京津冀地區某大數據園區基礎設施綠色節能技術路線分析

張 淵，林武雋，申清華，趙夢麟

（中國電信股份有限公司北京分公司，北京 100032）

0 引 言

2021年4月北京市經濟和信息化局發布了《北京市數據中心統籌發展實施方案（2021-2023年）》,在方案中提出“以綠色化、智能化、集約化的模式推進北京市數據中心統籌發展，新建、擴建和改造后的計算型云數據中心PUE≤1.3”的要求，同時提出“京津冀區域整體通盤考慮，因地制宜引導數據中心發展與區域的資源基礎、產業結構、經濟水平相適應，推動分區分類梯度布局、統籌發展”的意見[1]。可見，京津冀地區建設和運營綠色、節能數據中心必將迎來歷史性的發展機遇。

1 大數據園區簡介

京津冀三省地處我國華北地區，三地地緣相近、人緣相親、文化同源。2014年2月，黨中央首次提出“京津冀協同發展”重大國家戰略。為積極響應國家京津冀協同發展的重大戰略部署，加強三地數據中心協同建設，推進中國電信云計算產業持續健康發展，中國電信集團在天津市境內新征工業用地規劃建設大數據園區如圖1所示。該大數據園區已于2020年年初開工建設，計劃2022年全部建成。園區規劃總建筑面積37萬m2，包含12棟數據中心機樓，規劃機架安裝數量約4.2萬個，可容納50萬臺服務器。

圖1 大數據園區平面示意圖

大數據園區積極推行節能先進技術路線，設計年均PUE值在1.3以下，并力爭更低，達到本地區先進水平。注重綠色節能和環保，在節能、節水、節材、節地、保護環境等方面作充分設計，并做好綠色采購和綠色運營管理，協同提高資源利用率和能源利用效率，減少碳排放[2]。在基礎設施方面，大數據園區通過推進綠色節能的供電技術和暖通空調技術，盡可能降低供配電和機房制冷等輔助性能源消耗。后面章節將對大數據園區采用的節能技術路線進行具體對比分析。

2 綠色節能供電技術分析

2.1 優先采用“一路市電+240 V高壓直流”供電技術

由于當前數據中心的市電電源通常采用兩路不同高壓電源，其市電供電可靠性已相當高，同時數據中心配置有安全可靠的后備發電機。因此，中國電信近幾年一直在滿足設備供電可靠性要求的前提下，引導客戶接受并使用“一路市電+240 V高壓直流”技術。經中國電信實踐驗證，240 V高壓直流技術較模塊化UPS技術初期投資減少40%，運行損耗減少5%，使用后故障率和維護費用也大大降低，詳細比較見表1。

表1 240 V高壓直流和UPS比較

當前，BAT等互聯網頭部客戶已普遍接受高壓直流供電，因此大數據園區的客戶在無明確要求時，優先采用一路市電+240 V高壓直流供電[3]。

2.2 非晶合金變壓器取代硅鋼變壓器

目前，數據中心行業使用的變壓器主要有非晶合金變壓器和普通硅鋼變壓器。變壓器損耗主要包括空載損耗（鐵損）和負載損耗（銅損）。變壓器出廠后，空載損耗即為確定值。經實踐驗證，采用非晶合金制作鐵心的變壓器比硅鋼片制作鐵心變壓器的空載損耗下降70%左右，見表2。

表2 普通干式變壓器和非晶合金變壓器空載損耗比較表

以2 500 kVA變壓器為例，單臺非晶合金變壓器年節電量約為13 543 kWh，10年可節省電費約13.5萬元。因此，園區將全部采用非晶合金變壓器。

2.3 有源濾波補償取代電容補償

機房設備如UPS、空調、變壓器、變頻器、整流、逆變設備都會產生諧波。在沒有安裝濾波器時會產生較大諧波電流，致使電能質量下降。諧波會帶來很多危害：使用電設備效率降低，影響電力測量的準確性，導致電纜發熱，載流量下降，影響系統安全運行等[4]。

