氣象數(shù)據(jù)中心節(jié)能實(shí)踐與展望

■ 王晶 別毅 孔令軍

從源頭性節(jié)能、技術(shù)性節(jié)能和結(jié)構(gòu)性節(jié)能三方面對(duì)氣象數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了綜合概述，分析了氣象部門數(shù)據(jù)中心已有的節(jié)能實(shí)踐，展望了尚未應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)，提出了四點(diǎn)關(guān)于氣象數(shù)據(jù)中心節(jié)能的進(jìn)一步思考。

2015年，工信部聯(lián)合國(guó)家能源局、國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局印發(fā)了《國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案》，其中指出：“全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)步伐明顯加快，總量已超過300萬(wàn)個(gè)，耗電量占全球總耗電量的1.1%～1.5%。”國(guó)際上普遍通過應(yīng)用節(jié)能、節(jié)水、低碳等技術(shù)產(chǎn)品以及先進(jìn)管理方法建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)能源效率最大化和環(huán)境影響最小化。例如，美國(guó)政府實(shí)施了“數(shù)據(jù)中心能源之星”、“聯(lián)邦數(shù)據(jù)中心整合計(jì)劃”，歐盟實(shí)施了“數(shù)據(jù)中心能效行為準(zhǔn)則”，國(guó)際綠色網(wǎng)格組織開展了數(shù)據(jù)中心節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)制定和最佳實(shí)踐推廣，建立了綠色數(shù)據(jù)中心的推進(jìn)機(jī)制，引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保水平的提升。目前，美國(guó)數(shù)據(jù)中心平均電能使用效率（PUE①PUE，Power Usage Effectiveness，電源使用效率已成為國(guó)際上通行的衡量數(shù)據(jù)中心節(jié)能的主要指標(biāo)。PUE值是指數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示數(shù)據(jù)中心的節(jié)能程度越高。）已達(dá)1.9，先進(jìn)數(shù)據(jù)中心PUE已達(dá)到1.2以下。我國(guó)大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE仍普遍大于2.2，與國(guó)際先進(jìn)水平相比有較大差距，節(jié)能潛力巨大”。

氣象部門數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)中心界的一個(gè)獨(dú)特分支，有著自身顯著特點(diǎn)，需制定適合的節(jié)能策略，打造出綠色氣象數(shù)據(jù)中心。

1　數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)綜述

數(shù)據(jù)中心的能耗通常來自兩個(gè)方面：IT設(shè)備能耗和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)能耗（主要為空調(diào)系統(tǒng)能耗和電氣系統(tǒng)能耗）。以PUE為1.8的數(shù)據(jù)中心為例，其IT設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)能耗比例如圖1所示。數(shù)據(jù)中心節(jié)能同樣應(yīng)從這兩方面展開，其中，基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)節(jié)能又可分為基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備節(jié)能和基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)合理。

圖1　IT設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備能耗比（PUE=1.8）

1.1　源頭性節(jié)能——IT設(shè)備

IT設(shè)備是數(shù)據(jù)中心所服務(wù)的對(duì)象，IT設(shè)備節(jié)能主要包括以下三方面：一是IT設(shè)備自身技術(shù)發(fā)展帶來的節(jié)能效益，如：芯片能效比的提升、分布式存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用等。二是數(shù)據(jù)中心遇到了節(jié)能瓶頸，需從IT設(shè)備突破解決方案，反向促使了IT設(shè)備探索最新的節(jié)能技術(shù)，如：耐高溫服務(wù)器的研發(fā)、液冷服務(wù)器的應(yīng)用等。三是數(shù)據(jù)中心迫切的節(jié)能需求使得直接對(duì)IT設(shè)備嘗試了節(jié)能方案，而進(jìn)一步的節(jié)能方案還需IT設(shè)備廠家做出配合改進(jìn)，如：IT設(shè)備從交流供電變?yōu)橹绷鞴╇姷取?/p>

