数据中心的绿色化发展趋势和低碳技术应用

文│中国电子工程设计院 李 明

全球气候变暖、生态危机、能源危机等环境和能源问题的出现对人类的生存和发展产生了严峻挑战，走可持续发展道路已成为全球共同面临的紧迫任务。作为能耗占全部能耗1/3的建筑业，很早就将可持续发展列入核心发展目标，绿色建筑在这种环境下应运而生。作为建筑的一种类型，数据中心的低碳化发展已成为建筑和IT行业目前关注的热点。随着新技术、新业务的迅速发展，IT系统的规模不断攀升，数据中心规模猛增，能耗越来越高，数据中心运营成本也不断增高，由此带来的碳排放问题和环境污染问题，对数据中心的节能降耗、履行社会责任提出新的挑战。

1 国外绿色数据中心发展现状

2005年建于美国马里兰州厄巴纳的联邦国民抵押贷款协会厄巴纳技术中心是第一个得到国际公认的绿色数据中心，建筑面积为23000m2，其中有一半的面积为数据中心。该建筑通过了美国绿色建筑委员会（USGBC）的能源与环境设计认证（以下统称“LEED™”）。

虽然世界上第一个绿色数据中心的建成才几年，但绿色数据中心的理念已被广泛传播和接收。截止目前，绿色数据中心的节能技术和节能产品规范得到相关国际组织和企业的大力支持，主要包括：

（1）美国环境保护署（EPA）已发布能源之星5.0版显示器规范、能源之星计算机规范5.0版、能源之星服务器规范1.0版，正在制订能源之星服务器规范2.0版、能源之星显示器规范6.0版、能源之星UPS规范1.0版和数据存储设备能源之星规范1.0版本。

（2）美国绿色网格联盟（TGG）制订了数据中心能效评价标准

美国绿色网格联盟于2007年2月26日设立，是一个以提高数据中心和IT设备能效的全球产业联盟。截止目前，已发布了包括电源使用效率（PUE）、数据中心基础结构效率（DCIE）等多部有关数据中心能效标准的白皮书，并推动电源使用效率（PUE）成为业内通用的衡量数据中心能源效率的标准。

（3）正常运行时间协会（Uptime Institute）发布了热密度趋势报告

成立于1993年的正常运行时间协会是一个提供数据中心培训和咨询的组织，近年将注意力投入到数据中心能效和环境因素研究。协会定期进行学术讨论会，并已发布包括数据中心热密度报告的多部以绿色环保数据中心为主题的白皮书。从2008年开始，正常运行时间协会通过颁发绿色企业IT奖，来奖励那些提高数据中心能效的公司。

（4）欧盟制订了非官方的数据中心行为准则

欧盟对能效、减少温室气体排放和其他环境问题的关注程度居世界领先水平，并已经发布了非官方的数据中心行为守则，以鼓励提高数据中心的能效。欧盟还通过了欧盟建筑能源行动指令，并为其成员国设定能源消耗和碳排放量降低指标，规范了单独应用于宽带设备、数字电视设备、供电和用电及UPS系统电能效的行为。

（5）美国绿色建筑协会（U.S Green Building Council）制订了数据中心绿色评价标准

由于LEED™作为绿色建筑的评估系统，无法准确评估数据中心与计算环境相关的功能及无法反映数据中心对环境造成主要影响的特征，业界又希望LEED™认证能够更好地对数据中心进行绿色评估。因此，美国绿色建筑协会组织工作组制定了专门用于数据中心项目的绿色评级标准。美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）正在为能源与环境设计认证开发应用于数据中心的绿色评估标准。

（6）众多业内企业实施绿色数据中心计划

国际商业机器公司（IBM）实施了“绿色创新工程”，惠普公司（HP）针对下一代数据中心（NGDC）提出适用性IT基础设施解决方案，戴尔公司（Dell）携手合作伙伴构建绿色数据中心生态系统。

（7）国外绿色建筑评估体系

目前国际上的绿色建筑认证体系主要有：LEED™（美国）、BREEAM（英国）、CASBE（日本）、Blue Angel（德国、北欧）等。《绿色建筑评估体系》（Leadership in Energy& Environmental Design Building Rating System，LEED™）是目前世界各国建筑环保评估、绿色建筑评估及建筑可持续性评估标准中最完善、最有影响力的评估标准，已成为世界各国建立各自绿色建筑及可持续性评估标准的范本。

