雙碳背景下的數據中心節(jié)能

徐 堅，張文利

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京210019）

0 引 言

隨著數字經濟的快速發(fā)展，數據中心承擔的業(yè)務范圍不斷擴大，互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）的需求持續(xù)增長。2019年，中國互聯網數據中心市場規(guī)模達1.562 5×1011元，較2018年增加了3.345×1010元，同比增長27.2%。2020年受多因素影響，科技防疫、遠程辦公、遠程教育以及電商等下游應用領域快速發(fā)展，帶動IDC行業(yè)高速發(fā)展，中國互聯網數據中心市場規(guī)模將達到1.958 2×1011元，未來幾年數據中心規(guī)模將保持持續(xù)增長勢頭。超大型數據中心由東部發(fā)達地區(qū)，逐步向西部能源豐富地區(qū)擴展。目前，在國家“雙碳”（碳達峰、碳中和）目標的引導下，追求數據中心的低能耗指標，提升清潔能源的使用及利用效率已經成為大趨勢，一系列圍繞碳中和的節(jié)能技術創(chuàng)新和升級在數據中心中得到了廣泛應用。

1 數據中心節(jié)能分析

在近期工信部印發(fā)的新型數據中心發(fā)展三年行動計劃中，指出了綠色低碳和提高電能利用率等相關目標。圍繞這一目標，數據中心節(jié)能可從加快先進綠色節(jié)能技術應用、提升清潔能源高效利用水平以及現有架構節(jié)能優(yōu)化等多個方面著手。

2 綠色節(jié)能技術應用

圍繞綠色低碳，數據中心行業(yè)內一直在積極探索綠色節(jié)能技術應用，目前已經有多項新技術和新產品成功的運用到數據中心基礎設施建設中來，并取得了不錯的節(jié)能降耗效果。

2.1 10 kV直轉直流電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)是臺達攜手阿里巴巴推出的全新IDC供電方案，阿里內部代號巴拿馬電源系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由10 kV進線開關柜、移相變壓器柜、整流柜以及直流輸出柜4部分組成，系統(tǒng)容量可達到2 400 kW。數據中心傳統(tǒng)UPS供電架構需要多級配電及變換，從10 kV進線柜、變壓器、低壓配電柜、UPS主機、UPS輸出柜、列頭柜直至IT機柜，而巴拿馬電源供電架構將中間配電的多個環(huán)節(jié)整合到一個成熟的產品當中，大大簡化了傳統(tǒng)的供電架構。巴拿馬系統(tǒng)與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)對比如圖1所示，由于整個供電系統(tǒng)架構極簡，系統(tǒng)產品化，預制化，提高了供電系統(tǒng)的整體可靠性。根據目前現有廠家的數據，負載率為20%～100%時，峰值效率可達98.5%。與傳統(tǒng)高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current，HVDC）供電架構相比，供電系統(tǒng)的整體效率提升3%左右，損耗降低66%。

圖1 巴拿馬系統(tǒng)與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)對比

以一套2 400 kW巴拿馬電源系統(tǒng)為例，與之容量相當的常規(guī)配電系統(tǒng)包含1臺2 500 kVA變壓器和4臺600 kVA UPS主機。兩套系統(tǒng)運行損耗對比如表1所示。

表1 巴拿馬電源系統(tǒng)與容量相當的常規(guī)配電系統(tǒng)損耗對比

根據表1統(tǒng)計結果，采用巴拿馬方案，單套系統(tǒng)可節(jié)省傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的一半的電力損耗，是一款綠色節(jié)能的電源產品。

2.2 間接蒸發(fā)冷卻節(jié)能技術

間接蒸發(fā)冷卻是指通過間接換熱器，把室外空氣中的干空氣能轉化為空氣的冷量，濕空氣與機房循環(huán)空氣不接觸，可以實現機房回風等去濕冷卻，之后送入機房冷通道。在間接換熱器效率較低時，聯合機械制冷蒸發(fā)器，把機房回風處理到要求的水平。間接蒸發(fā)冷卻在數據中心全年運行過程中充分使用自然冷源，節(jié)能效果顯著，其工作原理如圖2所示。

