雙碳背景下的數(shù)據(jù)中心節(jié)能

徐 堅，張文利

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京210019）

0 引 言

隨著數(shù)字經(jīng)濟的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心承擔的業(yè)務(wù)范圍不斷擴大，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）的需求持續(xù)增長。2019年，中國互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模達1.562 5×1011元，較2018年增加了3.345×1010元，同比增長27.2%。2020年受多因素影響，科技防疫、遠程辦公、遠程教育以及電商等下游應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，帶動IDC行業(yè)高速發(fā)展，中國互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達到1.958 2×1011元，未來幾年數(shù)據(jù)中心規(guī)模將保持持續(xù)增長勢頭。超大型數(shù)據(jù)中心由東部發(fā)達地區(qū)，逐步向西部能源豐富地區(qū)擴展。目前，在國家“雙碳”（碳達峰、碳中和）目標的引導下，追求數(shù)據(jù)中心的低能耗指標，提升清潔能源的使用及利用效率已經(jīng)成為大趨勢，一系列圍繞碳中和的節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和升級在數(shù)據(jù)中心中得到了廣泛應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能分析

在近期工信部印發(fā)的新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃中，指出了綠色低碳和提高電能利用率等相關(guān)目標。圍繞這一目標，數(shù)據(jù)中心節(jié)能可從加快先進綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用、提升清潔能源高效利用水平以及現(xiàn)有架構(gòu)節(jié)能優(yōu)化等多個方面著手。

2 綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

圍繞綠色低碳，數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)一直在積極探索綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，目前已經(jīng)有多項新技術(shù)和新產(chǎn)品成功的運用到數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中來，并取得了不錯的節(jié)能降耗效果。

2.1 10 kV直轉(zhuǎn)直流電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)是臺達攜手阿里巴巴推出的全新IDC供電方案，阿里內(nèi)部代號巴拿馬電源系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由10 kV進線開關(guān)柜、移相變壓器柜、整流柜以及直流輸出柜4部分組成，系統(tǒng)容量可達到2 400 kW。數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)UPS供電架構(gòu)需要多級配電及變換，從10 kV進線柜、變壓器、低壓配電柜、UPS主機、UPS輸出柜、列頭柜直至IT機柜，而巴拿馬電源供電架構(gòu)將中間配電的多個環(huán)節(jié)整合到一個成熟的產(chǎn)品當中，大大簡化了傳統(tǒng)的供電架構(gòu)。巴拿馬系統(tǒng)與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)對比如圖1所示，由于整個供電系統(tǒng)架構(gòu)極簡，系統(tǒng)產(chǎn)品化，預制化，提高了供電系統(tǒng)的整體可靠性。根據(jù)目前現(xiàn)有廠家的數(shù)據(jù)，負載率為20%～100%時，峰值效率可達98.5%。與傳統(tǒng)高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current，HVDC）供電架構(gòu)相比，供電系統(tǒng)的整體效率提升3%左右，損耗降低66%。

圖1 巴拿馬系統(tǒng)與傳統(tǒng)電源系統(tǒng)對比

以一套2 400 kW巴拿馬電源系統(tǒng)為例，與之容量相當?shù)某Ｒ?guī)配電系統(tǒng)包含1臺2 500 kVA變壓器和4臺600 kVA UPS主機。兩套系統(tǒng)運行損耗對比如表1所示。

表1 巴拿馬電源系統(tǒng)與容量相當?shù)某Ｒ?guī)配電系統(tǒng)損耗對比

根據(jù)表1統(tǒng)計結(jié)果，采用巴拿馬方案，單套系統(tǒng)可節(jié)省傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的一半的電力損耗，是一款綠色節(jié)能的電源產(chǎn)品。

2.2 間接蒸發(fā)冷卻節(jié)能技術(shù)

間接蒸發(fā)冷卻是指通過間接換熱器，把室外空氣中的干空氣能轉(zhuǎn)化為空氣的冷量，濕空氣與機房循環(huán)空氣不接觸，可以實現(xiàn)機房回風等去濕冷卻，之后送入機房冷通道。在間接換熱器效率較低時，聯(lián)合機械制冷蒸發(fā)器，把機房回風處理到要求的水平。間接蒸發(fā)冷卻在數(shù)據(jù)中心全年運行過程中充分使用自然冷源，節(jié)能效果顯著，其工作原理如圖2所示。

