数据中心运营中的节能降碳措施综述与应用

    数据中心的运营管理中，能耗管理一直是数据中心企业管理难度最高的一个板块。随着数据处理业务的增多，服务器在机房的上架率提高，机房的能耗不断增加，能耗成本也会变得更高，因此如何节能增效就成了数据中心管理层面迫切需要解决的问题。对能耗分布情况和数据中心应用的节能技术等方面进行分析，探讨数据中心如何实现节能降碳、提质增效的管理目标。

1、数据中心能耗情况分析

    数据中心的综合能源消费量是指数据中心各种用能设备消耗的能源折合标准煤的总和，消耗能源的主要装置包括机柜和服务器、网络交换机、AHU(AirHandlingUnit，空调机组)空调系统或液冷系统、供配电系统、数据安防保障系统，以及照明和附属设施系统。根据调研数据及参与的数据中心能源专题报告等，目前数据中心能耗分布柱状图如图1所示。

图1 数据中心能耗分布柱状图

注：PUE为电源使用效率，UPS为不间断电源。

    从图1可以看出，机柜服务器能耗占比高达0.46。根据《国家发展改革委等部门关于印发〈重点用能产品设备能效先进水平、节能水平和准入水平(2024年版)〉》(发改环资规〔2024〕127号)的文件精神，作为数据中心工程用能最大的地方，服务器的节能降耗成为大部分数据中心工程的重点关注对象。对于新建和改扩建项目，主要是对能源利用产品的能效要求达到节能级别的，企业优先安排使用达到先进水平的产品和设备，包括数据中心及其服务器在内，所以如何在政策方面进行服务器的能效提升，已经在企业初期投资阶段给出了重要的指导方向[1]。由图1可知，AHU空调制冷系统的能耗占比仅次于机柜服务器，但是空调制冷系统和机柜服务器能耗存在一定的关联，即当服务器能耗降低时，服务器所产生的热量会同步下降，空调的负荷也会同步降低，进而降低空调的能耗。

2、数据中心的能效指标及节能措施

  2.1 能效指标分析

    数据中心有多个衡量数值的能效指标，常见的有电能使用效率(EEUE)和电源使用效率(PUE)，主要阐述现阶段国内外数据中心对EEUE与PUE的总体能效指标[2]。PUE为数据中心消耗能源量与IT设备消耗能源量的比值，而机柜服务器、AHU空调系统或液冷系统、照明器、变压器、线路及UPS消耗的能源主要是电能。中国在2021年颁布了GB 40879—2021《数据中心能效限定值及能效等级》的强制性标准，定义PUE为数据中心总耗电量与信息设备耗电量的比值。计算PUE意义在于，数据中心项目中用于统计整个工厂总耗电量、IT设备所消耗的电量，数据中心运行过程中的PUE越大，AHU空调系统或液冷系统消耗的电能越多。另外，PUE也与数据中心所处的纬度有关。数据中心PUE计算公式简单明了，便于统计和分类，因此数据中心衡量其能效级时大多采用这一指标。

  2.2 常见的节能措施

    为了降低数据中心项目的能耗水平，需从以下几点入手，真正有效地落实节能降碳工作[3]。

    2.2.1工艺设备的节能措施

1)在数据中心建设初期一定要遵照相关法律法规政策，如《高耗能落后机电设备(产品)淘汰目录》，确保未选用落后淘汰设备。

2)在满足工艺要求的情况下，数据中心应选用性能稳定、操作可靠、维修简单、能耗低的新技术和先进设备。

3)在总图布置及机房楼、变电站等关键设施的布置上，需确保紧凑合理，减少线路和变压器的损耗。

4)增大器材利用率，减少器材数量，从而降低器材能耗；选择能提高装备负荷率的节能高效装备；机电设备全部选用国家推荐的节能效果好、电力损耗低且能降低无功消耗、提高设备效率的新型节能机电产品。在节能服务器的选择上，要优选能实现高效能源利用的设计系统和组件，增大服务器的使用频率。

5)注意密封机机架内部的空隙、机架与机架之间的空隙、机架底部的空隙，以防热风灌入。

    2.2.2工艺设备的节电措施

1)根据工程的总图布置规划，合理配置配电室以减小电缆长度，同时，优化配电线路，降低供电系统线损，提高平均负荷与最大负荷之比，选用低耗能、高功率的电气设备，减少配电环节电能消耗。