1.2　技術(shù)性節(jié)能——基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備

基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備包括數(shù)據(jù)中心運(yùn)行所必需的電氣系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備節(jié)能以空調(diào)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)為主。基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備節(jié)能主要包括以下三方面：一是對(duì)清潔能源的使用，如：太陽(yáng)能光伏微電網(wǎng)、合理利用自然冷源等。自然冷源技術(shù)分為空氣側(cè)、水側(cè)及熱管的應(yīng)用。二是精準(zhǔn)、高效的節(jié)能技術(shù)，如：供電架構(gòu)的變化、各種冷背板技術(shù)以及CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）氣流組織仿真的應(yīng)用。三是不容忽視的輔助節(jié)能技術(shù)，如：電纜的路由的立體設(shè)計(jì)，封閉冷熱通道、設(shè)置盲板等以及有關(guān)CRAC（機(jī)房空調(diào)）的綜合節(jié)能（適當(dāng)調(diào)高送風(fēng)溫度、變頻器變頻驅(qū)動(dòng)、EC風(fēng)機(jī)、管路設(shè)計(jì)、室外機(jī)組放置空間及霧化噴淋等）。

1.3　結(jié)構(gòu)性節(jié)能——基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心節(jié)能不僅是節(jié)能產(chǎn)品和節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，更應(yīng)該是結(jié)構(gòu)化的節(jié)能，從基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)設(shè)計(jì)入手，將以設(shè)備為中心的節(jié)能轉(zhuǎn)到以架構(gòu)為中心的節(jié)能。合理的架構(gòu)不但能使維護(hù)變得簡(jiǎn)易和便捷，還能取得可觀的節(jié)能收益。合理的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)設(shè)計(jì)包括兩方面：1）基礎(chǔ)設(shè)施資源的合理分配，如以等級(jí)而非屬性劃分機(jī)房，從而取得可靠性與節(jié)能性的平衡（N、N+X、2N等架構(gòu)的選擇）；2）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)模式，如數(shù)據(jù)中心模塊化、基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)模塊化等。

2　氣象數(shù)據(jù)中心節(jié)能實(shí)踐與展望

氣象部門數(shù)據(jù)中心部署于全國(guó)各地，以國(guó)家氣象信息中心（NMIC）建設(shè)的國(guó)家級(jí)氣象數(shù)據(jù)中心為核心數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備主要類別有：高性能計(jì)算機(jī)（HPC）、存儲(chǔ)資源池等服務(wù)器（以下簡(jiǎn)稱存儲(chǔ)設(shè)備）、通信服務(wù)器（以下簡(jiǎn)稱通信設(shè)備）等。除國(guó)家級(jí)氣象數(shù)據(jù)中心外，各省也建有自己的小規(guī)模數(shù)據(jù)中心，主要以通信設(shè)備為主，個(gè)別省份也部署了較小規(guī)模的HPC。

NMIC數(shù)據(jù)中心節(jié)能實(shí)踐可分為三類，分別為：高功率密度機(jī)房節(jié)能、低功率密度機(jī)房節(jié)能和通用機(jī)房節(jié)能。

2.1　高功率密度機(jī)房節(jié)能

高密度IT設(shè)備的代表是HPC，其冷卻系統(tǒng)越來越接近熱源，已從最初的環(huán)境冷卻發(fā)展到冷背板冷卻、芯片液冷等方式。毫無(wú)疑問，由于液冷具備冷卻效率高、噪聲低等優(yōu)勢(shì)，它將是IT設(shè)備冷卻節(jié)能的主要方向，在今后的數(shù)據(jù)中心建設(shè)尤其是高密度機(jī)房建設(shè)領(lǐng)域?qū)⒊蔀橹髁鳌－h(huán)境冷卻和冷背板冷卻已應(yīng)用在NMIC以往的HPC建設(shè)中，芯片液冷也即將應(yīng)用在最新引進(jìn)的國(guó)產(chǎn)HPC建設(shè)中。

2.1.1冷背板

冷背板冷卻作為一種機(jī)柜級(jí)冷卻方式，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，尤其針對(duì)高密度HPC機(jī)柜，其特點(diǎn)是貼近熱源，輸送損耗小，冷卻效率高。2013年，NMIC采購(gòu)并安裝了一套峰值計(jì)算能力為1.1 P的進(jìn)口HPC系統(tǒng)，該系統(tǒng)共安裝了76臺(tái)機(jī)柜，單機(jī)柜功率高達(dá)30 kW，末端制冷采用水冷背板冷卻方式，單背板冷量達(dá)30 kW，承載單機(jī)柜95%以上的熱負(fù)荷。由于水冷背板貼近機(jī)柜，為避免背板表面結(jié)露，背板供水溫度不低于15 ℃，背板的出風(fēng)溫度不高于27 ℃。

