一、数据中心节能方向与政策解读

1.1.1 节能发展方向分析

总体上，数据中心耗能内容主要分为三大部分，分别为 IT 设备和软件，供配电系统、制冷系统，各部分耗能统计如图 2。耗能占比中，IT 设备能耗占数据中心总能耗约为 42.3%，空调系统占 40.2%，两者是数据中心的最大耗能单位，因此成为节能降耗设计的潜在重点。但在节能技术的发展中，IT 设备和软件能耗主要受信息化技术发展规律影响，在保证数据中心功能和可靠性的前提下，可提升空间较为受限。相对而言，供配电系统和制冷系统可灵活引入多项节能设计理念和工艺技术，以保证数据中心高效运转。因此，数据中心节能的关键在于对制冷系统和供配电系统的节能设计。

图 2 2019 年中国数据中心能耗占比

Fig.2 Proportion of China's data center energy consumption in 2019

1.2 政策解读

政府相关主管部门对数据中心的节能非常重视，先后出台多项政策文件，部署数据中心先进适用技术推广应用，并推动绿色数据中心建设和相关节能标准的制定。

2015 年，工信部、国家机关事务管理局、国家能源局联合下发了《国家绿色数据中心试点工作方案》。要求到 2017 年，围绕重点领域创建百个绿色数据中心试点，试点数据中心能效平均提高 8% 以上；制定绿色数据中心相关国家标准 4 项，推广绿色数据中心先进适用技术、产品和运维管理最佳实践 40 项，制定绿色数据中心建设指南。

2016 年 6 月，国管局公布的《公共机构节约能源资源“十三五”规划》指出，加强机房节能管理，建设机房能耗与环境计量监控系统，对数据中心机房运行状态及电能使用效率（PUE）、运行环境参数进行监控，提高数据中心节能管理水平。开展绿色数据中心试点，实施数据中心节能改造，改造后机房能耗平均降低 8%以上，平均 PUE 值达到 1.5 以下。组织实施中央国家机关 5000 平方米绿色数据中心机房改造。

2016 年 12 月，国务院印发了《“十三五”国家信息化规划》，规划指出积极推广节能减排新技术在信息通信行业的应用，加快推进数据中心、基站等高耗能信息载体的绿色节能改造。适度超前布局、集约部署云计算数据中心、内容分发网络、物联网设施，实现应用基础设施与宽带网络优化匹配、有效协同。支持采用可再生能源和节能减排技术建设绿色云计算数据中心。建立一批信息化合作项目库，支持网信企业积极参与“一带一路”沿线国家和地区的信息基础设施、重大信息系统和数据中心建设。

2017 年 01 月，国务院印发了《“十三五”节能减排综合工作方案》，方案指出，进一步推广云计算技术应用，新建大型云计算数据中心能源利用效率（PUE）值优于 1.5。支持技术装备和服务模式创新。打造一批节能环保产业基地，培育一批具有国际竞争力的大型节能环保企业。

2019 年，工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局三部门出台关于加强绿色数据中心建设的指导意见：大型和超大型数据中心设计电能使用效率值不高于 1.4。《中国制造 2025》在绿色制造中指出“绿色数据中心”是重点领域之一。

二、数据中心节能技术

2.1 供配电系统节能

供配电系统是数据中心的核心组成，也是数据中心节能技术的方向之一。信息资源整合的加速和信息化水平的进一步提高对数据中心电气系统的可用性和运行效率提出更高要求。在供配电方面，数据中心可采用的节能技术主要有以下方面：

2.1.1 UPS 模块化设计

高效的模块化 UPS 系统具有弹性设计、输入输出主机一体化，前期减少刚需设备配置投资，后期灵活扩容的特点。在设计时，需从低压配电系统预留足够的出线回路，后期便可灵活扩容系统。各个功能单元采用模块化设计，模块化 UPS 设备集合输入模块，主机的功率模块、输出模块、监控模块等为一体，可根据 IT 设备外形大小来定制外壳，美观度较高。

2.1.2 锂离子电池技术

现有的铅酸电池循环寿命短、占地大、对机房承重要求高，生产制程容易造成环境污染，各国的铅酸电池发展都趋于萎缩。而锂离子电池的能量密度和安全性能的持续提升、成本持续降低，使得锂电在通信领域、电力领域、动力汽车领域、数据中心等领域的需求越来越大，锂电正在向着成为新一代主流能源的方向稳步迈进。

2.1.3 高压直流

数据中心 IT 设备采用 240V 直流供电技术，也称高压直流 (HVDC) 技术，是目前数据中心一种较为受欢迎的不间断电源技术。其系统包括交流部分、整流部分和直流配电部分。高压直流是在配电前端先将输出的电流整流并转换成直流电源供 IT 内服务器电源使用，服务器电源只需要实现 DC-DC 的转换，中间变换的过程减少了损耗，增加了电流的可靠和稳定性，配电质量较高。

数据中心制冷设备是为保证 IT 设备运行所需温、湿度环境而建立的配套设施，主要包括：

• 机房内所使用的空调设备，包括机房专用空调、行间制冷空调、湿度调节设备等；

• 提供冷源的设备，包括风冷室外机、冷水机组、冷却塔、水泵、水处理等；
  

• 如果使用新风系统，还包括送风、回风风扇、加 / 除湿设备、风阀等。在纯产品的角度上看，机房精密空调为了节能，主要利用冷水机组、FREE COOLING、精确送风、氟泵、间接蒸发冷等多种节能方式和产品类型。
  