2)选用新型、节能的各类产品。车间供电应将线路长度降到最小，将电力损失降到最低；增加动力，减少无功损失。

3)产品选用高效节能的绿色环保型照明灯具，该灯具可自动开闭照明器，利用智能声光控制技术减少电力损失。根据各场所使用功能的不同，采用与之相符的光源和灯具。

4)垂直升降机采用带楼层显示休眠功能的变频驱动方式，如群控、变频调速或能量反馈等，升降机在设定时间内无人使用时，为节省升降机能耗，监视器自动进入休眠状态，节电率可达20%~40%；同时设置节能控制措施，如灯光、风扇的自动控制等。

    2.2.3工艺设备的节水措施

    供水系统管路及设备，如阀门、水泵、冷却装置、储水装置、水处理设施及计量仪器等，要选用国家规范规定的节能产品，并依据相关产品标准对其进行设计、制造。根据季节变化和室外气温变化，适时调整空调机组降温用水量，减少消耗量。给水管材采用内壁光滑的材料，在降低给水能耗的同时减少管材水头的损耗。精选优质管材，最大限度地减少管线压损。

    2.2.4数据中心机房楼建筑节能措施

1)机房楼管道和所有热力设备的保温均采用轻质高效保温外墙和屋面隔热材料等新型保温材料，以减弱热传导效应。

2)采用规整尺寸，尽量降低体形系数，屋面、外墙等部位围护结构节能设计应符合GB55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》。数据中心机房建筑应为南北朝向，符合国家标准；对于建筑主体朝向，以区域内朝向最佳为宜，且冬季应避免主导风向。建筑体形系数和窗墙比应符合上述规范规定。中高寒地区建筑物外形系数不得超过规定的0.40，屋面透光部分面积应不大于屋面总面积的20%。

3)建筑充分考虑自然采光与通风，应尽量减少人工照明与机械通风。冬季最大限度地利用自然热进行加热，发热更多，减少损耗；夏季最大限度地利用天然能量降温，节约能源，降低消耗。

4)根据GB/T7107—2002《建筑外窗气密性能分级及检测方法》，建筑物外窗气密性能分级不应低于6级，采用传热性和遮阳性符合要求的塑钢窗、中空玻璃等。

5)部分研究表明，城市绿化覆盖率与热岛的强度成反比。一个城市的绿化覆盖率越高，且项目建筑规划时考虑了当地风向，其建筑朝向更便于空气流通，那么热岛效应就被进一步削弱，其产生的热岛强度就越低。同时，建筑物外墙及屋面均采取保温措施，减少建筑物室内热量外散，有效降低近地面温度，也可以减弱热岛效应。另外，选用高效美观的绿化形式，使室内、室外环境清新宜人，同时还能有效减弱热岛效应。

    2.2.5暖通空调节能措施

    数据中心楼宇应最大限度地利用自然冷源，以减少空调系统能耗。空调系统在某些季节可以考虑充分利用室外新鲜空气作为天然冷源，适度增大新鲜空气的比例或者采用全新鲜空气来运转，从而降低制冷机组的能源消耗。通过直接使用经过过滤的外部空气对设备进行冷却，或者外部空气与冷源冷却方案配合使用，以满足数据中心对温湿度的要求[4]。按照此方案，数据中心建筑内的空调、采暖、通风系统应设置完善的自控措施，使其能够精确地采集系统运行参数，并能精确地控制自控阀、变频器等设备，从而高效率、低能耗地运行整个系统。充分利用天然冷源，对室内温度进行调节，不消耗传统能源，这不仅有利于降低能源消耗，还能提供清新洁净的天然空气。本项目采取合理可行的采暖、通风、空调节能措施，满足节能标准要求。

    2.2.6可再生能源光伏发电系统的应用

    可再生能源利用在中国数据中心尚处于起步阶段。2017年发布的《国家绿色数据中心试点评价指标体系(2017)》中提出，较高比例地使用可再生能源或清洁能源(含自有设施生产和外购可再生能源或清洁能源)可以作为数据中心的加分项目。数据中心可以通过自建集中式电站或分布式光伏电站来降低资源损耗。其中，分布式光伏发电系统是指利用太阳能直接转化为电能的光伏组件发电的分布式系统，目前形式最普便的是屋顶光伏发电。