2.1.2芯片液冷

傳統(tǒng)的服務(wù)器是依靠空氣來冷卻的，當(dāng)IT設(shè)備的功率密度不斷增大時(shí)，空氣冷卻已不能滿足要求，只能采用液冷方式冷卻，目前，服務(wù)器液冷主要有冷板液冷和浸沒式液冷兩種方式。NMIC即將采購(gòu)的國(guó)產(chǎn)HPC系統(tǒng)采用了芯片液冷方式：CPU和內(nèi)存均安裝冷板，芯片液冷可帶走設(shè)備65%～80%的熱量。另外，由于HPC端的供水溫度可以提高至35～45 ℃，因此，需要獨(dú)立建設(shè)一套供水溫度為33～38 ℃的高溫水冷源作為該系統(tǒng)的專用冷源。該國(guó)產(chǎn)HPC系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。相比于傳統(tǒng)的低溫水（由冷水機(jī)組提供12 ℃冷水）芯片液冷HPC系統(tǒng)，該系統(tǒng)可最大限度的利用自然冷源，由全年50%時(shí)間自然冷卻提升至100%自然冷卻，年均PUE值由1.4可提升至1.2，節(jié)能效果顯著。但由于需單獨(dú)建設(shè)一套高溫水冷源，相比于利用統(tǒng)一冷水機(jī)組提供的低溫水冷源，初始投資會(huì)有所增加。

圖2　高溫水芯片液冷HPC冷卻系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)目前兩個(gè)主流國(guó)產(chǎn)HPC廠商的高溫水芯片液冷HPC產(chǎn)品進(jìn)行了初始投資和投資回報(bào)周期測(cè)算，當(dāng)HPC的采購(gòu)規(guī)模為8 P時(shí)，相比于利用統(tǒng)一的低溫水系統(tǒng)，新建一套獨(dú)立的高溫水系統(tǒng)的初始投資將增加183萬(wàn)～274萬(wàn)元，但節(jié)電和節(jié)水效果很顯著，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約160萬(wàn)～200萬(wàn)元，投資回收期在2年以內(nèi)，節(jié)能效益明顯。因此，在初始投資和場(chǎng)地空間建設(shè)條件允許的前提下，高溫水芯片液冷HPC系統(tǒng)具有很高的節(jié)能效益。

2.2　低功率密度機(jī)房節(jié)能

低功率密度機(jī)房節(jié)能通常側(cè)重于“分區(qū)風(fēng)冷”和“避免損失”，因此，低密度機(jī)房針對(duì)CRAC的節(jié)能是重中之重，另外，低密度機(jī)房建設(shè)方式通常為漸進(jìn)式增長(zhǎng)，因此，模塊化機(jī)房建設(shè)方式也是節(jié)能不可或缺的一部分。

低功率密度IT設(shè)備的代表是：網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、通信以及普通服務(wù)器等設(shè)備，這些設(shè)備通常采用CRAC冷卻，圍繞CRAC的節(jié)能包括：封閉冷（熱）通道以便分區(qū)冷卻；為機(jī)柜安裝盲板、封堵等防止冷空氣短路、回流或混流；安裝室外機(jī)組霧化噴淋系統(tǒng)降低冷凝器周圍空氣的溫度；避免過長(zhǎng)的管路設(shè)計(jì)以降低損耗等。以上這些節(jié)能技術(shù)在NMIC均已應(yīng)用，模塊化機(jī)房建設(shè)方式尚未在NMIC得以應(yīng)用，但是，由于其可以較好的解決容量浪費(fèi)、效率低、交付時(shí)間長(zhǎng)、初設(shè)投資大等問題，相信在今后的建設(shè)項(xiàng)目中會(huì)得以應(yīng)用，并取得較好的節(jié)能效益。

2.2.1封閉冷通道

由于封閉冷（熱）通道具有較好的節(jié)能效果、建設(shè)成本低、可在線安裝等優(yōu)勢(shì)，使它幾乎成為所有低密度機(jī)房節(jié)能的必選方案。2011—2017年，NMIC先后在老樓二層、三層機(jī)房共建成8組封閉冷通道，用以改善機(jī)房氣流組織，隔絕冷熱氣流，從而達(dá)到降低送風(fēng)溫度、提高CRAC制冷效率、降低CRAC能耗的目的。由于冷通道封閉措施節(jié)能效果明顯，且安裝過程不影響IT設(shè)備運(yùn)行，安全可靠，因此，該節(jié)能措施也逐步推廣至各省局低密度機(jī)房的建設(shè)中，具有很強(qiáng)的通用性。通過CFD模擬軟件，可直觀看出封閉冷通道對(duì)IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)區(qū)送風(fēng)溫度的降低和機(jī)房氣流組織的改善效果。圖3為NMIC神威機(jī)房神威區(qū)域的CFD建模仿真及封閉冷通道前后溫度場(chǎng)對(duì)比，通過距地板1.5 m處的溫度場(chǎng)對(duì)比可得出以下結(jié)論：

