双碳背景下的数据中心节能

徐 坚，张文利

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京210019）

0 引 言

随着数字经济的快速发展，数据中心承担的业务范围不断扩大，互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）的需求持续增长。2019年，中国互联网数据中心市场规模达1.562 5×1011元，较2018年增加了3.345×1010元，同比增长27.2%。2020年受多因素影响，科技防疫、远程办公、远程教育以及电商等下游应用领域快速发展，带动IDC行业高速发展，中国互联网数据中心市场规模将达到1.958 2×1011元，未来几年数据中心规模将保持持续增长势头。超大型数据中心由东部发达地区，逐步向西部能源丰富地区扩展。目前，在国家“双碳”（碳达峰、碳中和）目标的引导下，追求数据中心的低能耗指标，提升清洁能源的使用及利用效率已经成为大趋势，一系列围绕碳中和的节能技术创新和升级在数据中心中得到了广泛应用。

1 数据中心节能分析

在近期工信部印发的新型数据中心发展三年行动计划中，指出了绿色低碳和提高电能利用率等相关目标。围绕这一目标，数据中心节能可从加快先进绿色节能技术应用、提升清洁能源高效利用水平以及现有架构节能优化等多个方面着手。

2 绿色节能技术应用

围绕绿色低碳，数据中心行业内一直在积极探索绿色节能技术应用，目前已经有多项新技术和新产品成功的运用到数据中心基础设施建设中来，并取得了不错的节能降耗效果。

2.1 10 kV直转直流电源系统

该系统是台达携手阿里巴巴推出的全新IDC供电方案，阿里内部代号巴拿马电源系统。系统主要由10 kV进线开关柜、移相变压器柜、整流柜以及直流输出柜4部分组成，系统容量可达到2 400 kW。数据中心传统UPS供电架构需要多级配电及变换，从10 kV进线柜、变压器、低压配电柜、UPS主机、UPS输出柜、列头柜直至IT机柜，而巴拿马电源供电架构将中间配电的多个环节整合到一个成熟的产品当中，大大简化了传统的供电架构。巴拿马系统与传统电源系统对比如图1所示，由于整个供电系统架构极简，系统产品化，预制化，提高了供电系统的整体可靠性。根据目前现有厂家的数据，负载率为20%～100%时，峰值效率可达98.5%。与传统高压直流输电（High-Voltage Direct Current，HVDC）供电架构相比，供电系统的整体效率提升3%左右，损耗降低66%。

图1 巴拿马系统与传统电源系统对比

以一套2 400 kW巴拿马电源系统为例，与之容量相当的常规配电系统包含1台2 500 kVA变压器和4台600 kVA UPS主机。两套系统运行损耗对比如表1所示。

表1 巴拿马电源系统与容量相当的常规配电系统损耗对比

根据表1统计结果，采用巴拿马方案，单套系统可节省传统供电系统的一半的电力损耗，是一款绿色节能的电源产品。

2.2 间接蒸发冷却节能技术

间接蒸发冷却是指通过间接换热器，把室外空气中的干空气能转化为空气的冷量，湿空气与机房循环空气不接触，可以实现机房回风等去湿冷却，之后送入机房冷通道。在间接换热器效率较低时，联合机械制冷蒸发器，把机房回风处理到要求的水平。间接蒸发冷却在数据中心全年运行过程中充分使用自然冷源，节能效果显著，其工作原理如图2所示。

图2 间接蒸发冷系统工作原理图

间接蒸发冷却系统有3种运行模式，当室干球温度较低时，室外新风和室内空气直接通过换热器换热。当室外干球温度升高，室外湿球温度较低时，开启喷淋系统，进行间接蒸发模式。当室外湿球温度进一步升高时，需启动机压缩机补冷，进入械制冷模式。

以西部某数据中心为例，当地气候干燥，年平均气温较低。单栋建筑面积为20 000 m2，采用两种供冷方案。方案一采用4台传统的离心式冷水主机，制冷量为1 700 RT，4台闭式冷却塔，流量为1 500 m3/h。方案二采用风冷冷水机组+蒸发冷却机组混合方式，配置7台带自然冷却的风冷机组，制冷量为1 500 kW，12台带自然冷却蒸发冷却机组，制冷量为900 kW。两种方案的能耗对比如表2所示。其中电能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值，其值越接近1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好。

表2 常规冷却方案和蒸发冷却方案能耗对比表

间接蒸发冷却系统的主要亮点是可以最大限度的利用自然冷源，降低系统的能耗。其拥有超高效的空气侧换热芯体，采用最高效的材质，换热面积超过1 200 m2，换热温差达到3 ℃以上，换热效率可达到80%以上，适用于严寒地区、寒冷地区以及温和地区，特别是干燥地区，可将数据中心PUE降低至1.30以下。

根据表2对比结果，数据中心采用间接蒸发冷技术与常规水冷方案的相比，蒸发冷却技术有着更明显的节能效果，年CO2排放量可减少约6×106kg，特别适合我国西部气候干燥，平均气温较低的地区使用。

