京津冀地区某大数据园区基础设施绿色节能技术路线分析

张 渊，林武隽，申清华，赵梦麟

（中国电信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

2021年4月北京市经济和信息化局发布了《北京市数据中心统筹发展实施方案（2021-2023年）》,在方案中提出“以绿色化、智能化、集约化的模式推进北京市数据中心统筹发展，新建、扩建和改造后的计算型云数据中心PUE≤1.3”的要求，同时提出“京津冀区域整体通盘考虑，因地制宜引导数据中心发展与区域的资源基础、产业结构、经济水平相适应，推动分区分类梯度布局、统筹发展”的意见[1]。可见，京津冀地区建设和运营绿色、节能数据中心必将迎来历史性的发展机遇。

1 大数据园区简介

京津冀三省地处我国华北地区，三地地缘相近、人缘相亲、文化同源。2014年2月，党中央首次提出“京津冀协同发展”重大国家战略。为积极响应国家京津冀协同发展的重大战略部署，加强三地数据中心协同建设，推进中国电信云计算产业持续健康发展，中国电信集团在天津市境内新征工业用地规划建设大数据园区如图1所示。该大数据园区已于2020年年初开工建设，计划2022年全部建成。园区规划总建筑面积37万m2，包含12栋数据中心机楼，规划机架安装数量约4.2万个，可容纳50万台服务器。

图1 大数据园区平面示意图

大数据园区积极推行节能先进技术路线，设计年均PUE值在1.3以下，并力争更低，达到本地区先进水平。注重绿色节能和环保，在节能、节水、节材、节地、保护环境等方面作充分设计，并做好绿色采购和绿色运营管理，协同提高资源利用率和能源利用效率，减少碳排放[2]。在基础设施方面，大数据园区通过推进绿色节能的供电技术和暖通空调技术，尽可能降低供配电和机房制冷等辅助性能源消耗。后面章节将对大数据园区采用的节能技术路线进行具体对比分析。

2 绿色节能供电技术分析

2.1 优先采用“一路市电+240 V高压直流”供电技术

由于当前数据中心的市电电源通常采用两路不同高压电源，其市电供电可靠性已相当高，同时数据中心配置有安全可靠的后备发电机。因此，中国电信近几年一直在满足设备供电可靠性要求的前提下，引导客户接受并使用“一路市电+240 V高压直流”技术。经中国电信实践验证，240 V高压直流技术较模块化UPS技术初期投资减少40%，运行损耗减少5%，使用后故障率和维护费用也大大降低，详细比较见表1。

表1 240 V高压直流和UPS比较

当前，BAT等互联网头部客户已普遍接受高压直流供电，因此大数据园区的客户在无明确要求时，优先采用一路市电+240 V高压直流供电[3]。

2.2 非晶合金变压器取代硅钢变压器

目前，数据中心行业使用的变压器主要有非晶合金变压器和普通硅钢变压器。变压器损耗主要包括空载损耗（铁损）和负载损耗（铜损）。变压器出厂后，空载损耗即为确定值。经实践验证，采用非晶合金制作铁心的变压器比硅钢片制作铁心变压器的空载损耗下降70%左右，见表2。

表2 普通干式变压器和非晶合金变压器空载损耗比较表

以2 500 kVA变压器为例，单台非晶合金变压器年节电量约为13 543 kWh，10年可节省电费约13.5万元。因此，园区将全部采用非晶合金变压器。

2.3 有源滤波补偿取代电容补偿

机房设备如UPS、空调、变压器、变频器、整流、逆变设备都会产生谐波。在没有安装滤波器时会产生较大谐波电流，致使电能质量下降。谐波会带来很多危害：使用电设备效率降低，影响电力测量的准确性，导致电缆发热，载流量下降，影响系统安全运行等[4]。