圖3　神威機(jī)房溫度場(chǎng)模擬及封閉冷通道前后溫度場(chǎng)對(duì)比

1）封閉冷通道后，冷通道內(nèi)溫度場(chǎng)與周邊區(qū)域完全隔離，冷通道兩側(cè)及頂部不存在回風(fēng)短路現(xiàn)象（地板送風(fēng)口出風(fēng)未經(jīng)過機(jī)柜換熱直接回到空調(diào)回風(fēng)口），冷通道頂部不存在出風(fēng)回流現(xiàn)象（機(jī)柜出風(fēng)直接回到機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口）。

2）封閉冷通道后，機(jī)柜的送風(fēng)、出風(fēng)溫度明顯降低，提高了精密空調(diào)送風(fēng)效率、顯著降低了壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間，使該區(qū)域空調(diào)機(jī)組能耗減少約10%。

目前，NMIC增加的8組冷通道區(qū)域?qū)?yīng)CRAC共13臺(tái)，均無(wú)備份，全年7×24 h不間斷運(yùn)行，總功耗約300 kW，封閉冷通道后節(jié)能約10%，全年CRAC運(yùn)行可節(jié)電約263000 kW·h，每年可節(jié)約電費(fèi)24.4萬(wàn)元。

2.2.2室外機(jī)組霧化噴淋

空調(diào)室外機(jī)組霧化噴淋系統(tǒng)是利用蒸發(fā)降溫的原理，將水以霧狀噴灑在空氣中，霧粒氣化時(shí)吸收熱量，降低了冷凝器周圍空氣的溫度，低溫空氣吸收冷凝器翅片的熱量，達(dá)到對(duì)金屬表面降溫的作用，冷凝器散熱效果的增強(qiáng)使得精密空調(diào)冷凝壓力降低、壓縮機(jī)輸入功率降低，從而提高了制冷量，有效提升了空調(diào)的能效比，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

在北京市發(fā)改委“2015年公共機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)中心節(jié)能低碳示范改造工程”的支持下，室外機(jī)組霧化噴淋系統(tǒng)在NMIC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，建成了3套霧化噴淋系統(tǒng)覆蓋NMIC老樓的全部57臺(tái)CRAC室外機(jī)和6臺(tái)冷水機(jī)組，并實(shí)行分區(qū)管控。

空調(diào)室外機(jī)組霧化噴淋系統(tǒng)由軟水機(jī)組、過濾器、微霧主機(jī)、微霧高壓水管、微霧噴嘴、壓力、溫度控制器組成。該系統(tǒng)耗水量低，相當(dāng)于直接水噴淋冷卻系統(tǒng)的1/60，且噴霧量可根據(jù)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在夏季運(yùn)行工況下（室外干球溫度30 ℃），霧化噴淋系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，冷凝壓力一直保持在20～22 bar，接近系統(tǒng)壓力上限，霧化噴淋系統(tǒng)開啟后，冷凝壓力為15～18 bar，冷凝壓力降低2～4 bar。通過壓縮機(jī)分析軟件可計(jì)算得出當(dāng)冷凝壓力變化時(shí)，壓縮機(jī)輸入功率和制冷量的變化量。計(jì)算工況如下：制冷系統(tǒng)過熱度為8 ℃，過冷度為3 ℃，空調(diào)運(yùn)行蒸發(fā)壓力6.84 bar，冷凝壓力21 bar。通過計(jì)算結(jié)果可知，開啟霧化噴淋系統(tǒng)后，壓縮機(jī)輸入功率降低10%，制冷量增加8%。該系統(tǒng)全年開啟時(shí)間為每年的5月15日—10月15日，每天開啟時(shí)間為5 h，年耗水量約1000 ton，全年可節(jié)約用電量183000 kW·h，節(jié)約電費(fèi)17萬(wàn)元。