圖2 間接蒸發(fā)冷系統(tǒng)工作原理圖

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)有3種運行模式，當室干球溫度較低時，室外新風和室內空氣直接通過換熱器換熱。當室外干球溫度升高，室外濕球溫度較低時，開啟噴淋系統(tǒng)，進行間接蒸發(fā)模式。當室外濕球溫度進一步升高時，需啟動機壓縮機補冷，進入械制冷模式。

以西部某數據中心為例，當地氣候干燥，年平均氣溫較低。單棟建筑面積為20 000 m2，采用兩種供冷方案。方案一采用4臺傳統(tǒng)的離心式冷水主機，制冷量為1 700 RT，4臺閉式冷卻塔，流量為1 500 m3/h。方案二采用風冷冷水機組+蒸發(fā)冷卻機組混合方式，配置7臺帶自然冷卻的風冷機組，制冷量為1 500 kW，12臺帶自然冷卻蒸發(fā)冷卻機組，制冷量為900 kW。兩種方案的能耗對比如表2所示。其中電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值，其值越接近1表明非IT設備耗能越少，即能效水平越好。

表2 常規(guī)冷卻方案和蒸發(fā)冷卻方案能耗對比表

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的主要亮點是可以最大限度的利用自然冷源，降低系統(tǒng)的能耗。其擁有超高效的空氣側換熱芯體，采用最高效的材質，換熱面積超過1 200 m2，換熱溫差達到3 ℃以上，換熱效率可達到80%以上，適用于嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)以及溫和地區(qū)，特別是干燥地區(qū)，可將數據中心PUE降低至1.30以下。

根據表2對比結果，數據中心采用間接蒸發(fā)冷技術與常規(guī)水冷方案的相比，蒸發(fā)冷卻技術有著更明顯的節(jié)能效果，年CO2排放量可減少約6×106kg，特別適合我國西部氣候干燥，平均氣溫較低的地區(qū)使用。

3 高效清潔能源的利用

3.1 分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)是指燃氣輪機組使用天然氣為燃料，通過發(fā)電機發(fā)電，利用余熱鍋爐、煙氣換熱器、溴化鋰吸收式制冷機等回收機組，將排煙熱量用于供冷、供熱以及供電，實現冷、熱、電的三聯供系統(tǒng)，如圖3（a）所示，同時還可使用燃氣機組運行產生的熱量給生活用水提供熱源或者作為空調系統(tǒng)的驅動熱源，大幅提高能源利用效率。余熱回收示意如圖3（b）所示，將發(fā)電產生的余熱就近用于供冷和供熱，可最大化地提高能源的利用效率。

圖3 三聯供運行示意

3.2 三聯供運行模式

三聯供運行模式是指夏季時由燃氣發(fā)電機組對數據中心供電，直燃機通過余熱供冷，尾部煙氣加熱生活熱水，冬季時由市電對數據中心供電。冷卻塔利用自然冷源為數據中心供冷，鍋爐供應生活熱水和采暖等熱負荷。過渡季節(jié)時開部分燃氣發(fā)電機組，不足由市電作為補充，直燃機余熱供冷，其余電制冷機補充。

以北京某數據中心為例，該數據中心含兩棟數據中心機樓和1棟運維辦公樓，總建筑面積約為25 000 m2。夏季用電負荷為2 000 kW，冬季用電負荷為1 200 kW，數據中心樓總冷負荷為7 500 kW，運維樓夏季冷負荷為350 kW，冬季采暖熱負荷為600 kW，生活熱水負荷為100 kW。該數據中心三聯供方案采用兩臺1 100 kW燃氣內燃機、兩臺1 750 kW余熱直燃機、3臺650 RT電制冷機以及1臺燃氣熱水鍋爐。常規(guī)方案采用兩臺1 300 kW柴油發(fā)電機組、4臺750 RT電制冷機以及1臺燃氣熱水鍋爐。表3為常規(guī)方案與三聯供方案能耗對比。