综合分析，有源滤波器补偿在功能性、补偿效果、安全性、占地空间等方面上明显优于电容补偿（见表3），故园区内低压配电系统计划全部采用有源滤波补偿。

表3 有源滤波器补偿和电容补偿比较

2.4 部分机房智能小母线取代列头柜

智能小母线技术在中国电信内蒙园区和贵州园区已大量应用且取得较好效果，大数据园区部分机楼拟采用智能小母线取代列头柜给机柜供电。相比于列头柜，智能小母线虽然初期投资较高，但增加了安装机柜的空间和供电可靠性，同时减少线缆供电损耗，且显著增加维护便利性（见表4）。

表4 智能小母线和传统列头柜比较

3 绿色节能暖通技术分析

3.1 冷却塔冬季供冷

园区采用开式冷却塔冬季供冷，冷却塔冬季供冷的方式是利用冷冻水侧自然冷却的技术，即冷水机组每套设置一台节能板式换热器；利用冷却塔自然冷却供冷。当室外湿球温度低于冷冻水供水温度约5 ℃时，冷水机组可完全停止运行，利用室外冷却塔作为冷源，采用自然冷却方式供冷，冷却水作为一次侧冷源，通过板式换热器对空调冷冻水降温后供给空调系统使用[5]。武清地区全年约有超过半年的时间可采用自然冷却，采用自然冷却技术可以大大降低运行成本和系统的PUE值。

3.2 顶层机房采用间接蒸发冷却机组（AHU）

蒸发冷却技术具有耗电、耗水量少的优点，目前已在我国中西部地区广泛应用。风测间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器将直接蒸发冷却得到的湿空气（二次空气）的冷量传递给待处理空气（一次空气），实现空气等湿降温的过程，其技术优劣势见表5。间接蒸发冷却可确保室内外仅传热不传质，机房内的湿度及空气品质不受室外空气的影响。

表5 蒸发冷却和水冷空调系统对比图

园区计划对部分数据机楼顶层空间较为富裕的机房安装间接蒸发冷却机组给服务器降温，以进一步提升PUE水平和节能减排效果。

3.3 合理配置空调末端

当前数据中心空调末端配置形式主要有房间级、行级和机柜级3种。其中房间级空调适用于单机柜功率低于5 kW的数据机房，超过5.5 kW功率的机柜，房间级空调将无法满足散热需求，3种配置形式比较表见表6。

表6 空调末端配置形式对比表

通过3种末端供冷形式的对比，同时结合大数据园区对客户提供差异化、定制化产品的政策，拟对低功率机架（5.5 kW及以下）采用房间级精密空调，中功率机柜（5.5～8 kW）采用行间空调，高功率（8 kW及以上）采用热管背板。

3.4 封闭热通道

封闭冷通道情况下，机房区是一个热池，空调回风温度不能大于32 ℃；若优化为封闭热通道，热池大大减小，空调回风温度可以提升至35 ℃。由于热通道封闭可以有效提升热通道温度，提高空调换热效率，总体而言，采用热通道封闭会比采用冷通道封闭更节能，两者对比见表7。

表7 封闭冷通道和热通道对比

对于有多个客户的数据机房，大数据园区倾向采用封闭冷通道的方案，对于单个客户机房，且客户接受的前提下，优先采用封闭热通道。

4 结 论

作为地处京津冀都市圈重要的数据存储、计算与应用的核心节点，大数据园区担负着为京津冀数字产业和智能制造发展提供高效存储与计算能力，以及承接北京非首都功能疏解的重任。中国电信希望高标准打造大数据中心，高质量建设标杆产业园。中国电信建设和运营团队通过积极推动基础设施绿色节能技术推广应用，确保数据中心设计年均PUE值在1.3以下，达到本地区先进水平，对其他新建大中型数据中心降低PUE具有指导和参考意义。下一步，建设团队按照既定技术路线完成基础设施的设计、建设、验收和交付各个环节，尽早实现生产能力，全力以赴塑造行业典范工程，助力京津冀协同发展。