2.2.3模塊化機(jī)房

為解決機(jī)房設(shè)計(jì)、建設(shè)與使用時(shí)間不匹配問題，模塊化機(jī)房應(yīng)運(yùn)而生。此模塊化機(jī)房包含兩個(gè)概念，其一為模塊化IT機(jī)房，其二為模塊化基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。模塊化IT機(jī)房是指：大樓的主體和基礎(chǔ)水電一次性建成，機(jī)房由多個(gè)集成功能的模塊組成，通常情況為：將兩排機(jī)柜封閉，組成一個(gè)模塊，模塊內(nèi)配置配電、空調(diào)、布線、監(jiān)控和照明等系統(tǒng)，使機(jī)房可以快速部署和靈活擴(kuò)展，每一個(gè)模塊可看作一個(gè)獨(dú)立的機(jī)房，相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行。模塊化IT機(jī)房可以按需求靈活部署、漸進(jìn)增長(zhǎng)、降低了運(yùn)維壓力、提升了資源利用率。模塊化IT機(jī)房中的每個(gè)模塊中都有獨(dú)立的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，如：機(jī)房配電柜、專用空調(diào)、消防設(shè)備等，而與這些前端基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備相連的低壓配電柜、UPS、冷水機(jī)組等后端設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施也可以進(jìn)行模塊化配置，即：模塊化基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，配置小容量的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備既可以應(yīng)對(duì)小規(guī)模系統(tǒng)，也可以靈活組合應(yīng)對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)。基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)模塊化可以使建設(shè)方式固定、系統(tǒng)功能獨(dú)立又相互依托，化整為零，增強(qiáng)通用性和靈活性。

模塊化機(jī)房已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，Google在美國(guó)俄克拉荷馬州的數(shù)據(jù)中心采用了廠房式大開間框架結(jié)構(gòu)部署微模塊，SwitchNap在拉斯維加斯的數(shù)據(jù)中心同樣采用了易于擴(kuò)展的模塊化建設(shè)方式，IBM、ebay、Microsoft、騰訊等眾多數(shù)據(jù)中心都應(yīng)用了模塊化建設(shè)方式。NMIC數(shù)據(jù)中心一直面臨基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間與IT設(shè)備引進(jìn)時(shí)間不匹配問題，用模塊化的建設(shè)模式可以得到較好解決。按IT設(shè)備的引進(jìn)時(shí)間，建設(shè)模塊化IT機(jī)房。模塊化IT機(jī)房與IT設(shè)備匹配度更高，解決了容量浪費(fèi)、效率低、交付時(shí)間長(zhǎng)、初設(shè)投資大、運(yùn)維成本高等劣勢(shì)，相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)房一并建成、陸續(xù)安裝IT設(shè)備的方式，更為合理、節(jié)能。另外，在NMIC歷次機(jī)房建設(shè)過程中，都是根據(jù)IT設(shè)備需求來設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備規(guī)模的，待IT設(shè)備淘汰時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備還要繼續(xù)為新引進(jìn)的IT設(shè)備服務(wù)，由于基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備規(guī)模是依據(jù)已淘汰的IT設(shè)備規(guī)模設(shè)計(jì)而成，有可能出現(xiàn)無(wú)法滿足新引進(jìn)IT設(shè)備需求的情況發(fā)生。若采用了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)模塊化，選擇小規(guī)模、通用性強(qiáng)的容量作為基本模塊容量，根據(jù)IT設(shè)備規(guī)模靈活組合，實(shí)現(xiàn)了利舊使用、效率最大化，達(dá)到了節(jié)能目的。

2.3　通用機(jī)房節(jié)能

既適用于高密度機(jī)房，又適用于低密度機(jī)房的節(jié)能技術(shù)即為通用機(jī)房節(jié)能技術(shù)。NMIC實(shí)踐的通用節(jié)能技術(shù)主要為自然冷卻Free Cooling。直流供電與光伏微電網(wǎng)作為一種效果顯著且方向明朗的通用節(jié)能技術(shù)，NMIC已對(duì)其進(jìn)行技術(shù)跟蹤和實(shí)地調(diào)研，同時(shí)，希望氣象數(shù)據(jù)中心能夠盡快應(yīng)用，并取得節(jié)能效益。

2.3.1直流供電與光伏微電網(wǎng)

