不斷研究和總結(jié)中，240 V直流供電技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)熱點(diǎn)，并在不斷改變傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電以UPS為主的格局（見圖1），也以遠(yuǎn)超380 V高壓直流技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模，正逐步流行中國并走向國際。

圖1　數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)

傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)的效率往往隨著負(fù)載率的提升而增加，如果UPS系統(tǒng)長期處于輕載狀態(tài)，那么運(yùn)行的實(shí)測效率并沒有達(dá)到宣稱的最高效率點(diǎn)。對于2N UPS架構(gòu)，每套UPS的負(fù)載率往往在30%～40%之間，雖然選用了最高效率為94%的UPS，但實(shí)際的運(yùn)行效率很可能只有約90%。

240 V高壓直流系統(tǒng)（見圖2），由于有電池直接掛接母線，那么高壓直流系統(tǒng)是允許節(jié)能休眠的，監(jiān)控會自動開啟需要工作的電源模塊數(shù)量，并使電源系統(tǒng)在任何負(fù)載情況下都可以工作在最高效率點(diǎn)附近，即高壓直流可以在全負(fù)載范圍內(nèi)都達(dá)到94%以上效率，而市電直供支路基本是100%供電效率，因此市電+240 V HVDC綜合供電效率為97%。

服務(wù)器具備支持休眠一個(gè)電源的功能，那么這種主從模式下，市電主供、高壓直流系統(tǒng)休眠后備，綜合供電效率更是高達(dá)99%，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的超高效率。

數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)（2N UPS）和市電直供+240 V高壓直流（HVDC）供電系統(tǒng)安全性均可達(dá)到99.99999999%。

圖2　 市電直供+240V高壓直流（HVDC）供電系統(tǒng)

4　自然冷卻技術(shù)

4.1自然冷源

阿里云位于浙江千島湖的數(shù)據(jù)中心因地制宜采用湖水制冷。深層湖水通過完全密閉的管道流經(jīng)數(shù)據(jù)中心，幫助服務(wù)器降溫，再流經(jīng)2.5 km的青溪新城中軸溪，作為城市景觀呈現(xiàn)，自然冷卻后最終潔凈地回到千島湖。

得益于千島湖地區(qū)年平均氣溫17℃，其常年恒定的深層湖水水溫，足以讓數(shù)據(jù)中心90%的時(shí)間都不依賴湖水之外的制冷能源，制冷能耗節(jié)省超過8成。

千島湖數(shù)據(jù)中心是國內(nèi)領(lǐng)先的新一代綠色數(shù)據(jù)中心，利用深層湖水制冷并采用阿里巴巴定制硬件，設(shè)計(jì)年平均PUE低于1.3，最低時(shí)PUE1.17，也是目前國內(nèi)亞熱帶最節(jié)能的數(shù)據(jù)中心之一。

Google、Facebook許多數(shù)據(jù)中心都有用自然冷源冷卻的成功案例。

4.2水冷+自然冷卻供冷

有些數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)離江湖，無法利用到自然水冷源，但可以利用過度季節(jié)、冬季空氣的冷源。

大型數(shù)據(jù)中心制冷空調(diào)系統(tǒng)一般采用水冷冷凍機(jī)組+精密空調(diào)（風(fēng)機(jī)盤管），見圖3。

數(shù)據(jù)中心中由于服務(wù)器、UPS、電壓調(diào)節(jié)單元、服務(wù)器風(fēng)扇、供電單元、照明消耗電力，最后以熱的方式散發(fā)到空間，由于數(shù)據(jù)中心全年不停運(yùn)行，即使冬天也要冷凍空調(diào)。

冷凍機(jī)出水溫度一般控制在15℃，回水溫度控制在22℃。當(dāng)外界氣溫低于16℃、濕球溫度低于12℃或冷卻塔水溫低于15℃，就可對精密空調(diào)器22℃冷凍水回水進(jìn)行預(yù)降溫，但此時(shí)冷卻水不能將冷凍水降到15℃，必需和冷凍機(jī)串聯(lián)，通過冷凍機(jī)控制水溫到15℃，但由于冷卻水對冷凍水進(jìn)行了預(yù)冷，可降低冷凍機(jī)的電力消耗。當(dāng)氣溫不斷降低，可逐步減少通過冷凍機(jī)的流量，大部分通過旁路，冷凍機(jī)和旁路并聯(lián)，由于冷卻水溫不穩(wěn)定，必需通過冷凍機(jī)調(diào)節(jié)混合溫度，精確控制出水溫度在15℃。這時(shí)候?yàn)椴糠肿匀焕鋮s。

