简析绿色节能数据中心的建设

摘要： 本文对绿色数据中心的发展背景、基本概念，以及实现绿色化的关键要点展开了简要分析。同时，评估了绿色数据中心在提高整体能源效率、助力国家达成碳减排目标过程中所发挥的重要作用。通过剖析国家级绿色数据中心的实际案例，呈现了在提升能源使用效率（PUE）方面所取得的成果，提出了一系列推动数据中心行业朝着环境友好方向发展的策略。本研究致力于为数据中心行业的可持续发展提供理论参考与实践指引。

关键词： 数据中心；PUE；冷却系统优化

伴随信息技术的迅猛进步，数据中心作为数据存储、处理以及分发的关键枢纽，其重要程度愈发显著。但不可忽视的是，数据中心的能耗问题逐渐成为全球瞩目的重点。根据国际能源署（IEA）的统计数据，全球数据中心的能耗在全球总电力消耗中所占比例约为2%，而且这一占比正逐年攀升。在此情形下，构建绿色节能数据中心，既是顺应节能减排紧迫要求的必要举措，也是达成可持续发展目标的关键路径。

本文首先对数据中心的能耗现状及其给环境带来的影响进行了简要概括，随后深入探究了绿色节能数据中心的概念、目标以及实现的具体路径。通过剖析模块化设计、低能耗技术等核心要素，为推动数据中心向绿色化转型提供理论依据和实践方面的指导。

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数据中心能耗现状

1.1 数据中心能耗统计

全球数据中心作为数字经济的基础设施，其能耗问题引起了广泛关注。据国际能源署（IEA）统计，2022年全球数据中心耗电量约为460TWh，占全球总用电量的2%，并且预计到2026年，这一数字可能增长至1000TWh以上。在中国，数据中心的耗电量也在增长，2022年达到了2739亿kWh，占全社会用电量的0.9%。

随着生成式人工智能（AI）等技术的普及，数据中心的耗电量预计将进一步增加，到2026年可能达到2022年的2.3倍。全球数据中心的用电量在2021年为220～320TWh，其中不包括用于加密货币开采的能源，后者在2021年为100～140TWh。2018年至2025年中国数据中心耗电量预测如图1所示。

图1 2018—2025年中国数据中心耗电量预测

中国预计到2030年数据中心能耗总量将达到4500亿kWh，碳排放增长率将超过300%，这进一步凸显了提高能源效率和减少碳排放的紧迫性。

1.2 政策与法规概述

为了应对数据中心能耗问题，全球多个国家和地区已经出台了一系列的政策和法规。例如，欧盟通过了一系列政策和法规，如《数据中心能效行为准则》，旨在提高数据中心的能源效率。美国则通过《能源政策法案》等法律，鼓励数据中心采用节能技术和设备。

中国发布了《数据中心设计规范》等标准，对数据中心的能耗和能效提出了明确要求。此外，中国政府为了推动数据中心的绿色低碳发展，颁布了《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》。以下是数据中心相关的标准政策：《数据中心设计规范》GB 50174、《数据中心基础设施施工与验收规范》GB 50462、《数据中心设施运行维护标准》GB 51314、《模块化数据中心通用规范》GB／T 41783—2022、《电子计算机场地通用规范》GB／T 2887、《计算机场地安全要求》GB／T 9361、《模块化微型数据机房建设标准》T／CECA20001、《超级计算数据中心设计要求》T／CCUA 016、《数据中心绿色等级评价》T／CCUA 011、《中小学微模块网络机房建设规范》T／JYBZ 022—2022、《医疗机构智慧建筑数字化应用标准》T／NAHIEM 32—2021。

