3.6 我國數據中心綠色化進展及趨勢

在“互聯網+”快速發展的時代背景下，互聯網產業與傳統產業融合創新已經成為重要的發展趨勢。伴隨著信息產業向智能化、泛在化發展，工業互聯網、智慧城市、智慧政務、智慧交通、智慧農業、智慧旅游、電子商務等蓬勃發展，而這些產業發展都離不開數據中心，且對數據中心的需求增長越來越快。在產業需求旺盛和國家政策的鼓勵與支持下，我國數據中心產業快速發展。

隨著數據中心業務需求不斷豐富和多樣化，對數據中心的要求也不斷提高，數據中心的建設和運營水平也不斷提高，處理速度越來越快，規模越來越大，能效水平越來越高，管理越來越智能化，數據中心產業逐漸由原來的粗放式發展向集約式發展轉變。從市場角度來看，我國數據中心產業發展速度快、規模大，但仍然面臨著建設周期長、成本高、能耗高、安全可靠性差等問題。

數據中心的電力消耗主要由IT 設備、空調系統、供電系統及照明等輔助系統構成，其中空調和供電系統主要消耗“無用功”。據不完全統計，國內數據中心電力消耗中，服務器、存儲器等IT設備消耗的“有用功”占50%左右，空調系統耗電平均占比37%左右，供電系統耗電占比約10%，降低數據中心中空調及供電系統的電力消耗成為綠色化發展的首要問題。

1.數據中心制冷技術

為了有效地降低制冷系統的能耗，近幾年產業界在自然冷源、設備控制、氣流組織等方面開展了大量的探索與實踐，如空調系統變頻控制、余熱回收技術、空調末端精確送風、封閉冷熱通道、提高冷凍水供回水溫度、提高回風溫度和獨立濕膜加濕技術等；有條件的地區采用自然冷卻也成為重要的節能方式，包括外墻風道智能換熱技術、過濾風墻智能新風技術、冷卻塔+板式換熱器、帶自然冷卻功能的風冷冷水機組和帶自然冷源的蒸發冷凝冷水機組等直接利用自然冷源和間接利用自然冷源技術。

從制冷技術發展趨勢來看：

1）制冷方式逐漸由機械制冷向自然制冷方式轉變，包括設備級、空氣級、水冷級的自然冷卻，如阿里巴巴千島湖數據中心因地制宜采用深層低溫湖水制冷，年均PUE值可達到1.3左右，比普通數據中心全年節電約數千萬。

2）制冷設備逐漸由低能效比COP（千瓦·時）值向高COP值邁進，傳統的風冷式空調采用風冷冷凝器，安裝維護方便，但COP值低于3，水冷式、蒸發式冷水型空調的COP值為4～5，而室外自然冷源利用設備可以充分利用室外冷量冷卻，COP值可達到10以上。

3）氣流組織逐步精準化，通過冷熱通道隔離、氣流組織實現有序就近精確送風，減少了循環風阻，降低了風機功耗，氣流組織方式逐漸由機房級向機柜池級、機柜排級、機柜級演變。

4）能源綜合利用，數據中心空調采用水冷式冷凝器，回收大量的冷凝熱，可用于供暖或供給生活熱水，部分機房采用跨季節、夜間蓄冷等技術。

2.數據中心供電技術

常見的數據中心供電系統主要有不間斷電源（UPS）、高壓直流供電系統（HVDC）、48V、12V 等架構，不同架構各有利弊。傳統的供電架構采用雙路UPS作2N設計，應用比較廣泛，產業鏈成熟，可靠性較高；HVDC一般采用1路市電直供、1 路HVDC冷備份的供電架構，當市電出現異常時，切換到HVDC供電，此方式供電效率較高、成本低，但是服務器電源可能需要定制；48V在通信行業普遍使用，采用48V直流供電可統一設備供電電壓，降低成本，同時可規避低壓直流的缺點，但是傳輸損耗大，目前Google、Facebook建設了48V數據中心；12V供電架構采用市電直供的方式，供電效率高，但是傳輸損耗大，且需要對服務器進行特殊定制，配置12V的電池，Microsoft的12V電池BBU集中式數據中心采用了此種方式。

從供電技術發展趨勢來看，供電系統逐漸由交流/高壓/集中式向直流/低壓/分布式轉變。傳統UPS模式下，電池放在電池室內，微模塊數據中心電池放于機柜旁邊，整機柜服務器電池放于機柜內部，但服務器內置模式下電池將置于主板上。電池越靠近末端服務器，供電系統也越分散，從電網到CPU供電路徑上的轉換級數減少，轉換效率更高，但同時供電系統的定制化程度越高，對IT電源及電池控制管理水平要求也越高。

3. IT設備節能技術

綜合利用高頻UPS、HVDC、封閉通道、提高機柜進風溫度、變頻設備、智能群控組網等技術可以實現數據中心PUE達到1.45左右，但是降低PUE，提高數據中心能效與真正的綠色數據中心仍有差距，當數據中心PUE接近1的時候，更重要的是IT設備節能。IT設備的能耗約占據整個數據中心能耗的一半，其中服務器能耗在IT設備能耗中的占比高達50%，因此提高服務器的能效水平顯得尤為重要。目前，服務器節能主要包括在服務器低負載時降低CPU頻率和電壓、處理器較長時間處于空閑狀態時使其進入休眠狀態、采用低功耗處理器等器件節能技術，以及采用虛擬化、云計算等技術提高設備負載率，采用功耗封頂、動態監控管理等整機節能技術。利用智能感知、動態監管、人工智能等新技術實現能耗的實時動態優化成為IT設備節能技術的重要發展方向。

4.數據中心節水技術

水是數據中心消耗的另一個主要能源，當數據中心規模較大時，尤其是采用冷凍水自然冷卻系統的數據中心，水資源消耗是不容忽視的。目前，一方面可通過降低數據中心PUE、提高數據中心機房溫度等降低數據中心能耗，減輕數據中心制冷系統負擔；另一方面可使用閉式冷卻塔等節水裝置，或者采用其他風冷、直接蒸發冷卻等方式降低數據中心對水的需求量，如Facebook 數據中心一期使用直接蒸發風冷以及加濕系統，二期使用阻尼器控制系統，但建設成本相對較高。此外，Google公司創新性地使用了循環水冷卻系統，降低了數據中心的運營成本，如位于道格拉斯郡的數據中心采用城市污水，簡單凈化后進入數據中心；位于比利時的數據中心從工業運河中抽水，利用裝滿細沙的大型水箱過濾水中的小顆粒，讓水變清后進入冷卻系統。