但外界氣溫足夠冷，冷卻水溫降到10℃以下，就可以將22℃冷凍水回水降到15℃，可停開冷凍機(jī)，這時(shí)候進(jìn)入全自然冷卻。

在部分自然冷卻階段，用于冷卻冷凍水的冷卻塔和用于冷卻冷凍機(jī)冷凝器的冷卻塔，應(yīng)該分開設(shè)置。因?yàn)閮蓚€(gè)冷卻塔要求不一致，用于冷卻冷凍水的冷卻要求水溫越低越好。用于冷卻冷凍機(jī)冷凝器的冷卻水溫不能低于18℃，否則冷凍機(jī)會自動停機(jī)，可通過不開風(fēng)機(jī)、通過旁路回水方法來保證冷凍機(jī)冷凝器的冷卻水溫在20～25℃。

圖3　水冷+自然冷卻系統(tǒng)圖

4.3風(fēng)冷+自然冷卻供冷技術(shù)

中小型數(shù)據(jù)中心一般采用風(fēng)冷精密空調(diào)，見圖4。

過度季節(jié)、冬季利用自然冷卻，可以在回風(fēng)口和室外加裝熱交換器。二個(gè)熱交換器之間用乙二醇水溶液管道連接，通過水泵實(shí)行乙二醇水溶液的循環(huán)。當(dāng)氣溫低于20℃時(shí)，開啟室外熱交換器的風(fēng)機(jī)、開啟乙二醇水溶液水泵，乙二醇水溶液在回風(fēng)口熱交換器吸收熱量，到室外熱交換器放出熱量，起到對熱回風(fēng)預(yù)冷的作用，從而降低精密空調(diào)器的電力消耗。隨著氣溫越來越降低，自然冷卻效果越來越顯現(xiàn)，由于回風(fēng)熱交換器已經(jīng)抵消了大部分熱負(fù)荷，精密空調(diào)壓縮機(jī)開始卸載工作。

回風(fēng)口熱交換器要注意冬季凝結(jié)水的排放。

風(fēng)冷精密空調(diào)器必需是變頻空調(diào)，根據(jù)送風(fēng)溫度進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。

圖4　 風(fēng)冷+自然冷卻系統(tǒng)圖

5　優(yōu)化氣流組織

數(shù)據(jù)中心設(shè)備需要冷卻以保持最佳的溫度水平。通常的空氣流是通過空調(diào)設(shè)備（AC）到IT設(shè)備，再回到AC設(shè)備。有時(shí)，氣流可能不會走這條路徑。輸出端的氣流可能會返回到輸入端，從而會降低冷卻效果。

保持熱空氣與冷空氣彼此遠(yuǎn)離，可以有效地管理氣流提高冷卻效果，節(jié)省成本。通過冷通道封閉（見圖5）或熱通道（見圖6）封閉，防止熱空氣從機(jī)架后面泄漏到機(jī)架前面，優(yōu)化冷卻效果。

封閉通道是解決數(shù)據(jù)中心中高熱密度機(jī)柜冷卻問題的有效辦法。封閉冷通道后室內(nèi)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量可減少30%，室內(nèi)風(fēng)機(jī)可省電約2/3，封閉熱通道后室內(nèi)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量可減少12.5%，室內(nèi)風(fēng)機(jī)可省電約1/3；封閉冷通道后制冷系統(tǒng)的能耗在數(shù)據(jù)中心整體能耗中所占比例由38%減為35.4%，封閉熱通道后制冷系統(tǒng)的能耗在數(shù)據(jù)中心整體能耗中所占比例由38%減低為36.7%；數(shù)據(jù)中心封閉冷通道比封閉熱通道節(jié)能2%，比不封閉通道節(jié)能4%。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心的PUE計(jì)算實(shí)例表明：封閉冷通道后數(shù)據(jù)中心的PUE值降低0.04，封閉熱通道后數(shù)據(jù)中心的PUE值降低0.02。

但封閉冷通道機(jī)房室內(nèi)溫度較高，巡回檢查、維修人員工作環(huán)境較熱。

圖5　冷通道封閉

圖6　熱通道封閉

6　建筑節(jié)能

建筑節(jié)能也即節(jié)約建筑物的能源消耗，減少能源損失，提高能源利用率。建筑節(jié)能技術(shù)主要是，采用新型保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效制冷空調(diào)、節(jié)能照明、利用可再生能源以達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心單體建筑和綠色節(jié)能的需要，很多建筑節(jié)能技術(shù)可以在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心建設(shè)中借鑒和應(yīng)用，促進(jìn)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能高效。

6.1建筑外形設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)

建筑外形設(shè)計(jì)節(jié)能包括建筑格局朝向、外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、體形系數(shù)、表面面積系數(shù)設(shè)計(jì)等。建筑物的體形系數(shù)就是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積A（m2）與其所包圍的體積V（m3）的比值。外表面積中，不包括地面和不采暖樓梯間隔墻和戶門的面積。在其他條件相同的情況下，建筑物耗熱量指標(biāo)隨體形系數(shù)的增長而增長。研究表明，體形系數(shù)每增大0.01，能耗指標(biāo)大約增加2.5%。從有利于節(jié)能出發(fā)，體形系數(shù)應(yīng)盡可能地小。在相同體積的建筑中，以立方體的體形系數(shù)為最小。