圖2 間接蒸發(fā)冷系統(tǒng)工作原理圖

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)有3種運行模式，當室干球溫度較低時，室外新風和室內(nèi)空氣直接通過換熱器換熱。當室外干球溫度升高，室外濕球溫度較低時，開啟噴淋系統(tǒng)，進行間接蒸發(fā)模式。當室外濕球溫度進一步升高時，需啟動機壓縮機補冷，進入械制冷模式。

以西部某數(shù)據(jù)中心為例，當?shù)貧夂蚋稍?，年平均氣溫較低。單棟建筑面積為20 000 m2，采用兩種供冷方案。方案一采用4臺傳統(tǒng)的離心式冷水主機，制冷量為1 700 RT，4臺閉式冷卻塔，流量為1 500 m3/h。方案二采用風冷冷水機組+蒸發(fā)冷卻機組混合方式，配置7臺帶自然冷卻的風冷機組，制冷量為1 500 kW，12臺帶自然冷卻蒸發(fā)冷卻機組，制冷量為900 kW。兩種方案的能耗對比如表2所示。其中電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值，其值越接近1表明非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越好。

表2 常規(guī)冷卻方案和蒸發(fā)冷卻方案能耗對比表

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的主要亮點是可以最大限度的利用自然冷源，降低系統(tǒng)的能耗。其擁有超高效的空氣側(cè)換熱芯體，采用最高效的材質(zhì)，換熱面積超過1 200 m2，換熱溫差達到3 ℃以上，換熱效率可達到80%以上，適用于嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)以及溫和地區(qū)，特別是干燥地區(qū)，可將數(shù)據(jù)中心PUE降低至1.30以下。

根據(jù)表2對比結(jié)果，數(shù)據(jù)中心采用間接蒸發(fā)冷技術(shù)與常規(guī)水冷方案的相比，蒸發(fā)冷卻技術(shù)有著更明顯的節(jié)能效果，年CO2排放量可減少約6×106kg，特別適合我國西部氣候干燥，平均氣溫較低的地區(qū)使用。

3 高效清潔能源的利用

3.1 分布式能源系統(tǒng)

分布式能源系統(tǒng)是指燃氣輪機組使用天然氣為燃料，通過發(fā)電機發(fā)電，利用余熱鍋爐、煙氣換熱器、溴化鋰吸收式制冷機等回收機組，將排煙熱量用于供冷、供熱以及供電，實現(xiàn)冷、熱、電的三聯(lián)供系統(tǒng)，如圖3（a）所示，同時還可使用燃氣機組運行產(chǎn)生的熱量給生活用水提供熱源或者作為空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動熱源，大幅提高能源利用效率。余熱回收示意如圖3（b）所示，將發(fā)電產(chǎn)生的余熱就近用于供冷和供熱，可最大化地提高能源的利用效率。

圖3 三聯(lián)供運行示意

3.2 三聯(lián)供運行模式

三聯(lián)供運行模式是指夏季時由燃氣發(fā)電機組對數(shù)據(jù)中心供電，直燃機通過余熱供冷，尾部煙氣加熱生活熱水，冬季時由市電對數(shù)據(jù)中心供電。冷卻塔利用自然冷源為數(shù)據(jù)中心供冷，鍋爐供應(yīng)生活熱水和采暖等熱負荷。過渡季節(jié)時開部分燃氣發(fā)電機組，不足由市電作為補充，直燃機余熱供冷，其余電制冷機補充。

以北京某數(shù)據(jù)中心為例，該數(shù)據(jù)中心含兩棟數(shù)據(jù)中心機樓和1棟運維辦公樓，總建筑面積約為25 000 m2。夏季用電負荷為2 000 kW，冬季用電負荷為1 200 kW，數(shù)據(jù)中心樓總冷負荷為7 500 kW，運維樓夏季冷負荷為350 kW，冬季采暖熱負荷為600 kW，生活熱水負荷為100 kW。該數(shù)據(jù)中心三聯(lián)供方案采用兩臺1 100 kW燃氣內(nèi)燃機、兩臺1 750 kW余熱直燃機、3臺650 RT電制冷機以及1臺燃氣熱水鍋爐。常規(guī)方案采用兩臺1 300 kW柴油發(fā)電機組、4臺750 RT電制冷機以及1臺燃氣熱水鍋爐。表3為常規(guī)方案與三聯(lián)供方案能耗對比。