綜合分析，有源濾波器補償在功能性、補償效果、安全性、占地空間等方面上明顯優于電容補償（見表3），故園區內低壓配電系統計劃全部采用有源濾波補償。

表3 有源濾波器補償和電容補償比較

2.4 部分機房智能小母線取代列頭柜

智能小母線技術在中國電信內蒙園區和貴州園區已大量應用且取得較好效果，大數據園區部分機樓擬采用智能小母線取代列頭柜給機柜供電。相比于列頭柜，智能小母線雖然初期投資較高，但增加了安裝機柜的空間和供電可靠性，同時減少線纜供電損耗，且顯著增加維護便利性（見表4）。

表4 智能小母線和傳統列頭柜比較

3 綠色節能暖通技術分析

3.1 冷卻塔冬季供冷

園區采用開式冷卻塔冬季供冷，冷卻塔冬季供冷的方式是利用冷凍水側自然冷卻的技術，即冷水機組每套設置一臺節能板式換熱器；利用冷卻塔自然冷卻供冷。當室外濕球溫度低于冷凍水供水溫度約5 ℃時，冷水機組可完全停止運行，利用室外冷卻塔作為冷源，采用自然冷卻方式供冷，冷卻水作為一次側冷源，通過板式換熱器對空調冷凍水降溫后供給空調系統使用[5]。武清地區全年約有超過半年的時間可采用自然冷卻，采用自然冷卻技術可以大大降低運行成本和系統的PUE值。

3.2 頂層機房采用間接蒸發冷卻機組（AHU）

蒸發冷卻技術具有耗電、耗水量少的優點，目前已在我國中西部地區廣泛應用。風測間接蒸發冷卻是指通過非直接接觸式換熱器將直接蒸發冷卻得到的濕空氣（二次空氣）的冷量傳遞給待處理空氣（一次空氣），實現空氣等濕降溫的過程，其技術優劣勢見表5。間接蒸發冷卻可確保室內外僅傳熱不傳質，機房內的濕度及空氣品質不受室外空氣的影響。

表5 蒸發冷卻和水冷空調系統對比圖

園區計劃對部分數據機樓頂層空間較為富裕的機房安裝間接蒸發冷卻機組給服務器降溫，以進一步提升PUE水平和節能減排效果。

3.3 合理配置空調末端

當前數據中心空調末端配置形式主要有房間級、行級和機柜級3種。其中房間級空調適用于單機柜功率低于5 kW的數據機房，超過5.5 kW功率的機柜，房間級空調將無法滿足散熱需求，3種配置形式比較表見表6。

表6 空調末端配置形式對比表

通過3種末端供冷形式的對比，同時結合大數據園區對客戶提供差異化、定制化產品的政策，擬對低功率機架（5.5 kW及以下）采用房間級精密空調，中功率機柜（5.5～8 kW）采用行間空調，高功率（8 kW及以上）采用熱管背板。

3.4 封閉熱通道

封閉冷通道情況下，機房區是一個熱池，空調回風溫度不能大于32 ℃；若優化為封閉熱通道，熱池大大減小，空調回風溫度可以提升至35 ℃。由于熱通道封閉可以有效提升熱通道溫度，提高空調換熱效率，總體而言，采用熱通道封閉會比采用冷通道封閉更節能，兩者對比見表7。

表7 封閉冷通道和熱通道對比

對于有多個客戶的數據機房，大數據園區傾向采用封閉冷通道的方案，對于單個客戶機房，且客戶接受的前提下，優先采用封閉熱通道。

4 結 論

作為地處京津冀都市圈重要的數據存儲、計算與應用的核心節點，大數據園區擔負著為京津冀數字產業和智能制造發展提供高效存儲與計算能力，以及承接北京非首都功能疏解的重任。中國電信希望高標準打造大數據中心，高質量建設標桿產業園。中國電信建設和運營團隊通過積極推動基礎設施綠色節能技術推廣應用，確保數據中心設計年均PUE值在1.3以下，達到本地區先進水平，對其他新建大中型數據中心降低PUE具有指導和參考意義。下一步，建設團隊按照既定技術路線完成基礎設施的設計、建設、驗收和交付各個環節，盡早實現生產能力，全力以赴塑造行業典范工程，助力京津冀協同發展。