6.2建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)

墻體采用巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯塑料、聚胺酯泡沫塑料及聚乙烯塑料等新型高效保溫絕熱材料以及復(fù)合墻體，降低外墻傳熱系數(shù)。

采取增加窗玻璃層數(shù)、窗上加貼透明聚酯膜、加裝門窗密封條、使用低輻射玻璃（low-E玻璃）、封裝玻璃和絕熱性能好的塑料窗等措施，改善門窗絕熱性能，有效阻擋室內(nèi)空氣與室外空氣的熱傳導(dǎo)。

采用高效保溫材料保溫屋面、架空型保溫屋面、浮石沙保溫屋面和倒置型保溫屋面等節(jié)能屋面。在南方地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)采用屋面遮陽隔熱技術(shù)。

適當(dāng)?shù)耐庹陉柌贾?，會比?nèi)遮陽對減少日射得熱更為有效。有的時(shí)候甚至可以減少日射熱量的70%～80%。外遮陽可以依靠各種遮陽板、建筑物的遮擋、窗戶側(cè)檐、屋檐等發(fā)揮作用。

6.3提高冷凍機(jī)能效技術(shù)

采用地（水）源冷凍機(jī)，由于地源、水源溫度比較低，可降低冷凍機(jī)的冷凝壓力，大大提高冷凍機(jī)COP，降低冷凍機(jī)的能耗。

提高冷凍機(jī)出水溫度，一般冷凍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)出水溫度為7℃，這個(gè)工況下冷凍機(jī)一級能效可達(dá)到COP=6.2，當(dāng)冷凍機(jī)出水溫度達(dá)到15℃，冷凍機(jī)COP可達(dá)到8以上。

采用磁懸浮冷凍機(jī)，在傳統(tǒng)的制冷壓縮機(jī)中，機(jī)械軸承是必需的部件，并且需要有潤滑油以及潤滑油循環(huán)系統(tǒng)來保證機(jī)械軸承的工作。機(jī)械軸承不僅產(chǎn)生磨擦損失，潤滑油隨制冷循環(huán)而進(jìn)入到熱交換器中，在傳熱表面形成的油膜成為熱阻，影響換熱器的效率，過多的潤滑油存在于系統(tǒng)中對制冷效率帶來很大的影響。

磁懸浮軸承是一種利用磁場，使轉(zhuǎn)子懸浮起來，從而在旋轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生機(jī)械接觸、機(jī)械磨擦，不再需要機(jī)械軸承和潤滑系統(tǒng)。這種新型的壓縮機(jī)無需潤滑油，無油化設(shè)計(jì)不僅排除了油污染對制冷效率的影響，同時(shí)也減少了油熱器、油泵、油分離器、油過濾器等配件。

這種新型的壓縮機(jī)采用兩級離心式壓縮機(jī)。新型的壓縮機(jī)還結(jié)合了數(shù)字變頻控制技術(shù)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在15 000～48 000 r/min之間調(diào)節(jié)。

無摩擦和離心壓縮方式使壓縮機(jī)獲得了高達(dá)COP=5.6的滿負(fù)荷效率，而變頻控制技術(shù)則使壓縮機(jī)獲得了IPLV=8.58極其優(yōu)異的部分負(fù)荷效率，壓縮機(jī)比其它品牌同種型號的節(jié)能48%。

6.4冰蓄冷、水蓄冷技術(shù)

冰蓄冷、水蓄冷技術(shù)可有效解決能量供給與需求時(shí)間上的不匹配問題，提高系統(tǒng)安全性。在制冷系統(tǒng)中應(yīng)用冰蓄冷、水蓄冷技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的“削峰填谷”的重要途徑。

6.5利用再生能源技術(shù)

太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿榷紝儆诳稍偕鍧嵞茉础Ｌ柲芤惑w化建筑是當(dāng)前太陽能利用的發(fā)展趨勢。利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)為建筑物供電。

6.6照明節(jié)能技術(shù)

采用智能照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)按需照明；盡量利用自然光（頂部天窗，屋頂采光等）；推廣使用LED節(jié)能燈，比熒光燈的節(jié)電50%～60%。

6.7變頻節(jié)能技術(shù)

冷凍機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻技術(shù)，根據(jù)負(fù)荷變化，自動調(diào)節(jié)冷凍機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵轉(zhuǎn)速，降低冷凍機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵功耗。

Main Energy Saving Technologies of Green Data Center

Shen Shizhen， Shen Pei Shanghai Energy Efficiency Center

To improve data center energy efficiency， it is key to reduce whole data center electric power consumption and improve ratio of IT equipment electrical power consumption among whole data center electric power consumption. Newly-built data center construction standard is according to green data center standard. The article introduces main energy saving technologies of green data center， such as low energy consumption servers，virtualization technology， main power direct supply plus 240v high voltage direct current， free cooling， reasonable air distribution and architecture energy saving technologies.

Green Data Center， Energy Saving Technologies， Electrical Power Consumption

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.08.009