2.2.1 利用自然冷源

数据中心 IT 设备全年不间断运行，一年四季都需要制冷，过渡季节室外温度低于室内温度时，有充分的自然冷源可供利用。数据中心自然冷却技术从冷却介质的角度划分可以分为空气侧自然冷却和水侧自然冷却两类，见表 1。

传统的地板下送风或者风帽上送风的方式，先冷却环境再冷却机柜，这样的空调形式容易产生局部热点，同时冷量远距离输送需要依靠大功率的离心风机来输送，大功率风机的电耗最终转化成热量，这部分热量又要由制冷系统来承担。因此，新型近端制冷技术更加靠近负载，其制冷密度和节能效果远超传统房间级的远端制冷，有效解决机房高密度和局部过热的问题。相应的技术应用比较多的有列间空调、顶置对流式空调、水冷背板、水冷前门空调等，实际应用中，这几种技术各有优缺点，可根据具体工况合理选择。

2.2.3 优化气流组织

数据中心气流组织形式是影响空调系统节能的重要因素，冷气流动过程中的阻力越小，冷风和热风气流隔离的越好，冷量损耗的就越小，空调主机运行效果就越高，能效比越好。国内外学者从送风形式、架空地板布局、热环境评价等多方面开展了气流组织优化的研究。通过对空调气流组织的合理设计，经过 CFD 软件仿真测试，可提高冷气流的利用率，降低空调系统能耗浪费。在实现方式上主要有安装盲板、封闭冷通道等方式。

2.2.4 蓄冷

蓄冷技术是利用介质的显热或潜热特性将冷量储存于介质之中，在需要时将冷量释放出来。蓄冷空调是指利用夜间电网负荷低谷段的廉价电进行冷量储存，在白天电网负荷电力高峰高价时段再将冷量释放出来全部或部分代替冷水机组作为空调冷源使用。蓄冷系统一般可分为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷三大类。蓄冷技术在在用户侧并不直接节能，但其应用可以解决城市电网的区域失衡问题，通过为用户带来电费支出的大幅下降间接达到节能目的。

数据中心内 IT 设备的负载设备功耗不断变化，所有风机全速运行，每台空调的压缩机按照自己的需求控制，这种方式一则不节能，二则机房内的气流组织和温度变化规律难以掌握，增加人为控制的难度。因此数据中心智能化管控系统可充分利用人工智能及大数据技术，更精准控制机房内冗余空调设备的运行时间，实现空调系统的备份 / 轮循功能、层叠功能、避免竞争运行功能、延时自启动功能。这种系统的运用，可以实现数据中心的精确节能，同时也确保设备的安全稳定运行。

三、数据中心节能未来发展方向

在数据业务需求的爆炸式增长及 IT 技术的迅速发展的共同推动下，数据中心在本世纪进入迅猛发展时期，而与此同时数据中心的能耗问题也随着其发展变得越来越无法忽视。数据中心的能耗相对于其他的建筑能耗有其自身的特殊性：耗能设备的种类繁多、专业性强，对它的节能研究是一项多专业综合的系统工程。

市电直供技术充分利用服务器等 IT 设备二次电源冗余配置的特点，由市电直接为 IT 设备的其中一路电源供电的一种新的供电结构模式，正在逐步替代传统以UPS 为主的供电模式，结合 IT 设备电源主备运行模式与市电直供两方面节能措施，可以组成多种市电直供供电系统，例如市电直供 +UPS 双路供电系统，市电直供+ 高压直流双路供电系统，市电主用 +UPS 热备混合供电系统，市电主用 + 高压直流热备混合供电系统等。从节能减排角度考虑，市电主用模式的节能效果明显好于市电 + 保障电源均分模式。

3.2 间接蒸发冷却

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，这类间接蒸发冷却器主要有板翅式、管式和热管式３种。我国蒸发冷却技术已经达到世界先进水平。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，无论是设备厂家还是数据中心建设方都在积极配合推广相关技术的应用。

数据中心的高密化发展正逐步推动相关制冷技术从近端制冷向服务器芯片级液冷方向演进。虚拟化技术使得数据中心单机柜密度逐步攀升，将超过 30KW 甚至更高，液冷技术应运而生，液冷是指通过液体来替代空气，把 CPU、内存条、芯片组、扩展卡等发热器件在运行时所产生的热量带走。液冷技术最先被应用于超级或大型计算机芯片的冷却，未来可广泛应用于 20kW 以上高功率密度（甚至 100kW）数据中心的服务器散热。按照冷却原理，液冷技术又可分为冷板式液冷、浸没式液冷和喷淋式液冷 3 种系统模式。

四、结论

随着数据中心的持续建设和功率密度的提高，业界对数据中心能耗高度关注。政策上以提升数据中心资源利用率为重点，明确低碳数据中心绿色发展方向，技术上，市电直供、利用自然冷源、更靠近热源等技术的发展已成为当前数据中心节能的研究方向，部分技术已经在数据中心得到广泛应用。结合不同的业务场景、选择适合的节能措施可以达到降低 PUE 以及有效降低数据中心综合运营成本的目的。