2 国内绿色数据中心发展现状

随着云计算、物联网、智慧城市、移动互联网的落地实施，使得数据中心建设规模迅速增大，数据中心能耗在国内也受到越来越多的关注。

（1）《电子信息系统机房设计规范》GB 50174-2008的颁布，规范了电子信息系统机房的设计，使得建设的数据中心达到技术先进、经济合理、安全适用和节能环保。

（2）住房和城乡建设部正在组织专家编制《数据中心设计规范》

《电子信息系统机房设计规范》GB 50174-2008颁布后，在业内取得较好的效果，但是随着云计算技术、移动互联网的发展，数据中心数量和面积越来越多、越来越大，并且绿色数据中心概念的提出，急需能指导规范数据中心绿色设计的相应规范出台。因此，2011年住房和城乡建设部组织行业内专家启动了《数据中心设计规范》。

（3）“云计算发展与政策论坛”发布了数据中心能效测评指南

2012年3月16日，在“云计算发展与政策论坛”第二次高端会议上，发布了我国《数据中心能效评价指南》，指南结合我国数据中心实际发展情况，定义了电源使用效率（PUE）、局部电源使用效率、制冷/供电负载系统和可再生能源利用率四个数据中心能效评价指标，提出了具体的能效评价指标测量方法和数据的发布要求等。

（4）中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组发布了《数据中心供配电系统技术白皮书》、《数据中心空调系统应用技术白皮书》，对于数据中心建设运营方、设计院工程技术人员、系统集成商具有重要的指导意义。

（5）国内许多骨干企业提出了因地制宜的绿色数据中心解决方案

①华为技术公司提出了面向服务的下一代绿色数据中心解决方案，帮助用户解决数据中心面临的高成本、低效益问题。面向服务的下一代绿色数据中心解决方案引入模块化设计理念，以绿色节能为核心，综合运用数据中心热管理和IT虚拟化技术，应用自动化运营管理平台，全面助力用户构建可运营、可维护、可扩展的业务增值与创新中心。

②中兴通讯公司借助能效矩阵概念为用户打造新一代数据中心。中兴通讯公司新一代数据中心解决方案从劳动密集型、硬编码、特定和孤立的体系结构转变为模块化、虚拟化、可扩展、以服务为导向和自动化管理的云计算/存储环境。建设“自动化7×24无人值守”的新一代数据中心，使用户获得更低的建设和运维成本、更快的响应速度、更高的服务质量和更好的客户体验，为客户打造可运营、可管理、安全可靠和绿色节能的IT综合业务平台，帮助目标客户向最终用户提供VIP数据中心、机柜租用、主机租用、VPS主机、主机托管、网站托管和企业邮局等基础业务，提供域名解析、内容分发、网站加速、负载分担、统计分析、安全管理和备份容灾等增值业务。

中兴通讯公司新一代数据中心采用结构化分层的方法，集合设施层、硬件层、虚拟层、软件平台层为IaaS服务模块，集合能力层、应用平台层组成PaaS服务模块，软件服务层组成SaaS服务模块，有效地覆盖数据中心的全方位应用业务。

3 数据中心低碳技术应用

数据中心绿色化应以全生命周期方法论来实现，首先建设阶段应选址于具有充足可再生能源地区，其次要充分利用空调系统、电气系统、IT系统的低碳技术和措施。

3.1 选址

数据中心位置与其绿色程度密切相关，具有充足可再生能源的地区比可再生资源匮乏的地区建造数据中心更加绿色和更有优势。

在数据中心选址时，应从以下方面考虑：

（1）电力混合

优先选择在碳排放因子较低的区域。

（2）气候

优先选择在较寒冷的地区。

（3）建筑标准

采用绿色的建筑标准。

3.2 空调系统节能

3.2.1 数据中心的温度

数据中心的温度要求决定了数据中心空调系统的工作负载和电力消耗，将IT设备温度控制在18℃以下明显比控制在24℃消耗更多的电能。

长期以来，数据中心运维人员都习惯性将数据中心环境维持在低温度环境下，使得IT设备保持一个高性能的工况。随着高密度IT设备的购置和使用，使得数据中心空调系统电力消耗成倍增加，运维人员和空调行业逐渐认识到提高运营温度可以节约可观的电能和降低运营成本。