    2.2.7制定完善的节能管理制度并严格执行

    能源管理体系的建设能够有效提升企业的能源利用效率。中国于2020年11月发布了GB/T23331—2020《能源管理体系要求及使用指南》，该标准的发布为企业发展提供了有效的指导和保障，并对企业能源管理制度的建设给出了指导性的意见。数据中心应建立健全能源管理系统，设能源管理专员，成立监测和管理全厂能耗的能源管控机构，保证将节能降耗作为企业的重要目标举措。

    2.2.8数据中心余热的回收与再利用

    现阶段，中国数据中心余热回收项目的落地还处于初级阶段，余热利用的比例和效果都不是很明显[5]。目前，中国数据中心余热回收项目的应用与实践主要具有以下几方面的特点。

1)由于数据中心大多数选址于工业开发区或偏远僻静的地方，距离人员聚集的城市或建筑设施较远，余热的供出无法满足城镇用热需求，仅为数据中心内部的运维楼、办公楼、生活楼等区域供暖，周边单位未实现有效供应。

2)关于数据中心余热的回收与利用，中国并没有出台相关标准和政策，国内也没有指导性的依据来支持数据中心开展余热回收项目。

3)国内数据中心余热回收能量利用存在效率相对较低、热交换效率不高、管线损耗高等问题，且中国目前设备制造能力和余热工艺方案的技术先进性与国外数据中心有着较大的差距。

4)考虑到目前的经济形势，数据中心余热回收利用项目的落地对于企业来说是一笔不小的投资，并且由于回收效果差、用热单元稀少等，项目投资回收期较长。

    综上，数据中心节能降碳相关措施的实施任重而道远，应围绕“碳达峰与碳中和”及节能降耗、提质增效等时下话题，进一步寻找可以使数据中心有效实现节能降碳、提质增效的办法，共同推进数字产业的发展。

3、结束语

    在信息化、数字化、云计算的大数据时代，中国智能存储、智能算力、人工智能等技术的发展取得了显著的进步。在大数据产业发展的大背景下，数据中心运行管理由“人力密集型”向“智能密集型”演进，未来数据中心的构建主要以智能调控体系的改造来实现节能降碳、提质增效的绿色发展。相信在不久的将来，现存的种种艰难险阻、疑难问题终会被攻克，“零碳”数据中心的建设必将到达新一轮的产业高峰。

作者：穆建军

参考文献:

[1]石云鹏.“双碳”背景下数据中心能耗现状与节能技术研究[J].中国新通信，2022，24(8):119-121.

[2]张忠斌，邵小桐，宋平，等.数据中心能效影响因素及评价指标[J].暖通空调，2022，52(3):148-156.

[3]杨春梅，黎晓彬，杨昉，等.基于咨询案例的数据中心绿色发展研究[J].节能，2023，42(7):66-68.

[4]李德明，朴春爱，陈磊.大型数据中心制冷系统设计探讨[J].信息工程，2017(9):30.

[5]马妍，刘小林.以零碳数据中心为生产力提质增新[J].中国电信业，2024(3):24-28.

 

-END-

未经授权，禁止转载。公众号：数据中心基础设施运营管理

?

往期精彩内容

? 免费领取数据中心基础设施运维资料

?【视频分享】数据中心基础设施运维工程师培训20241023

? 数据中心基础设施工程前介验收检查表-Excel表格

?《数据中心基础设施运维工程师培训教材》

? 运维培训：启迪智慧巅峰，点亮技术辉煌241024

? 《数据中心基础设施规划设计视频教程》

? 数据中心基础设施运维工程师培训汇总

? 数据中心基础设施运维3P文件整理汇总(231014)

【版权声明】

    凡本公众平台注明来源或转自的文章，版权归原作者及原出处所有，仅供大家学习参考之用，若来源标注错误或侵犯到您的权利，烦请告知，我们将立即删除。

【免责声明】

    本公众平台对转载、分享的内容、陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完善性提供任何明示或暗示的保证，仅供读者参考。

 

来源：至顶网