伴随进入互联网时代，数据中心建设迅速扩张，同时带来能源和资源消耗问题。据相关机构测算，截止 2017 年底，我国各类在用数据中心总量已经达到 28.5 万个，机架总规模约 479 万个，全年耗电量超过 1200 亿千瓦时，约占我国全社会用电量的 2%1。数据中心是能源消耗强度非常高的场所，单位面积年耗电量多达几千千瓦时，较大型公共建筑单位面积耗电量多出一个量级，比一个普通居民家庭全年用电量还多。近年来，数据中心的快速发展，也使其能源消费量迅猛增长。
近年来，国家互联网应急中心信息系统在省级分中心部署的规模和数量不断增加，投入的电力维护费用逐年递增。一方面，传统机房设备的不断扩容与升级，同比例支出相应能耗费用；另一方面，老旧机房的耗能量随着使用年限逐年攀升，新建机房却仍然按照传统机房的建设模式扩张，不断累加电力能耗费用，且呈现成倍增长趋势。能耗费用攀升和设备故障折损等问题，引起国家中心的高度重视和管理者的进一步思考，数据中心节能建设工作受到越来越多的关注。
2019 年，工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局三部门联合印发《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》【工信部联节〔2019〕24 号】，主要目标是为建立健全绿色数据中心标准评价体系和能源资源监管体系，打造绿色数据中心先进典型，形成一批具有创新性的绿色技术产品和解决方案等。到 2022 年，数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到 1.4 以下，高能耗老旧设备基本淘汰，水资源利用效率和清洁能源应用比例大幅提升，废旧电器电子产品得到有效回收利用。
但目前我国绿色数据中心的建设和实施处于发展初期，缺乏节能建设相关工程经验和完善方法理论，导致我国绿色数据中心建设工作开展较缓慢，部分数据机房在实际运行中存在能耗大、运行费用高、能耗计量不完备等问题。
因此，对绿色数据中心的节能建设关键经验进行分析和总结是十分必要的。
（1）机房改造前问题分析
实例所选机房面积为 265 ㎡，机房内安装了 69套机柜，并搭建了 4 组冷通道封闭系统；机房配置了 10 套菲尼克斯 D40 型机房精密空调，单台制冷量约为 78kW( 送回风温差为 10℃时 )。69 套机柜中包括 41 个 10kW 高功率机柜和 28 个 4kW 低功率机柜。气流组织采用冷通道地板送风，热通道无组织回风的方式，地板风口选用符合承重要求的格栅地板风口，开孔率大于 50%。树上鸟教育暖通设计在线教学杜老师。
该机房是冷热通道完全隔离且架设高功率设备在日常运行中存在以下问题：
1）机房整体环境温度偏低，冷热通道温差较小，冷空气利用率较低；
2）机房内冷热资源分布不均，部分区域环境温度过高，存在局部热点；
3）空调回风温度较低，运行效率低导致空调能耗偏高。
本项目通过现场测量和软件模拟，对机房环境整体状况进行评估和预判：
1）机房整体环境温度偏低的主要原因是冷通道封闭不严，冷通道顶部活动盖板因年久变形塌陷，造成裂缝，导致冷量还可以从冷通道顶部泄露至热通道，影响了冷通道实际效果；
2）由于冷通道部分冷量泄露，机柜设备得不到足够冷量，出现局部热点，如下图 CFD 模拟结果所示，整体冷热分布不均；
3）通过使用 CFD 软件对冷通道所需风量和冷量，与实际空调设备提供的风量和冷量进行对比发现，空调所提供的风量和冷量远远大于设备所需，现场设备风量和冷量情况如下表所示，从表中可知 D 区机房空调全开情况下所能提供的总冷量为878kW，远远大于机房所需要总冷量 495.1kW。
（2）项目改造
为解决上述问题，该数据机房从 2014 年 6 月至11 月中旬，通过采集机房内机柜、空调、UPS 等设备基本信息参数，借助 CFD 仿真模拟软件（以下简称“CFD 软件”），对采集数据汇总分析，提出有针对性的节能改造和空调系统运行优化方案，并根据优化方案对机房进行施工改造。根据机房现状问题分析情况，本项目提出针对性的改造方案：
1）冷通道封闭性改造
冷通道封闭包括安装盲板、安装防火布、安装底板、维修更换顶板，对机房冷空气输送各环节涉及到的硬件通道进行封闭，保证冷通道的整体效果。
2）空调系统调试
项目通过逐步调整机房空调运行模式，优化气流组织，扩大冷热通道温差，充分利用冷气资源，提高空调运行效率，改善室内气流组织环境，并实现节能减排。
整体改造施工过程以机房设备安全运行为前提，采用循序渐进、即时观测、逐步改进的方式进行，在改造施工过程中及时记录相关机房环境参数的变化情况。
（3）改造效果分析
1）机房环境效果分析
通过 CFD 软件对机房环境进行模拟和分析，对比项目改造前后的机房环境温度和风量分布有明显变化。
如下图所示，温度方面改造前机房整体环境温度较低，冷热通道温差小，冷热通道混风严重，存在局部热点；改造后，机房整体环境温度明显上升，冷热通道边界清晰，温度显著扩大，机房内冷热资源分布相对合理；
风量分布方面，CFD 模拟图显示改造后冷通道风量供给充足且更加均匀合理。
2）空调运行效率分析
通过将空调运行参数（包括送风温度，回风温度，风速等）输入到 CFD 软件中，通过软件模拟和分析可以计算出空调运行效率，进而对比改造前后空调运行效率的变化。在春夏季节，采取“7+3”空调运行模式，即运行 7 台空调关闭 3 台空调；在秋冬季节，采取“6+4”空调运行模式。下表为改造前后空调制冷情况模拟结果。