设R(MTask,MA)表示基于制造任务特征的制造任务与制造活动的关联关系矩阵，根据任务的特征集合可以将制造任务与制造活动的关系表达为

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绿色节能数据中心的概念与目标

2.1 定义与特点

绿色节能数据中心的概念是指在数据中心的规划、建设、运营等全生命周期内，采用高效节能的技术，优化能效比，实现数据中心的节能减排。绿色数据中心的目标通常包括：（1）提升能源利用效率：通过优化数据中心的设计和运营，减少能源消耗，提高电能使用效率（PUE）。（2）增加可再生能源的使用：利用太阳能、风能等可再生能源，减少对化石燃料的依赖。（3）实施节能降碳改造：对现有数据中心进行技术改造，提升能效，减少碳排放。（4）优化数据中心布局：根据资源和环境条件，合理规划数据中心的地理位置和规模。（5）推广绿色技术产品：使用高效节能的IT设备和制冷系统，提高数据中心的整体性能。

2.2 节能目标与效益分析

绿色节能数据中心的建设目标主要包括降低能耗、减少碳排放、提高能源利用效率等。此外，绿色数据中心的建设还有助于推动相关技术和产业的发展，促进经济的可持续发展。

以国内为例，随着5G技术的发展，数据中心的存储量也随着增长，中国2020－2035年数据中心能耗和5G能耗增长关系如图2所示。

图2 中国2020－2035年数据中心能耗和5G能耗增长关系图

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模块化设计在数据中心的应用

3.1 模块化设计原理

模块化设计是一种将复杂系统分解为独立、可互换的模块的方法。模块化数据中心通常由多个独立的模块组成，每个模块都可以独立运行，也可以与其他模块组合，以满足不同的需求。模块化数据中心爆炸图如图3所示。

图3 模块化数据中心爆炸图

模块化数据中心设计是一种高效、灵活且可扩展的数据中心建设方法。以下是模块化数据中心在建设过程中的一些关键的设计原则和实践。

1）模块化设计：模块化数据中心采用“1＋4＋N”的生态解决方案，其中“1”代表核心模块，包括IT设备、供电、电池和温控模块，“4”代表四个辅助模块，而“N”代表根据需求添加的其他模块。这种设计使得数据中心能够根据业务需求快速扩展。

2）预制化和预集成：基础设施在工厂预集成，现场采用积木式搭建，显著加快建设周期，相比传统方案可加快50%以上。

3）智能技术：集成智能温控、智能供电、智能锂电及智能营维技术，提高数据中心的运行效率和可靠性。

4）环境适应性：模块化数据中心设计考虑了抗震、防风、防尘和防水性能，使其能够在多种环境下稳定运行。

5）节能和环保：设计时采用节能措施，如 自然冷却 技术和高效能设备，以降低能耗和提高电源使用效率（PUE）。

6）标准化：遵循国际和国内的设计标准，确保数据中心的安全性和可靠性。

3.2 模块化对节能的贡献

模块化设计在数据中心节能方面的主要贡献包括：（1）全预制模块化技术：预制模块化数据中心通过在工厂内预制和预调测，减少了现场施工时间和资源浪费，从而提高了整体能效。（2）高可靠性和低PUE架构：通过采用模块化预制化设计、高效能设备和智能管理系统，模块化数据中心能够实现高可靠性和高可用性，同时保持低能耗。（3）自然冷源利用：模块化数据中心设计充分利用自然冷源，如通过 蒸发冷却 或自然通风等方式减少机械制冷的需求，从而降低能耗。（4）智能温控系统：通过集成智能温控技术，能够根据实时负载和环境条件动态调整制冷策略，确保在满足设备运行要求的同时实现能源的最优利用。

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低能耗技术与策略

4.1 能耗结构分析

通过对数据中心机房能耗的调研分析发现，依据各类用电设备在数据中心机房总功耗中所占比例，可进行如下排序：在数据中心机房里，IT设备系统产生的功耗占总功耗近半，约45%，是能耗最高的部分；空调系统功耗占比次之，约40%；供电系统产生的功耗占总功耗10%左右；照明及其他系统的功耗仅占5%左右。数据中心的能耗结构详见图4。

图4 数据中心的能耗结构

4.2 冷却系统优化

冷却系统是数据中心能耗的主要部分之一。优化冷却系统不仅可以降低能耗，还可以提高设备的运行效率和寿命。冷却系统的优化是一个多方面的过程，涉及到数据中心的物理布局、设备选择、维护策略和智能监控。

