我国数据中心项目节能降碳技术应用现状

李航 柳晓雷 北京节能环保中心

数据中心作为数据枢纽和应用载体，是数字经济的核心基础设施。随着云计算、5G、人工智能等技术迅猛发展，数据需求呈几何级增长，数据中心的数量与日俱增，用电规模也随之急剧攀升。据统计，2018年北京市数据中心总耗电量约100亿千瓦时,占北京全社会用电总量的8.76%。近年来，我国数据中心行业整体用电量以每年超过10%的速度递增，占全社会总耗电量比重逐年升高，随之带来的能耗、碳排放、水耗问题已成为阻碍数据中心产业发展的主要矛盾。

近年来，国家发展和改革委员会、国家能源局、工业和信息化部、国家机关事务管理局等部委相继出台了关于绿色数据中心建设、新型数据中心绿色高质量发展的指导意见，北京市、上海市、深圳市、内蒙古自治区、贵州省等“东数西算”算力枢纽城市也出台相关政策，均对新建数据中心的规模、PUE、绿色数据中心等级、上架率、单机架功率、WUE等指标提出了限制性或建议性要求。政策的发布能够鼓励引导数据中心加大可再生能源利用率、加强先进绿色节能技术应用，是强化数据中心项目全生命周期节能管理的重要支撑。因地制宜的选择数据中心节能降碳技术将成为我国高质量推进数据中心绿色低碳发展的必然选择。

2021年7月，工业和信息化部在《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》（以下简称《行动计划》）中定义了“新型数据中心”的概念，指出“新型数据中心是以支撑经济社会数字转型、智能升级、融合创新为导向，以5G、工业互联网、云计算、人工智能等应用需求为牵引，汇聚多元数据资源、运用绿色低碳技术、具备安全可靠能力、提供高效算力服务、赋能千行百业应用的新型基础设施，具有高技术、高算力、高能效、高安全特征。”《行动计划》着重引导新型数据中心走高效、清洁、集约、循环的绿色低碳发展道路，加快先进绿色技术产品应用，鼓励应用高密度集成等高效IT设备、液冷等高效制冷系统、高压直流等高效供配电系统、能效环境集成检测等高效辅助系统技术产品。

1 数据中心节能降碳技术概述

为从源头上杜绝能源资源浪费，在数据中心方案设计阶段，应从数据中心建设整体规划角度考虑，主要通过应用自然冷源降低项目能耗，选用高密度、高能效主设备；采用液冷先进、热源快速冷却等措施；对不同方案进行技术经济测算比较，最终确定绿色、集约、经济适用的设计方案。从目前数据中心发展现状看，数据中心节能降碳技术发展趋势主要包括自然冷源利用、液冷技术应用、运营维护和模块化等。

1.1 数据中心自然冷源利用

数据中心为维持室内恒定的温湿度，消耗了巨额的电能资源，自然冷源的充分应用能够起到节能降碳的效果。目前，数据中心利用自然冷源方法主要有间接冷却和直接冷却两种。在气候适宜的地区，数据中心建设采用自然冷源，降低使用传统压缩机空调的时间，不仅实现高效散热降温，还大幅降低制冷能耗水平，从而减少由排放引起的大气污染。数据中心自然冷源利用已经得到了世界上各个国家和业内的普遍认可和实践，取得了优良的效果。

1.2 数据中心液冷技术应用

随着设备的不断增加，服务器越发的密集，研究发现传统风冷降温已经开始不能满足冷却需求，这个时候液冷技术得以发挥出自己的优势。所谓液冷技术，就是直接将液体冷却系统导入服务器内部散热，或者把服务器等需要散热的设备直接放入冷却液中，IT设备散热通过液冷方式传递给水循环，再通过室外冷却塔将热量散发到室外空气中。

Research And Markets数据显示，到2023年，全球液冷数据中心市场规模将达45.5亿美元，年复合增长率将达27.7%。国内外主流厂商都在推进液冷技术研究，除了美国的部分公司外，国内以曙光数创、阿里巴巴为代表的厂商也已经推出了系列液冷产品。

1.3 数据中心模块化

为了应对云计算、虚拟化、集中化、高密化等服务器发展的趋势，数据中心引入了模块化设计理念，最大程度地降低基础设施对数据中心环境耦合。模块化数据中心(MDC)相比传统数据中心集成度更高，各系统匹配运行更高效。模块化数据中心带来了高效快捷的可管理性，便捷的容量扩展可以随时解决数据中心的容量需求。模块化数据中心主要包括了一系列采用模块化设计的基础设施设备，如空调系统、UPS电源和电池、安全系统、供电单元、模块机架、安防系统等，通过相关模块的匹配组合形成一个完整的数据中心。模块化数据中心支持即插即用，数据中心只要10余周即可完成从设计到部署。与传统的数据中心项目进行比较，模块化数据中心所占面积最多可减少50%，相应节约30%的成本。