通过比较表 2 和表 3 可以看出，在空调“6+4”运行模式下空调总制冷量与改造前几乎不变，完全可以满足机房的制冷需求；空调送回风温度差由6.7℃变为 10.3℃，有了明显扩大；单台空调制冷功率由 49.5kW 升为 82.5kW，空调制冷效率大大提高。
3）机房能耗效果分析
空调能耗自项目实施（7 月）以来逐月下降，11 月项目改造结束后，能耗趋于稳定。12 月因开启空调加湿功能，能耗略有上升。IT 设备能耗自 7 月以来逐渐下降，9 月冷通道封闭施工结束后，趋于稳定；UPS 损耗随 IT 设备能耗变化而变化。
机房设备能耗数据具体请见下表。
改造后每日平均节省能耗约 3000kWh。改造前数据机房 PUE 值为 1.81，改造后 PUE 值下降至 1.61。根据统计数据结果分析，机房数据中心冷却所需能耗占机房总功耗的 40% 左右，而机房温度冷却主要由空调负责，降低空调能耗基本可以确保机房总能耗的降低。由此来看，此项目改造不仅降低了机房空调能耗，而且降低了机房 IT 设备能耗，从而大大降低了机房的总能耗，提升了机房的绿色等级。
结合上述案例中机房节能建设的相关成果，可总结得到机房节能建设和管理的相关经验如下：
1）数据中心节能建设能实现较好的经济效应。
案例中整体改造费用不超过 45 万元，节约电力成本长期可能达到百万元，经济效益明显；
2）数据中心节能建设技术成果具有推广价值。
案例中体现出数据机房设计的一些共性问题，提出的解决方案可复制可推广；
3）数据中心应在管理运行中加入模拟手段。
案例通过运用 CFD 模拟软件等智能化工具进行机房管理和维护，能直接分析现状问题和验证技术效果，成效明显；
4）数据中心应重视后续运维跟踪。
案例项目在改造结束后，通过持续跟踪机房后续节能效果，总结了相关效果经验。
综合上述案例经验，同时《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》的要义，本文总结了绿色数据中心节能建设的关键要点。
（1）项目前期方案设计和产品采购阶段
1）重视数据中心的绿色方案设计和指导评审工作
在国家推广数据中心建设强制标准《数据中心设计规范》（GB50174-2017）的基础上，引入绿色评价指标，加强对新建和改造数据中心在 IT 设备、机架布局、制冷和散热系统、供配电系统以及清洁能源利用系统等方面的绿色设计指导，并鼓励分中心结合自身工程实际情况创新绿色应用，多采用数值模拟技术进行热场仿真分析，验证设计冷量及机房流场特性。
2）倡导数据中心的绿色管理和产品采购
在保证施工质量和安全基本要求的同时，有条件地引导分中心积极采购能耗较低的绿色节能产品。加强施工过程中的绿色管理，严格执行《电器电子产品有害物质限制使用管理办法》和《电子电气产品中限用物质的限量要求》（GB/T 26572）等规范要求。将绿色考核指标逐步纳入年终考核评价依据中。
（2）项目中期实施和维护改造阶段
1）智能监测机房数据，推行绿色运行维护制度
在机房使用和改造过程中，倡导使用 CFD 软件对机房的气流组织和空调效率进行评估分析，改变以往人工监测和维护现状。逐步建立资源信息化管理系统，强化对电能使用效率值等绿色指标的设置和管理，并对能源资源消耗进行实时分析和智能化调控，力争实现机械制冷与自然冷源高效协同。
2）改造老旧机房，用绿色效能产品逐步替换老旧设备
在国家政策的大力支持下，科学制定老旧设备更新方案。淘汰高能耗设备，对老旧机房进行合理布局和产品更换。在满足可靠性要求的前提下，重点推广使用高效 IT 设备、高效制冷系统、高效供配电系统和高效辅助系统，运用能效环境集成监控系统辅助模块化设备，提高数据中心的能源利用率。
（3）项目后期科研和标准推广阶段
1）形成绿色管理标准规范，逐步推广全国分中心应用
绿色设备的推广和应用需要前期的资金投入和不断的经验积累。根据近几年分中心实施的绿色项目效果，不断总结和完善绿色管理规范，发挥标准体系对绿色数据中心建设的支撑作用，建立健全覆盖设计、建设、运维、测评和技术产品等方面的绿色节能数据中心标准体系，加强标准宣贯，直至推广至全国分中心应用；
2）加大科研支持，鼓励分中心进行绿色技术研发和产品创新
绿色工程实施道阻且长，需要长期的数据监测和产品技术研发。国家明确提出，加快创新成果转化应用和产业化发展，鼓励相关企事业单位、行业组织积极开展技术产品交流推广活动，鼓励有条件的企业、高校、科研院所针对绿色数据中心关键和共性技术产品建立实验室或者工程中心。国家中心要加大对分中心的科研支持，从政策和资金两个方面，鼓励分中心进行绿色科研创新，实现全国分中心数据机房建设的持续健康发展，提倡高效、清洁、集约、循环的绿色发展道路。
本文基于某数据中心节能改造实际案例，针对数据中心改造前实际问题进行针对性改造，采用CFD 模拟等方法对比改造前后室内环境和节能效果，最后文章总结了数据中心不同建设阶段的绿色节能开展方式和关键技术措施，为我国绿色数据中心的节能工作提供了参考案例和方法指导。
来源：国家互联网应急中心 倪晶 曹晓菲 姜宇航
中国建筑科学研究院建筑环境与能源研究院 乔镖
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