美国供暖、制冷及空调工程师协会（ASHRAE）扩展了推荐的IT硬件温度范围，实现数据中心的节能。ASHRAE推荐使用的服务器入口温度范围是18℃～27℃，接近于2004年的推荐值20℃～25℃的两倍。

同时，谷歌、惠普、微软等公司均选择提高各自数据中心环境的温度设定值，作为减少能耗和降低成本的一种方法。高德纳咨询公司（Gartner）发表的“如何在数据中心节能百万千瓦时”报告中指出，将提高运营温度推荐为一种减少数据中心能耗的使用方法。

对于已设计安装了节能装置的数据中心，提高环境温度的节能效果更显著。数据中心IT设备所能接受的温度越高，节能装置每年对设备常规制冷系统起补充作用的天数就越多，从而能够降低能耗、电费和碳排放量。

未设计安装节能装置的数据中心的节能效果会稍微低一些。但仍然因空调系统送风温度或冷却水温度的提高，可以提高冷却装置的效率。冷却水每提高0.56℃会增加1%～2%的制冷效率。因此，在规定温度为12.8℃的数据中心的空调系统比规定温度为7.2℃的效率要高10%～20%。

3.2.2 空调系统节能

数据中心空调系统的主要组件也可以应用一些绿色方法。

（1）节能装置

减少最耗能组件的运行时间是一个实现数据中心空调系统的绿色方法，包括当数据中心环境温度和湿度达到一定条件时，节能装置可以利用外部环境来冷却数据中心，而不需要运行冷却装置。

（2）热轮转

另一种利用较低外界温度的方式是使用旋转式热交换器，也称为热轮转。轮转会在较冷外部空气与较热的数据中心空气之间缓慢转动。转轮上的面板会被外部的空气降温，然后转到内部时吸收服务器环境的热量。

热轮转具有压缩和不会混合内部与外部空气，不需要过滤杂质和控制温度的优点。

（3）地温制冷

地温制冷是在建筑物下嵌入管道，利用地下低温来冷却通过这些管道的液体。地温制冷相对于传统数据中心制冷系统而言所需要的能源更少，因为它利用的是地下温度，而且不受季节性变化温度的影响。地温系统既可以与传统数据中心冷却塔共同实现，也可以作为单独的封闭循环系统实现。封闭循环系统更加绿色，因为它不需要从本地市政供水部门购买大量的补给水。

与许多绿色技术相似，地温系统相对于数据中心传统的制冷系统而言，前期的投入成本更高一些，但是随着应用时间的推移，它最终会由于减少能耗和维护费用而实现节约。

数据中心最终所实现的地温制冷是建设在设施地下的，它将周围的土地作为一个大型的散热器。

（4）变频驱动器

变频驱动器适用于数据中心IT负荷不足或接近最大容量的条件。数据中心有一些设备组件是由电动机驱动的，其中包括制冷装置、次级泵、冷却塔风扇和空调。

通过在发动机驱动的组件上安装变频驱动器，使得电动机的速度能够根据负载需求进行调节，而不是只能在启动后均以全速运行。改变发动机的供电频率就能够使发动机的运行速度发生变化。

降低数据中心空调系统的泵和风扇速度能够节约更多的电能。

（5）冷却塔水

数据中心水冷型空调系统通过冷却塔采用蒸发冷却方法来排放数据中心内产生的热量。在这个过程中，每个月可能需要蒸发大量的水，而这些水必须进行补充。

补给水一般来自于市政供水。如果能够充分利用回收水，可以显著提高数据中心绿色程度，减少消耗本地供水。

3.2.3 提升数据中心环境效率

数据中心所面临一个最大的挑战是有效地对主机空间的所有设备进行冷却。最难的是将冷空气精准地输送至需要冷却的位置，同时排出IT设备所产生的热空气。

数据中心需要花费大量的能量使空气流动，注入冷气和排出热气，使之到达需要的位置。数据中心的气流越合理，运行制冷系统所需要的能量就越少，设施就越绿色。

（1）隔离冷热气流

为了提高数据中心空调系统效率，隔离数据中心的气流是一个好方法，能够减少能耗和实现更绿色的数据中心。这种方式目前被普遍采用。

另一种方式是使用一种封闭的服务器机柜，它们具有附加的排气管，能够将硬件的热气排放到上面的集气空间，不仅能够防止冷热气流混合，还能够防止空气进入主机空间，从而减少数据中心空调冷却服务器的负载。