传统的数据中心机房制冷系统规划存在的问题主要有：（1）采用家用房间级空调而非机房专用空调，这导致数据中心机房无法保持良好的恒温恒湿的环境条件。（2）设备的摆放布局不合理，为了达到设备的降温目的，通常是加大了空调的制冷功耗，这使得冷源的过度消耗。（3）错误的冷热气流组织规划，造成了冷热空气混合从而导致了制冷效果的降低。

因此为达到大型数据中心的绿色节能效果，需对大型数据中心的制冷系统进行合理规划， 模块化冷通道 选用列间精密空调。采用模块化的制冷系统，可以根据数据中心的扩展需求逐步增加制冷单元，从而提高系统的灵活性和可扩展性。机柜采用面对面、背靠背方式摆放采用 冷热通道 方式制冷。从邻近两机柜的正面排出冷风经过服务器设备的网孔再从机柜的背面排走热风，提高制冷效率以此达到节能效果。模块化冷通道 列间精密空调 气流组织示意图模式如图5所示。

图5 行间级精密空调制冷气流组织示意图

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案例研究

国内在绿色数据中心建设方面已经取得了显著的进展，例如位于河北省张家口市张北县的阿里巴巴张北云计算庙滩数据中心，采用了先进的节能技术和高效利用可再生能源的方法。通过应用组合式空调箱（AHU）风墙技术和高压直流供电（HVDC）系统，实现了自然冷却和减少电能损耗。位于北京市顺义区的万国数据十一号数据中心通过优化供电架构和提高绿电使用比例，实现了节能降耗。

云上天府智算中心是是国标A级（GB 50174—2017）以及国际数据中心标准Uptime Tier Ⅲ＋级的国家重大建设项目。其位于四川德阳天府数谷云上天府大数据产业园，于2023年9月26日正式投运，总投资约40亿，单体建筑超5万m 2 ，能提供6120个6kW机柜装机位，容纳10万台服务器。

D数据技术有限公司助力云上天府智算中心，实现了其直连国家骨干网，预计网络平均时延将在3ms以内，稳定性强，能耗低，年平均PUE值低于1.25。D数据中心将“绿色节能”的特点贯穿始终，充分利用自然冷源、风能和低功耗设备，使该项目每年节省耗电量可达11234万kWh，年减排二氧化碳8.8万t，以绿色算力助力云上天府智算中心数字经济高质量发展。

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结论与展望

在互联网和人工智能技术持续进步的当下，数据中心作为现代信息社会运行的关键基础设施，其建设规模迅速扩张。与此同时，数据中心的能耗问题逐渐进入人们的视野，成为备受关注的焦点。

本文围绕大型绿色数据中心规划领域展开研究，凭借多年在数据中心规划与建设方面积累的实践经验，并参考了前人的研究成果，详细阐述了绿色数据中心的发展背景及其重要意义。在此基础上，提出了针对大型绿色数据中心的规划方法，并对绿色数据中心的相关环节进行了低碳节能分析。鉴于我国在绿色数据中心研究方面尚处于发展阶段，本文在研究思路和方法上或许存在一定的改进空间。不过，绿色数据中心无疑是未来数据中心建设的重要趋势，本文的研究成果对后续大型绿色数据中心的规划研究具备一定的参考价值。

针对本文的研究，还有一些问题有待进一步探索。云计算、大数据、人工智能等技术的迅猛发展，使得数据中心的计算能力和数据处理量呈爆发式增长，设备产生的热量也随之大幅增加。传统的风冷散热技术在应对高密度服务器的散热需求时愈发吃力，而液冷技术由于其高效的热交换性能，有可能成为解决这一难题的关键技术，后续需对其展开深入研究。

对于大型绿色数据中心利用自然资源实现节能的研究，应结合不同地区的自然条件进行。比如，在光照资源丰富的地区，可以考虑加大太阳能在电力供应中的占比；在水资源充足的区域，利用水冷系统来实现节能；而在气候寒冷的地区，则可充分利用冷风和冰水等自然资源进行节能。通过因地制宜的方式，挖掘自然资源在数据中心节能中的巨大潜力。

作者： 谭小敢， 叶頔， 黄锦华， 李渊

参考文献

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