2 数据中心主要节能降碳技术及特点

通过梳理汇总国家及地方相关政策鼓励使用的的数据中心节能降碳技术，并参考工信部定期发布的《国家通信业节能技术产品推荐目录》，总结主要推荐技术主要包括能源供给清洁化、能源资源高效利用化和IT设备运行维护自动化三大类，具体如表1所示。部分代表性技术应用效果如下。

表1 推荐节能降碳技术汇总

2.1 高效供电技术

通常来讲，数据中心采用UPS+后备电池方案来解决IT设备的供电安全和电能质量问题。伴随着社会各界对数据中心能效和可用性的要求也越来越高，原有方案所固有的能效水平低和适用性差等缺陷逐渐凸显，而HVDC供电系统在数据中心领域的兴起为优化供电架构提供了新的思路。

传统高压直流供电系统主要是由外部电网10kV市电须经过中压配电柜、变压器、低压配电柜、HVDC、列头柜进而进入数据中心使用。目前，已有基础设施厂商研发了10kV转240V/336V直流供电系统，该系统实现了集成化部署和配置，高压市电经过10kV转240V/336V直流供电系统，输出后直接可为数据中心服务器供电，其在投资成本、空间占用、功率损耗方面具备优势。

新型UPS智能调控“三工况”的应用迎来全新发展。UPS 通过对与输入电网和输出负载质量相关的主要参数进行实时功率跟踪，并引入 AI 智能算法，对一段时间以来电网和负载的历史数据进行主动学习和分析。UPS能够准确区分不同类型的干扰（电网故障，负载故障，冲击性负载接入）和下游设备类型（包括服务器、变压器、STS 或机械负载），来决定激活 VFI（整流+逆变双变换）， VI（逆变+旁通动态在线），VFD（旁路）三种模式中最佳的运行模式，并做到自适应无缝切换，平均效率98.5%。

2.2 制冷节能技术—氟泵空调

所谓“自然冷却”，是指当室外温度低于机房内（回风）温度时，通过某些换热技术或设备，把热量传递到室外环境，通过减少制冷系统压缩机的使用来降低制冷系统能耗。机房空调行业在室外环境温度较低的“自然冷却技术”能够有效降低数据中心项目PUE，例如 “氟泵自然冷却”技术产品已经成熟并得到市场验证。近年来氟泵空调在北方地区逐步推广，其带来的PUE降低效果明显。所谓的氟泵双循环空调系统，是采用智能双循环设计，能够在冬季或春秋过渡季（室外温度较低）时，采用氟泵对制冷剂进行室外循环换热，在制冷季时，再采用压缩机进行循环换热；上述智能双循环系统能够尽量降低压缩机开启时间，产生节能降碳效果，也称之为智能双循环氟泵节能空调，依据其特点，简称为“氟泵空调”，在同一台制冷机组中可实现压缩机制冷、氟泵系统制冷、压缩机和氟泵混合制冷以及重力热管制冷四套循环系统，同时可实现间接蒸发功能，进一步降低PUE。

2.3 制冷节能技术—液冷

液冷技术具有低能耗、高散热效率、低噪音等技术优势。液冷技术主要是指利用液态工质作为中间热量传输的媒介，将计算机侧的热量直接或间接地传递至液态工质，工质继续循环，最终通过室外的换热冷却设备，将热量传递至室外环境中。液冷根据冷媒和发热元器件的接触方式不同，可分为间接冷却式和直接冷却式；根据冷媒是否发生相态变化，又可分为单相与相变两种方式。其中，间接冷却方式主要以冷板式液冷为主，通过冷板将主要发热元器件（CPU、内存等）的热量间接传递给冷板内的冷媒，具有对计算机系统改动较小、更易于推广应用的优点，适用于各类型数据中心的新建和改、扩建工程；直接冷却方式主要包括喷淋式和浸没式，其中喷淋式液冷将冷媒液体喷淋到发热元器件表面（或与之接触的扩展表面），浸没式液冷则将全部发热元器件浸没于冷媒液体中，主要利用液体流动（非相变方式）或汽化（相变方式）直接带走全部元器件热量，具有散热效率更高的优势，但对计算机系统设计要求较高，更适用于大型、超大型算力数据中心的新建工程。

根据中国电子技术标准化研究院发布《绿色数据中心白皮书2019》，冷板式和浸没式液冷相比传统风冷模式具有更优异的PUE值，且确保CPU运行温度低至65℃，有效提高系统系统运行的可靠性和安全性，具体见表2。其中，冷板式液冷早于2011年便实现大规模商业化应用；而世界领先的浸没相变式液冷于2018年实现首次落地应用，目前已在全国多个大型、超大型数据中心项目实现商业化应用。