冷通道或热通道封闭同样能够减少能耗和实现绿色。

（2）封堵不需要的缺口

数据中心冷气输送过程中可能发生泄漏，使得空调系统的负载更高，消耗更多电能。

对数据中心的缺口封堵得越彻底，空调系统的性能就越好，浪费的电能就越少，就越绿色。

（3）正确选择机柜

机柜选择合适能够使得IT设备高效制冷。带有排气管的封闭机柜能够隔离冷热气流，液体制冷机柜比空气更高效。

（4）制冷分布

除以上方式，还可以通过优化空调设备位置和制冷功能实现方式提高系统的绿色程度。

3.3 电气系统节能

虽然有无数方法可以使数据中心更绿色，但是没有一种比能耗优化的作用更大。常规发电会消耗有限矿石燃料、排放温室气体和污染大气，所以能够让设施使用更少能源的每种行为都使得数据中心更加绿色。

3.3.1 优先选择可替代能源作为数据中心电源

由于目前最常见的发电方法是消耗有限的矿石燃料，并会产生温室气体，因此可以通过尝试利用可替代能源来实现更高的绿色水平。最好的可替代能源是生物燃料、燃料电池、水电、太阳能、风能等可再生、产生最少排放且可靠的能源。

3.3.2 设计高效的供配电系统

数据中心供配电系统的许多环节都可以进行优化，避免设计过多无用容量或消耗更多不必要资源的超大元件，或者尺寸过小从而引起能源瓶颈的元件。

（1）直流供电和交流供电

数据中心直流供电被认为比交流供电的能效更高，理论依据是直流供电不经过多次转换，所以更节能。但是直流供电的相关技术还不成熟，并且有些服务器不支持直流供电，因此目前在行业内还很有争议。

（2）使用效率更高的配电装置

配电装置负责完成供配电的最后一环，虽然在转换过程中出现电力损耗不可避免，但可使用高效配电装置来减少损耗。

（3）选择高效的不间断电源

UPS系统运行较大负载时效率更高，所以数据中心应设计一个由较小组件构成的模块化系统，负载不高的大型系统的效率会比负载较高的小型系统效率低。

购买UPS设备时，应从制造商获知效率曲线，然后选择适合本数据中心运行负载条件下性能最佳的UPS设备。

（4）照明

数据中心应安装较小的T8或T5日光灯或节能灯，使智能照明系统达到节能的目的。

（5）电源监控

安装电源监控系统，量化监控数据中心各个部分用电情况，可根据监控结果动态尝试绿色改进措施。

3.4 选用绿色IT设备

IT设备是数据中心耗电量大户。服务器、网络设备、存储设备是数据中心供电和冷却的目标对象，因此降低IT设备耗电量和散热量会具有累积效应。依据研究结果，IT设备上节能1W，整个数据中心节能3W。选择高能效硬件除了环境受益外，还可以节省成本。节省的具体额度取决于数据中心的用电成本，在我国，目前一台服务器三年的运营成本相当于服务器价格的1.5倍。评估IT设备时，需要系统分析硬件，包括满足处理需求、每千瓦的处理能力。

3.5 按需服务的云数据中心

数据中心IT设备配置由信息系统需求决定。目前，通过合并和虚拟化使最小化资源需求可降低数据中心对环境的影响。远期来看，随着云计算技术的成熟，数据中心可借助云计算技术实现对应用系统量体裁衣地按需提供IT资源服务。

绿色数据中心IT系统的发展愿景是实现云计算技术为支撑的数据中心，其中只消耗运行应用系统正好所需的电力和资源。