隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)向社會(huì)各領(lǐng)域的持續(xù)滲透，社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)、計(jì)算以及應(yīng)用需求大幅提升，伴隨著國家“東數(shù)西算”工程的全面啟動(dòng)，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新一代信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，數(shù)據(jù)中心建設(shè)也迎來了高速發(fā)展。持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心能源的使用效率，對(duì)建設(shè)數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。

　　相關(guān)研究表明，數(shù)據(jù)中心能耗有1/3來源于暖通空調(diào)系統(tǒng)，僅次于IT設(shè)備能耗。在數(shù)據(jù)中心正式運(yùn)行初期，機(jī)柜負(fù)載率不高的情況下，空調(diào)系統(tǒng)能耗尤其突出，因此對(duì)暖通系統(tǒng)節(jié)能措施進(jìn)行研究，不僅能降低自身能耗，提高數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率，還能有效降低數(shù)據(jù)中心PUE值，保障數(shù)據(jù)中心安全可靠運(yùn)行，對(duì)研究數(shù)據(jù)中心節(jié)能十分重要。

　　01、數(shù)據(jù)中心能源消耗現(xiàn)狀　

　　近年來，隨著云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，數(shù)據(jù)中心一方面步入快速發(fā)展階段。但是，另一方面，數(shù)據(jù)中心又面臨能耗過高的問題。經(jīng)調(diào)查，數(shù)據(jù)中心目前消耗了全球約2%的電力，到2030年可能上升到8%。從國內(nèi)看，全國數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)8年超過12%的速度增長。2017年，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)到1200-1300億千瓦時(shí)，這個(gè)數(shù)字超過三峽大壩和葛洲壩電廠發(fā)電量之和（約1000億千瓦時(shí)）。預(yù)計(jì)2025年高達(dá)3842.2億千瓦時(shí)。

　　如果從一個(gè)單一產(chǎn)業(yè)的角度看，這是非?？膳碌哪芎?。但是，數(shù)據(jù)中心并不是簡單的單一產(chǎn)業(yè)。它消耗的能源最后轉(zhuǎn)化為整個(gè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，支撐著互聯(lián)網(wǎng)、通信、智能交通、智慧城市等等一系列的重要產(chǎn)業(yè)。但是，在巨大耗電量的背后，實(shí)際上有著令人難以置信的浪費(fèi)。數(shù)據(jù)中心的耗電量僅有6%~12%是被用于網(wǎng)站計(jì)算，其余均在維持服務(wù)器工作狀態(tài)時(shí)被無謂消耗。隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，這種耗電情況近年來持續(xù)走高。

　　同時(shí)，“過度散熱”也是數(shù)據(jù)中心耗電巨大的重要原因。數(shù)據(jù)中心的過度冷卻差不多達(dá)到實(shí)際所需要的2倍。此外，由于可再生能源的利用率低下，數(shù)據(jù)中心運(yùn)轉(zhuǎn)只能不斷加大使用原始驅(qū)動(dòng)力——電力，耗電量自然只增不減。居高不下的耗電量、溫室氣體的排放……數(shù)據(jù)中心數(shù)量與規(guī)模的快速增長已經(jīng)為資源與環(huán)境帶來巨大挑戰(zhàn)，低碳化的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型迫在眉睫。

　　02、數(shù)據(jù)中心的環(huán)境及節(jié)能要求　　

　　數(shù)據(jù)中心建設(shè)內(nèi)容不僅包括傳統(tǒng)的土建工程，還涉及計(jì)算機(jī)設(shè)備制造、通信設(shè)備制造、各類計(jì)算軟件以及綠色能源供給等多種不同類別的建設(shè)內(nèi)容，產(chǎn)業(yè)鏈條長、覆蓋門類廣，需集成各專業(yè)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能要求。