表2 数据中心液冷与风冷的比较分析

2.4 磁光电融合大容量光盘库

采用磁光电多级存储融合和全光盘库虚拟化存储机制，实现新型光存储数据组织技术，同时利用新型固态存储、磁盘等作为光盘库的高速缓存，提供适合数据中心应用的存取接口。2U机柜能够最大容纳12240张光盘，裸存储容量超过1.2PB；可实现数据中心级无缝扩展可实现99.99%的I/O操作时间小于1秒,峰值存取吞吐率≥1GByte/s，单库容量≥0.5PByte/s，峰值功耗≤1千瓦；单盘丢失不造成数据丢失。

数据中心可采用两种及以上混合存储介质及技术，实现数据高效绿色安全存储。目前具有节能、大容量、高性能特征的存储新技术主要包括：①蓝光存储技术和产品，蓝光光盘具有存储大容量、长寿命、低成本、低功耗和高安全性的特性。蓝光光盘采用无机相变材料，单张容量可达500GB，单机柜容量可达3.2PB；蓝光光盘可在常温常湿的条件下存储数据50～100年，无需数据迁移，与磁盘存储相比总体成本（TCO）大幅降低；在节能方面，2021年4月中国信通院测试报告显示，蓝光存储比相同容量的磁盘存储能耗降低94.72%；且具有防黑客、抗电磁干扰、无辐射等功能特性，可实现数据长期、安全、可靠存储；②闪存技术和产品，闪存具有低延时、高弹性、高性能、低功耗的特点。在中国计算机行业协会2022年发布的《全球闪存存储技术及产业发展研究报告》中指出，同等容量的闪存比磁存储节能70%，空间节省50%。大规模推广存储新技术，将大大降低数据中心能耗，与此同时，单位功耗的存储能力即“存储能效”的概念也具有深入研究的意义和必要。

2.5 整机柜服务器技术

整机柜服务器是指将服务器的各个组件按照功能进行模块化重新组合，实现使用功能集中化、设计模块化。此类服务器可降低对机房环境的温度要求，提高送风精度，降低传输损耗，便于集中供电或者散热提高整体效率。

据推算，风扇墙设计可以降低¼的散热功耗。集中散热可以整合成一个散热风扇墙布局在整个机柜的后部，从而移除每个服务器节点的散热风扇。此外，还可优化供电系统效率提升9%。整机柜服务器在架构设计时考虑到供电效率和成本的优化，把机架服务器中的供电模块全部抽离出来，仅需8个2.4kW电源模块，即可满足48节点的供电需求，电源使用数量由96个减少到8个，减少90%的电源数量。实测转换效率高达94%，与传统服务器电源相比，效率提升9%。在空间利用方便也更具备优势，例如1台42U的服务器，最低可保证32个节点部署密度，最多可布置80个节点，空间利用率大幅提升。

2.6 余热回收利用技术

数据中心服务器在运行的过程中产生大量的余热，虽然余热品位低，但具有易提取、热源充足的特点，利用热泵等技术将数据中心余热回收利用，在数据中心有着广泛的应用前景，尤其是在我国北方地区，可有效帮助用户降低用热成本。但目前来看，我国数据中心余热回收利用情况并不理想。目前我国大约有8万座数据中心，绝大部分余热直接排向空气，浪费巨大。以腾讯天津数据中心为例，其提取园区1/40热量即可满足办公楼采暖需求，每年可节省采暖费50余万元，减少能耗标煤量达1620.87吨，相当于减少约4000吨二氧化碳排放，碳排放当量约为种植22万棵大树，年节能量达461.62吨，总节能率达28.48%。

数据中心热回收可以以两种方式进行，①是数据中心自建自用，供数据中心项目及周边厂房生活热水或冬季取暖使用。②是数据中心周边不具备就地消纳余热场景时，可考虑将余热纳入市政供暖系统，但仍面临政策支持、管网接入维护、成本核算等问题。

3 结论与展望

党中央、国务院大力推进数字经济发展，对数据中心绿色化协同发展提出了更高要求。北京市在“十四五”时期提出建设人工智能算力枢纽、打造全球数字经济标杆城市的目标，意味着现阶段既要对首都建设提供算力保障，又要兼顾高质量发展、绿色发展。本文通过梳理当前主流的数据中心项目节能降碳技术应用现状，对科学指导北京市数据中心项目绿色低碳发展具有重要意义。合理利用节能降碳技术是北京市高质量推进数据中心绿色低碳发展的必然选择，从能源利用效率角度来看，如何以更少的能耗水平创造出更多的算力资源和存储能力，具有探究价值；长远来看，信息技术的升级迭代、新业态场景的不断涌现，都将对数据中心的规模化快速部署、AI智能化运维、安全可信度等提出更高要求，也将对数据中心节能降碳技术创新应用带来深刻影响。