3 高效清洁能源的利用

3.1 分布式能源系统

分布式能源系统是指燃气轮机组使用天然气为燃料，通过发电机发电，利用余热锅炉、烟气换热器、溴化锂吸收式制冷机等回收机组，将排烟热量用于供冷、供热以及供电，实现冷、热、电的三联供系统，如图3（a）所示，同时还可使用燃气机组运行产生的热量给生活用水提供热源或者作为空调系统的驱动热源，大幅提高能源利用效率。余热回收示意如图3（b）所示，将发电产生的余热就近用于供冷和供热，可最大化地提高能源的利用效率。

图3 三联供运行示意

3.2 三联供运行模式

三联供运行模式是指夏季时由燃气发电机组对数据中心供电，直燃机通过余热供冷，尾部烟气加热生活热水，冬季时由市电对数据中心供电。冷却塔利用自然冷源为数据中心供冷，锅炉供应生活热水和采暖等热负荷。过渡季节时开部分燃气发电机组，不足由市电作为补充，直燃机余热供冷，其余电制冷机补充。

以北京某数据中心为例，该数据中心含两栋数据中心机楼和1栋运维办公楼，总建筑面积约为25 000 m2。夏季用电负荷为2 000 kW，冬季用电负荷为1 200 kW，数据中心楼总冷负荷为7 500 kW，运维楼夏季冷负荷为350 kW，冬季采暖热负荷为600 kW，生活热水负荷为100 kW。该数据中心三联供方案采用两台1 100 kW燃气内燃机、两台1 750 kW余热直燃机、3台650 RT电制冷机以及1台燃气热水锅炉。常规方案采用两台1 300 kW柴油发电机组、4台750 RT电制冷机以及1台燃气热水锅炉。表3为常规方案与三联供方案能耗对比。

根据表3对比结论，该数据中心采用分布式能源系统每年可减少约2.86×106kg的CO2排放。分布式能源系统采用天然气清洁能源，减少温室气体和环境污染物的排放，实现打造绿色节能数据中心。

表3 常规方案与三联供方案能耗对比表

4 现有电力架构节能优化

4.1 三路市电供电架构

目前，绝大部分数据中心均采用两路市电+柴油发电机组的供电架构，其中重要的一级负荷均由柴油发电机组作为后备电源。在大规模的数据中心园区，动力中心通常设置数十台柴油发电机组。在数据中心日常的维护中，为保障数十台油机的正常运转，冬季的水套加热、每月固定的加载测试运行都需要消耗大量的能源。

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的8.1.12条规定，A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路[1]。如规范所述，备用电源不一定是柴油发电机组，也可以是第三路市电。

以1栋20 000 m2的数据中心机楼为例，一般配置12台1 800 kW的10 kV柴油发电机组。每台机组的耗油量为0.5 m3/h，仅考虑每月固定加载测试运行1 h（暂不考虑市电失效油机投入时间），每个月固定的耗油量为6 m3的柴油，相当于7 020 kg，折算标准煤为10 228 kg。因此在条件允许的情况下，采用三路市电的供电架构不仅可以节约大量的开发投资，同时也节约了能源消耗。

4.2 1路市电+1路UPS（HVDC）供电架构

目前，除BAT等一些数据中心不间断电源系统采用1路市电+1路UPS（HVDC）供电架构外。大部分数据中心仍然采用两路UPS（HVDC）的供电架构，UPS系统损耗一般在6%，HVDC系统损耗一般在4%，系统在低负载状态下损耗要更高。

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的3.3.2条规定，A级数据中心同时满足市电质量、功率因素以及谐波等条件的情况下，电子信息设备的供电可采用不间断电源系统和市电电源系统相结合的供电方式[1]。A级机房允许采用1路市电+1路UPS（HVDC）供电方式。

数据中心供电架构如图4所示，主要包括2N UPS系统、1路市电+1路UPS以及1路市电+1路UPS（运行在ECO模式）3种模式。以某数据中心为例，单栋建筑面积为29 000 m2，IT用400 kVA UPS主机96台，2N供电架构和其他两种供电模式分别对应的电源效率及能耗情况如表4所示。

通过表4对比分析可知，在数据中心建设中，不间断电源系统占很大比例。对于大型数据中心园区，如采用图4（b）供电架构，较图4（a）可提高4%的电源系统效率，节约50%的不间断电源系统的损耗。如采用图4（c）供电架构可以进一步节能，较图4（a）可提高7%的电源系统效率，节约87.5%的不间断电源系统的损耗。采用后两种供电模式可以大大减少电源的损耗，具有相当可观的减少排放的效果。

图4 数据中心供电架构

表4 数据中心供电架构效率及损耗对比表

5 结 论

在国家“双碳”（碳达峰、碳中和）的背景下，数据中心采用各项节能措施已成为一大趋势。数据中心节能方式多样化，绿色节能技术应用、提升清洁能源高效利用水平以及现有架构节能优化都可以有效降低数据中心能耗减少排放。各个数据中心业主应根据所处地区气候环境条件，当地能源、政策以及自身发展需求，选用合适自己路线的节能技术与节能措施。