數(shù)據(jù)中心“以UPS為核心”的傳統(tǒng)供電架構(gòu)在之前幾十年的機(jī)房建設(shè)領(lǐng)域里一直都是通用建設(shè)模式。但是，隨著向IT設(shè)備直接提供直流電源的成功嘗試，數(shù)據(jù)中心電氣架構(gòu)進(jìn)入 “一路直流供電+一路市電直供”的節(jié)能供電架構(gòu)。由于直流供電的電力轉(zhuǎn)換比傳統(tǒng)UPS少，蓄電池直接連接至母線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)變壓器等器件，而且向IT設(shè)備輸入的電源為直流電，不存在功率因數(shù)及諧波的問題，因此，供電效率高、電能損耗少。當(dāng)輸入電源為市電直供方式時(shí)，整體供電系統(tǒng)損耗更小，僅有線損。因此，這種“一路直流供電+一路市電直供”的供電架構(gòu)是一種非常節(jié)能且建設(shè)成本低的架構(gòu)。該供電架構(gòu)已經(jīng)在騰訊天津數(shù)據(jù)中心、百度陽(yáng)泉數(shù)據(jù)中心、阿里千島湖數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應(yīng)用，取得了很好的節(jié)能效果和較高的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)極致效率的追求，由太陽(yáng)能光伏陣列構(gòu)建的微電網(wǎng)作為公用電網(wǎng)的一種有效補(bǔ)充形式已經(jīng)為國(guó)外眾多數(shù)據(jù)中心接受并應(yīng)用。由于光伏受自然條件所限，從系統(tǒng)整體可靠性角度，當(dāng)光伏陣列直接向IT設(shè)備供電時(shí)，IT設(shè)備的另一路電源宜采用市電供電，其供電架構(gòu)為：“一路光伏直供+一路市電直供”。光伏架構(gòu)無(wú)需逆變環(huán)節(jié)，太陽(yáng)能光伏陣列發(fā)電后經(jīng)過DC/DC變換，直接向IT設(shè)備電源模塊供電，免去了電力變換，最大限度的提升了效率，而且，去除了傳統(tǒng)架構(gòu)和現(xiàn)有架構(gòu)的前端電源設(shè)備，如：變壓器、低壓配電柜等，光伏直供架構(gòu)作為最新的供電架構(gòu)使電氣節(jié)能達(dá)到極致。

利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電構(gòu)建微電網(wǎng)在國(guó)外數(shù)據(jù)中心界有著非常廣泛且大規(guī)模的應(yīng)用。美國(guó)境內(nèi)的大型數(shù)據(jù)中心基本均會(huì)采用綠色能源供電且節(jié)能效果顯著。2015年，百度云計(jì)算（陽(yáng)泉）數(shù)據(jù)中心太陽(yáng)能光伏建成，成功并網(wǎng)發(fā)電，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)采用光伏發(fā)電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供電的項(xiàng)目，這對(duì)國(guó)內(nèi)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)具有里程碑式意義。

我國(guó)也十分鼓勵(lì)綠色能源的使用，從國(guó)家層面給予了光伏發(fā)電優(yōu)惠政策和大力支持，根據(jù)國(guó)家能源局和發(fā)改委的最新政策，分布式光伏發(fā)電按照全電量補(bǔ)貼。

氣象部門數(shù)據(jù)中心目前仍處于傳統(tǒng)供電架構(gòu)，若能夠使部分IT設(shè)備采用“一路直流供電+一路市電直供”模式，部分IT設(shè)備嘗試“一路光伏直供+一路市電直供”將為數(shù)據(jù)中心節(jié)約大幅電能。以一個(gè)樓頂可用面積為4000 m2的數(shù)據(jù)中心為例，一塊尺寸約為1.2 m×0.8 m的非晶硅太陽(yáng)能板，每小時(shí)發(fā)電量約為140 W，樓頂至少可以安裝1000個(gè)太陽(yáng)能板，每小時(shí)總發(fā)電量約為140 kW，根據(jù)北京的日照情況，按平均每日4小時(shí)發(fā)電計(jì)算，理論每日可發(fā)電560 kW·h，僅電費(fèi)每年可節(jié)約19萬(wàn)元。