根據表3對比結論，該數據中心采用分布式能源系統(tǒng)每年可減少約2.86×106kg的CO2排放。分布式能源系統(tǒng)采用天然氣清潔能源，減少溫室氣體和環(huán)境污染物的排放，實現打造綠色節(jié)能數據中心。

表3 常規(guī)方案與三聯供方案能耗對比表

4 現有電力架構節(jié)能優(yōu)化

4.1 三路市電供電架構

目前，絕大部分數據中心均采用兩路市電+柴油發(fā)電機組的供電架構，其中重要的一級負荷均由柴油發(fā)電機組作為后備電源。在大規(guī)模的數據中心園區(qū)，動力中心通常設置數十臺柴油發(fā)電機組。在數據中心日常的維護中，為保障數十臺油機的正常運轉，冬季的水套加熱、每月固定的加載測試運行都需要消耗大量的能源。

根據GB 50174—2017《數據中心設計規(guī)范》的8.1.12條規(guī)定，A級數據中心應由雙重電源供電，并應設置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組，也可采用供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路[1]。如規(guī)范所述，備用電源不一定是柴油發(fā)電機組，也可以是第三路市電。

以1棟20 000 m2的數據中心機樓為例，一般配置12臺1 800 kW的10 kV柴油發(fā)電機組。每臺機組的耗油量為0.5 m3/h，僅考慮每月固定加載測試運行1 h（暫不考慮市電失效油機投入時間），每個月固定的耗油量為6 m3的柴油，相當于7 020 kg，折算標準煤為10 228 kg。因此在條件允許的情況下，采用三路市電的供電架構不僅可以節(jié)約大量的開發(fā)投資，同時也節(jié)約了能源消耗。

4.2 1路市電+1路UPS（HVDC）供電架構

目前，除BAT等一些數據中心不間斷電源系統(tǒng)采用1路市電+1路UPS（HVDC）供電架構外。大部分數據中心仍然采用兩路UPS（HVDC）的供電架構，UPS系統(tǒng)損耗一般在6%，HVDC系統(tǒng)損耗一般在4%，系統(tǒng)在低負載狀態(tài)下損耗要更高。

根據GB 50174—2017《數據中心設計規(guī)范》的3.3.2條規(guī)定，A級數據中心同時滿足市電質量、功率因素以及諧波等條件的情況下，電子信息設備的供電可采用不間斷電源系統(tǒng)和市電電源系統(tǒng)相結合的供電方式[1]。A級機房允許采用1路市電+1路UPS（HVDC）供電方式。

數據中心供電架構如圖4所示，主要包括2N UPS系統(tǒng)、1路市電+1路UPS以及1路市電+1路UPS（運行在ECO模式）3種模式。以某數據中心為例，單棟建筑面積為29 000 m2，IT用400 kVA UPS主機96臺，2N供電架構和其他兩種供電模式分別對應的電源效率及能耗情況如表4所示。

通過表4對比分析可知，在數據中心建設中，不間斷電源系統(tǒng)占很大比例。對于大型數據中心園區(qū)，如采用圖4（b）供電架構，較圖4（a）可提高4%的電源系統(tǒng)效率，節(jié)約50%的不間斷電源系統(tǒng)的損耗。如采用圖4（c）供電架構可以進一步節(jié)能，較圖4（a）可提高7%的電源系統(tǒng)效率，節(jié)約87.5%的不間斷電源系統(tǒng)的損耗。采用后兩種供電模式可以大大減少電源的損耗，具有相當可觀的減少排放的效果。

圖4 數據中心供電架構

表4 數據中心供電架構效率及損耗對比表

5 結 論

在國家“雙碳”（碳達峰、碳中和）的背景下，數據中心采用各項節(jié)能措施已成為一大趨勢。數據中心節(jié)能方式多樣化，綠色節(jié)能技術應用、提升清潔能源高效利用水平以及現有架構節(jié)能優(yōu)化都可以有效降低數據中心能耗減少排放。各個數據中心業(yè)主應根據所處地區(qū)氣候環(huán)境條件，當地能源、政策以及自身發(fā)展需求，選用合適自己路線的節(jié)能技術與節(jié)能措施。