　　數(shù)據(jù)中心按照運(yùn)行環(huán)境和功能需求通?？煞譃橹鳈C(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)以及行政管理區(qū)等，各區(qū)域?qū)Νh(huán)境的要求不同，需通過暖通空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)各區(qū)溫度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度和空氣潔凈度。主機(jī)房、支持區(qū)（如制冷站、設(shè)備用房、電池室、配電室）、輔助區(qū)（消控室、指揮中心、管道井）等為維持設(shè)備的正常工作，須進(jìn)行精確的溫濕度控制，同時(shí)為了保持主機(jī)房內(nèi)空氣潔凈度在一定范圍內(nèi)，主機(jī)房應(yīng)維持正壓。而管理區(qū)則只需要滿足人的舒適性需求，因此必須對(duì)不同的環(huán)境區(qū)域進(jìn)行合理的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　目前，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能效的權(quán)威指標(biāo)是電能利用效率PUE，指的是數(shù)據(jù)中心總耗電量與數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備耗電量的比值。PUE越接近1，則數(shù)據(jù)中心的能效越高。2021年10月22日，國家發(fā)改委聯(lián)合各部門發(fā)布的《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見》中明確新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心電能利用效率不超過1.3。到2025年，數(shù)據(jù)中心電能利用效率應(yīng)普遍不超過1.5。為了盡可能降低PUE值，需要對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，并盡可能采取相關(guān)的節(jié)能措施。

　　03、數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗影響因素分析　　

　　從數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)的全生命周期來看，影響暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗的因素主要有以下五個(gè)方面。

　　01、需求及建設(shè)目標(biāo)　

　　在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)的決策階段，用戶的總體投資規(guī)模及PUE目標(biāo)確定了數(shù)據(jù)中心總體包含暖通系統(tǒng)的的能耗狀況。

　　02、暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型　

　　依托用戶的需求、投資規(guī)模、建設(shè)目標(biāo)以及使用要求，設(shè)計(jì)單位通過計(jì)算分析，采用合理的暖通系統(tǒng)形式進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。不同設(shè)計(jì)方案采用的暖通系統(tǒng)、選取的設(shè)備導(dǎo)致實(shí)際的節(jié)能效果差異很大。例如，依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定空調(diào)系統(tǒng)選用水系統(tǒng)或是風(fēng)系統(tǒng)，為了避開能源使用高峰，考慮有無必要使用冰蓄冷等。

　　03、不同能效等級(jí)的暖通設(shè)備　　

　　暖通設(shè)備能耗包括制冷機(jī)組、冷卻塔、水泵等設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的能耗。不同能效等級(jí)的設(shè)備能耗差異較大，一般選擇能效等級(jí)較低的設(shè)備。

　　04、熱量交換和傳遞過程損失的能耗　　

　　如數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)隔離端口或機(jī)柜盲板不完善，導(dǎo)致封閉冷通道或熱通道與外界空氣環(huán)境之間進(jìn)行熱交換，造成暖通系統(tǒng)能耗損失等。

　　05、高效運(yùn)維管理，降低能耗　　

　　數(shù)據(jù)中心在實(shí)際運(yùn)行過程中對(duì)暖通系統(tǒng)進(jìn)行高效運(yùn)維管理，降低能耗。如對(duì)輔助區(qū)和支持區(qū)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行合理的控制與管理，在過渡季節(jié)合理切換制冷模式等，通過高效管理實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行受室外氣象條件、室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及運(yùn)行管理等因素的影響很大，因此在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)決策階段應(yīng)明確節(jié)能目標(biāo)，并在項(xiàng)目實(shí)施階段進(jìn)行科學(xué)的暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化冷源系統(tǒng)、水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分了解數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備性能，選取先進(jìn)的設(shè)備材料，減少系統(tǒng)綜合管理誤差，提高運(yùn)維管理水平等，有效降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

　　04、數(shù)據(jù)中心的暖通系統(tǒng)節(jié)能措施探討　

　　雖然很多用戶通過加大利用自然冷源等思路來降低數(shù)據(jù)中心的能源消耗，但是目前也只能降低一小部分。如果在這個(gè)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)中心要“節(jié)能更大化”該何去何從？

　　01、明確節(jié)能目標(biāo)　