雖然，數(shù)據(jù)中心部署光伏微電網(wǎng)也許不能滿足數(shù)據(jù)中心全部用電需求，但是，應(yīng)用光伏是數(shù)據(jù)中心跨入綠色節(jié)能的一個(gè)明顯標(biāo)志，使用清潔可再生能源是節(jié)能的終極方向。直流供電與光伏微電網(wǎng)作為一種通用的節(jié)能技術(shù)，將成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能不可或缺的方向之一。若氣象部門數(shù)據(jù)中心在今后的建設(shè)項(xiàng)目中能夠以“服務(wù)器電源模塊可以直接由中低壓直流供電”作為采購(gòu)IT設(shè)備的一項(xiàng)必備指標(biāo)，則會(huì)使數(shù)據(jù)中心節(jié)能效果得到大幅提升，并且降低了項(xiàng)目前期建設(shè)成本、減少了電氣損耗。另外，氣象部門還需發(fā)揮在氣象和日照預(yù)測(cè)領(lǐng)域擁有的天然優(yōu)勢(shì)，為光伏供電和市電供電提供調(diào)度信息，并借助國(guó)家給予分布式能源發(fā)展前所未有的推動(dòng)力以及多項(xiàng)國(guó)家政策，推動(dòng)自身的綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)。

2.3.2自然冷卻

自然冷卻是利用自然界的低溫冷源進(jìn)行的冷卻。它采用旁通的方式，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，開啟旁通循環(huán)，部分或全部承擔(dān)壓縮機(jī)制冷循環(huán)的冷負(fù)荷，這樣，通過降低機(jī)械制冷的運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)全年能耗降低。自然冷卻可以分為空氣側(cè)自然冷卻、水側(cè)自然冷卻和熱管自然冷卻。其中，空氣側(cè)自然冷卻可以分為直接式和間接式；水側(cè)自然冷卻分為直接水冷式、空冷式和冷卻塔式。

NMIC即將引進(jìn)的國(guó)產(chǎn)HPC系統(tǒng)將使用以離心式水冷冷水機(jī)組為核心的冷凍水系統(tǒng)，同時(shí)采用熱交換器作為水冷冷水機(jī)組旁通的自然冷卻技術(shù)。該系統(tǒng)共配置3臺(tái)離心式冷水機(jī)組，旁通板式換熱器，建設(shè)3套完全獨(dú)立的冷卻水循環(huán)，根據(jù)室外溫度和機(jī)房負(fù)載自動(dòng)調(diào)控運(yùn)行模式：當(dāng)室外溫度在18 ℃以上時(shí)，全壓縮機(jī)運(yùn)行；當(dāng)室外溫度在10～17 ℃時(shí)，部分自然冷卻；當(dāng)室外溫度在10 ℃以下時(shí)，全自然冷卻，并降低冷卻水溫度。預(yù)計(jì)該自然冷卻技術(shù)將節(jié)約制冷系統(tǒng)約30%的能耗，HPC機(jī)房年均PUE值預(yù)計(jì)小于1.4。

NMIC老樓三層存儲(chǔ)機(jī)房和二層網(wǎng)絡(luò)機(jī)房采用了次級(jí)盤管作為CRAC壓縮機(jī)旁通的節(jié)能型精密空調(diào)機(jī)組，該空調(diào)將壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)與乙二醇自然冷卻系統(tǒng)并聯(lián)，通過循環(huán)水泵和室外干冷器將室外低溫免費(fèi)冷源間接帶入機(jī)房，對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行冷卻。目前，機(jī)房?jī)?nèi)共安裝了4臺(tái)節(jié)能型精密空調(diào)，總冷量320 kW，預(yù)計(jì)全年可節(jié)約電量245000 kW·h，節(jié)約電費(fèi)約22.8萬(wàn)元。

3　關(guān)于氣象部門數(shù)據(jù)中心節(jié)能的進(jìn)一步思考

氣象部門數(shù)據(jù)中心有著自身顯著特點(diǎn)，其節(jié)能除了應(yīng)關(guān)注前述源頭性節(jié)能、技術(shù)性節(jié)能和結(jié)構(gòu)性節(jié)能外，還應(yīng)該利用其在氣象和日照預(yù)測(cè)領(lǐng)域擁有的天然優(yōu)勢(shì)，提供預(yù)測(cè)服務(wù)和調(diào)度信息，做出不同于眾的節(jié)能成績(jī)。

3.1　充分發(fā)揮自有機(jī)房?jī)?yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)全方位節(jié)能