根據(jù)表3對比結(jié)論，該數(shù)據(jù)中心采用分布式能源系統(tǒng)每年可減少約2.86×106kg的CO2排放。分布式能源系統(tǒng)采用天然氣清潔能源，減少溫室氣體和環(huán)境污染物的排放，實現(xiàn)打造綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心。

表3 常規(guī)方案與三聯(lián)供方案能耗對比表

4 現(xiàn)有電力架構(gòu)節(jié)能優(yōu)化

4.1 三路市電供電架構(gòu)

目前，絕大部分數(shù)據(jù)中心均采用兩路市電+柴油發(fā)電機組的供電架構(gòu)，其中重要的一級負荷均由柴油發(fā)電機組作為后備電源。在大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心園區(qū)，動力中心通常設(shè)置數(shù)十臺柴油發(fā)電機組。在數(shù)據(jù)中心日常的維護中，為保障數(shù)十臺油機的正常運轉(zhuǎn)，冬季的水套加熱、每月固定的加載測試運行都需要消耗大量的能源。

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的8.1.12條規(guī)定，A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)設(shè)置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路[1]。如規(guī)范所述，備用電源不一定是柴油發(fā)電機組，也可以是第三路市電。

以1棟20 000 m2的數(shù)據(jù)中心機樓為例，一般配置12臺1 800 kW的10 kV柴油發(fā)電機組。每臺機組的耗油量為0.5 m3/h，僅考慮每月固定加載測試運行1 h（暫不考慮市電失效油機投入時間），每個月固定的耗油量為6 m3的柴油，相當于7 020 kg，折算標準煤為10 228 kg。因此在條件允許的情況下，采用三路市電的供電架構(gòu)不僅可以節(jié)約大量的開發(fā)投資，同時也節(jié)約了能源消耗。

4.2 1路市電+1路UPS（HVDC）供電架構(gòu)

目前，除BAT等一些數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)采用1路市電+1路UPS（HVDC）供電架構(gòu)外。大部分數(shù)據(jù)中心仍然采用兩路UPS（HVDC）的供電架構(gòu)，UPS系統(tǒng)損耗一般在6%，HVDC系統(tǒng)損耗一般在4%，系統(tǒng)在低負載狀態(tài)下?lián)p耗要更高。

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的3.3.2條規(guī)定，A級數(shù)據(jù)中心同時滿足市電質(zhì)量、功率因素以及諧波等條件的情況下，電子信息設(shè)備的供電可采用不間斷電源系統(tǒng)和市電電源系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式[1]。A級機房允許采用1路市電+1路UPS（HVDC）供電方式。

數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)如圖4所示，主要包括2N UPS系統(tǒng)、1路市電+1路UPS以及1路市電+1路UPS（運行在ECO模式）3種模式。以某數(shù)據(jù)中心為例，單棟建筑面積為29 000 m2，IT用400 kVA UPS主機96臺，2N供電架構(gòu)和其他兩種供電模式分別對應(yīng)的電源效率及能耗情況如表4所示。

通過表4對比分析可知，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，不間斷電源系統(tǒng)占很大比例。對于大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)，如采用圖4（b）供電架構(gòu)，較圖4（a）可提高4%的電源系統(tǒng)效率，節(jié)約50%的不間斷電源系統(tǒng)的損耗。如采用圖4（c）供電架構(gòu)可以進一步節(jié)能，較圖4（a）可提高7%的電源系統(tǒng)效率，節(jié)約87.5%的不間斷電源系統(tǒng)的損耗。采用后兩種供電模式可以大大減少電源的損耗，具有相當可觀的減少排放的效果。

圖4 數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)

表4 數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)效率及損耗對比表

5 結(jié) 論

在國家“雙碳”（碳達峰、碳中和）的背景下，數(shù)據(jù)中心采用各項節(jié)能措施已成為一大趨勢。數(shù)據(jù)中心節(jié)能方式多樣化，綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用、提升清潔能源高效利用水平以及現(xiàn)有架構(gòu)節(jié)能優(yōu)化都可以有效降低數(shù)據(jù)中心能耗減少排放。各個數(shù)據(jù)中心業(yè)主應(yīng)根據(jù)所處地區(qū)氣候環(huán)境條件，當?shù)啬茉?、政策以及自身發(fā)展需求，選用合適自己路線的節(jié)能技術(shù)與節(jié)能措施。