　　受工業(yè)化和城市化進(jìn)程的影響，我國經(jīng)濟(jì)目前仍然處于中高速發(fā)展階段，對(duì)能源消耗的依賴依舊居高不下。

　　在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)決策階段，可依據(jù)項(xiàng)目投資規(guī)模，參照政府有關(guān)部門發(fā)布的相關(guān)文件和政策，科學(xué)制定PUE目標(biāo)。一般PUE越小，初投資越大，因此項(xiàng)目建設(shè)單位需合理評(píng)估項(xiàng)目的效益，避免浪費(fèi)。

　　02、合理選擇暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方案與技術(shù)　　

　　1.合理選擇冷源設(shè)備　　

　　數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)是暖通系統(tǒng)的心臟，冷源設(shè)備的能耗在暖通系統(tǒng)能耗中占比也最大，需根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣候條件、項(xiàng)目規(guī)模、投資概算以及能源利用條件等因素充分論證確定。在冷源系統(tǒng)選擇時(shí)應(yīng)盡可能加強(qiáng)對(duì)天然能源的有效運(yùn)用，如自然冷卻和風(fēng)能等；推進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用，如智慧節(jié)能降碳技術(shù)可減少冷站的能源消耗，提高效率。

　　制冷機(jī)房在地下一層，考慮到數(shù)據(jù)中心總負(fù)荷及土建前期預(yù)留條件，當(dāng)期冷源系統(tǒng)配置3臺(tái)1934kW 低壓變頻水冷離心機(jī)組，兩用一備。設(shè)置高冷凍水供回水溫度為12℃/18℃，常規(guī)冷凍水供回水溫差為5℃，采用冷凍水供回水溫差為6℃，可減少冷凍水的流量和管網(wǎng)的阻力，降低制冷機(jī)組和水泵的運(yùn)行能耗。

　　2.降低水系統(tǒng)比摩阻　　

　　綜合考慮管徑、安裝空間、最小沖洗流速的前提下，盡量降低水系統(tǒng)比摩阻，減少整個(gè)水系統(tǒng)的水壓降，降低水泵的揚(yáng)程，進(jìn)而減少水泵的運(yùn)行功率。同時(shí)管道可以容納的水容量更多，增加管道蓄冷的能力和水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)中心冷凍水采用一級(jí)泵變流量、雙立管環(huán)形系統(tǒng)，雙管路同時(shí)使用，檢修或故障時(shí)可切斷一路，另一路獨(dú)立運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)中心運(yùn)行安全。

　　3.余熱回收　　

　　將數(shù)據(jù)中心服務(wù)器運(yùn)行產(chǎn)生的大量余熱進(jìn)行收集，如果條件允許，可利用回收的余熱通過熱泵機(jī)組升溫作為對(duì)建筑物供暖的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)清潔采暖，減少中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室外的碳排放及能源消耗。

　　4.余熱回收提高送回風(fēng)溫度　　

　　封閉冷通道后，空調(diào)回風(fēng)溫度可提高至30～32℃（傳統(tǒng)機(jī)房回風(fēng)溫度28℃)，減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)和回風(fēng)溫度提高1℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電約2.5%，空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力提高約5%。

　　5.降低熱交換次數(shù)，提高熱交換效率　　

　　冰蓄冷系統(tǒng)雖然能降低運(yùn)行費(fèi)用，但不節(jié)電，只是利用了電價(jià)峰谷政策，錯(cuò)峰進(jìn)行耗能制冷。但是每多一次熱交換都會(huì)產(chǎn)生熱損失，總碳排放是增加的。因此，宜增加每次熱交換的效率，降低熱交換次數(shù)，控制總碳排放。

　　05、結(jié)語　　

　　數(shù)據(jù)中心暖通系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)與IT負(fù)載有效匹配，既要保證IT系統(tǒng)能夠正常持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，又要確定不會(huì)產(chǎn)生過多的制冷冗余，提高暖通系統(tǒng)的節(jié)能效率。數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)在建設(shè)和運(yùn)行過程中有很多節(jié)能降耗的潛力，通過科學(xué)手段進(jìn)行深入分析，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智慧化的運(yùn)維管理，可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低數(shù)據(jù)中心PUE值，建成高效、安全、可靠且綠色的新型數(shù)據(jù)中心，助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。