數(shù)據(jù)中心分類的依據(jù)較多，例如：從功率密度角度可分為高密度數(shù)據(jù)中心、低密度數(shù)據(jù)中心和混合全密度數(shù)據(jù)中心；從建設(shè)規(guī)模角度可分為中小規(guī)模數(shù)據(jù)中心、大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心；從數(shù)據(jù)中心歸屬角度可分為自有數(shù)據(jù)中心和租賃數(shù)據(jù)中心。目前，凡具有較大規(guī)模且欲謀求更大發(fā)展的組織均會(huì)選擇自建數(shù)據(jù)中心，如：以銀行、證券部門為代表的金融機(jī)構(gòu)；以三大運(yùn)營(yíng)商、能源部門（中石油、中石化）為代表的大型國(guó)企；以百度、阿里巴巴、騰訊為代表的互聯(lián)網(wǎng)公司等全部選擇自建數(shù)據(jù)中心，顯然，自有數(shù)據(jù)中心從靈活可控、安全可靠以及運(yùn)維成本角度更勝于租賃數(shù)據(jù)中心。

氣象部門作為一個(gè)服務(wù)于國(guó)計(jì)民生的行業(yè)，每天都會(huì)產(chǎn)生大量的氣象數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)中心的重要性不言而喻，雖然氣象數(shù)據(jù)中心重要性很高，但其規(guī)模卻屬于中小型，因此，自建數(shù)據(jù)中心不但適合氣象數(shù)據(jù)中心特性，而且從節(jié)能角度，自有數(shù)據(jù)中心貫徹節(jié)能號(hào)召更為主動(dòng)、系統(tǒng)、高效。自有數(shù)據(jù)中心能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)性節(jié)能優(yōu)勢(shì)，從設(shè)計(jì)、建設(shè)到運(yùn)維、改進(jìn)，可以將節(jié)能滲入數(shù)據(jù)中心的每一方面，以全局視角打造有特色的綠色節(jié)能型氣象數(shù)據(jù)中心。

3.2　加快整合機(jī)房資源，提高系統(tǒng)利用率

多處零散的小規(guī)模數(shù)據(jù)中心必然帶來IT系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)、效率低下等劣勢(shì)，若能將機(jī)房資源進(jìn)行有效整合，建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，配置規(guī)模合理的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，使其利用率達(dá)到較佳水平，既有利于統(tǒng)一管理、調(diào)度，又可以降低基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的系統(tǒng)功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.3　梳理業(yè)務(wù)需求，重新定位可靠性

業(yè)務(wù)需求決定了數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的可靠性，如銀行、證券等部門將數(shù)據(jù)中心可靠性列為首要關(guān)注指標(biāo)，而同樣擁有實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)公司對(duì)數(shù)據(jù)中心的可靠性并不特別關(guān)注，而是綜合考量可靠性、節(jié)能性、運(yùn)營(yíng)成本等諸多因素的平衡。目前，NMIC氣象數(shù)據(jù)中心所有IT設(shè)備均要求高可靠性，這使得為其服務(wù)的所有基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)均需按高可靠性設(shè)計(jì)和配置，這必然會(huì)影響其它因素，如：節(jié)能、系統(tǒng)效率、運(yùn)維成本等。因此，若能嘗試梳理業(yè)務(wù)真正需求，重新定位IT設(shè)備的可靠性，并以IT設(shè)備保障等級(jí)作為氣象機(jī)房劃分依據(jù)，不同等級(jí)機(jī)房予以不同保障等級(jí)，機(jī)房的建設(shè)成本和維護(hù)成本也依據(jù)不同等級(jí)而不同，節(jié)約了基礎(chǔ)設(shè)施資源，從源頭上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心節(jié)能。

3.4　節(jié)能需向“科學(xué)化的運(yùn)維和管理”延展

數(shù)據(jù)中心節(jié)能除了設(shè)備節(jié)能、技術(shù)節(jié)能、架構(gòu)節(jié)能外，還應(yīng)該關(guān)注科學(xué)化的運(yùn)維和管理，包括以下三個(gè)方面：1）IT設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)節(jié)能，如：通過資源調(diào)度，降低空閑能耗；根據(jù)進(jìn)程能耗調(diào)整CPU任務(wù)隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)能耗均衡以及虛擬化技術(shù)等；2）基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維級(jí)節(jié)能，如：根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)精細(xì)化的能耗監(jiān)控，有針對(duì)性的局部解決問題，而非針對(duì)整個(gè)機(jī)房采取規(guī)模性的節(jié)能方案；3）建立科學(xué)化的運(yùn)維體系，充分發(fā)揮體系的規(guī)范機(jī)制，激發(fā)人的能動(dòng)性，發(fā)現(xiàn)并處理問題于無(wú)形階段，使設(shè)備一直處于較佳模式，避免極端問題的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

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