隨著數(shù)字經(jīng)濟向社會各領(lǐng)域的持續(xù)滲透，社會對數(shù)據(jù)資源的存儲、計算以及應用需求大幅提升，伴隨著國家“東數(shù)西算”工程的全面啟動，大數(shù)據(jù)和云計算等新一代信息產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段，數(shù)據(jù)中心建設也迎來了高速發(fā)展。持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心能源的使用效率，對建設數(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設備能耗。在數(shù)據(jù)中心正式運行初期，機柜負載率不高的情況下，空調(diào)系統(tǒng)能耗尤其突出，因此對暖通系統(tǒng)節(jié)能措施進行研究，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)中心安全可靠運行，對研究數(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，隨著云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(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)中心總耗電量達到1200-1300億千瓦時，這個數(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）。預計2025年高達3842.2億千瓦時。

　　如果從一個單一產(chǎn)業(yè)的角度看，這是非常可怕的能耗。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)化為整個數(shù)字經(jīng)濟的基礎，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，實際上有著令人難以置信的浪費。數(shù)據(jù)中心的耗電量僅有6%~12%是被用于網(wǎng)站計算，其余均在維持服務器工作狀態(tài)時被無謂消耗。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，“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到實際所需要的2倍。此外，由于可再生能源的利用率低下，數(shù)據(jù)中心運轉(zhuǎn)只能不斷加大使用原始驅(qū)動力——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)中心建設內(nèi)容不僅包括傳統(tǒng)的土建工程，還涉及計算機設備制造、通信設備制造、各類計算軟件以及綠色能源供給等多種不同類別的建設內(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)標準和節(jié)能要求。

　　數(shù)據(jù)中心按照運行環(huán)境和功能需求通常可分為主機房、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、相對濕度、露點溫度和空氣潔凈度。主機房、支持區(qū)（如制冷站、設備用房、電池室、配電室）、輔助區(qū)（消控室、指揮中心、管道井）等為維持設備的正常工作，須進行精確的溫濕度控制，同時為了保持主機房內(nèi)空氣潔凈度在一定范圍內(nèi)，主機房應維持正壓。而管理區(qū)則只需要滿足人的舒適性需求，因此必須對不同的環(huán)境區(qū)域進行合理的暖通空調(diào)系統(tǒng)設計。

　　目前，評價數(shù)據(jù)中心能效的權(quán)威指標是電能利用效率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)于嚴格能效約束推動重點領(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普遍不超過1.5。為了盡可能降低PUE值，需要對暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗進行分析，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)中心項目建設的全生命周期來看，影響暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗的因素主要有以下五個方面。

　　01、需求及建設目標　

　　在數(shù)據(jù)中心項目建設的決策階段，用戶的總體投資規(guī)模及PUE目標確定了數(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)的設計、選型　

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

　　03、不同能效等級的暖通設備　　

　　暖通設備能耗包括制冷機組、冷卻塔、水泵等設備運行產(chǎn)生的能耗。不同能效等級的設備能耗差異較大，一般選擇能效等級較低的設備。

　　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)隔離端口或機柜盲板不完善，導致封閉冷通道或熱通道與外界空氣環(huán)境之間進行熱交換，造成暖通系統(tǒng)能耗損失等。

　　05、高效運維管理，降低能耗　　

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

　　暖通空調(diào)系統(tǒng)設備運行受室外氣象條件、室內(nèi)設計參數(shù)、圍護結(jié)構(gòu)特點以及運行管理等因素的影響很大，因此在數(shù)據(jù)中心項目建設決策階段應明確節(jié)能目標，并在項目實施階段進行科學的暖通系統(tǒng)設計，優(yōu)化冷源系統(tǒng)、水系統(tǒng)、風系統(tǒng)設計，充分了解數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)設備性能，選取先進的設備材料，減少系統(tǒng)綜合管理誤差，提高運維管理水平等，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。如果在這個基礎上，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　

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

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

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

　　1.合理選擇冷源設備　　

　　數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)是暖通系統(tǒng)的心臟，冷源設備的能耗在暖通系統(tǒng)能耗中占比也最大，需根據(jù)項目所在地的氣候條件、項目規(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)選擇時應盡可能加強對天然能源的有效運用，如自然冷卻和風能等；推進新技術(shù)的應用，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。

　　制冷機房在地下一層，考慮到數(shù)據(jù)中心總負荷及土建前期預留條件，當期冷源系統(tǒng)配置3臺1934kW 低壓變頻水冷離心機組，兩用一備。設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，降低制冷機組和水泵的運行能耗。

　　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，減少整個水系統(tǒng)的水壓降，降低水泵的揚程，進而減少水泵的運行功率。同時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泵變流量、雙立管環(huán)形系統(tǒng)，雙管路同時使用，檢修或故障時可切斷一路，另一路獨立運行，保證數(shù)據(jù)中心運行安全。

　　3.余熱回收　　

　　將數(shù)據(jù)中心服務器運行產(chǎn)生的大量余熱進行收集，如果條件允許，可利用回收的余熱通過熱泵機組升溫作為對建筑物供暖的補充，實現(xiàn)清潔采暖，減少中央空調(diào)系統(tǒng)對室外的碳排放及能源消耗。

　　4.余熱回收提高送回風溫度　　

　　封閉冷通道后，空調(diào)回風溫度可提高至30～32℃（傳統(tǒng)機房回風溫度28℃)，減少空調(diào)系統(tǒng)運行能耗。當空調(diào)系統(tǒng)的送風和回風溫度提高1℃時，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)雖然能降低運行費用，但不節(jié)電，只是利用了電價峰谷政策，錯峰進行耗能制冷。但是每多一次熱交換都會產(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)的運行應與IT負載有效匹配，既要保證IT系統(tǒng)能夠正常持續(xù)穩(wěn)定運行，又要確定不會產(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)在建設和運行過程中有很多節(jié)能降耗的潛力，通過科學手段進行深入分析，合理優(yōu)化設計，加強技術(shù)成果轉(zhuǎn)化與應用，實現(xiàn)智慧化的運維管理，可有效實現(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，助力碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。