高可靠性綠色數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)研究

吳曉暉 趙春曉 張麗娟 陳玥

中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 研究背景

近年來，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能等新興信息技術(shù)的發(fā)展。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈爆發(fā)式增長。由于其高能耗的特點(diǎn)，占全社會(huì)能耗的比例也將急劇增加，預(yù)計(jì)將對(duì)現(xiàn)在和未來的信息技術(shù)產(chǎn)生重大影響。數(shù)據(jù)中心的能源消耗為一般建筑的100倍以上，主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、通信等IT設(shè)備。在2011年，數(shù)據(jù)中心單位面積的平均能耗為872kW/m2，從2006至2011年數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的能耗在美國和全球翻了一番。此外，數(shù)據(jù)中心的平均功率密度目前約為每機(jī)架6kW。伴隨著高功率密度服務(wù)器的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2025年，數(shù)據(jù)中心的平均功率密度將達(dá)到每機(jī)架50kW[5]。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心行業(yè)的電量消耗已占世界總用電消耗的2%左右[2]。數(shù)據(jù)中心的總能耗中，大約52%的電力被IT設(shè)備消耗，38%由制冷設(shè)備消耗，其余的10%被配電設(shè)備、UPS、變壓器等設(shè)備消耗。由圖1可以看出能耗最大的是數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT設(shè)備，其次是制冷系統(tǒng)，占數(shù)據(jù)中心總能耗的38%。

除能耗較大外，數(shù)據(jù)中心還有對(duì)安全、可靠性要求較高的特點(diǎn)。尤其是與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的數(shù)據(jù)中心，如銀行、電力、互聯(lián)網(wǎng)購物網(wǎng)站等，其對(duì)系統(tǒng)的可用性要求較高，以保證其系統(tǒng)的連續(xù)性。

1 數(shù)據(jù)中心占用能耗分析

2 數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)以上特點(diǎn)，我們認(rèn)為數(shù)據(jù)中心將向可靠、高效、綠色、智能方向發(fā)展?？煽渴侵羔槍?duì)不同用戶，建設(shè)出不同可用性的數(shù)據(jù)中心；高效是指能夠使資源被合理規(guī)劃、有效利用，建設(shè)部署得更加快速、便捷；綠色是指使用綠色節(jié)能技術(shù)有效降低數(shù)據(jù)中心PUE值，并在全生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境友好；智能是指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)中心的智能化、自動(dòng)化、無人化管理。下面就從這幾個(gè)方面詳細(xì)分析數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)（圖2）。

2 可靠

不管是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還是國外標(biāo)準(zhǔn)，都對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了級(jí)別的劃分。國內(nèi)的《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）[4]，根據(jù)使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失、網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟(jì)或社會(huì)上造成的損失或影響程度，將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C三級(jí)。國外的數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)主要有美國Uptime Institute Tier Standard：Topology和美國通信工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers（TIA—942—A—2017）[5]。其中以Uptime Institute Tier Standard：Topology[6]標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最為廣泛。在其標(biāo)準(zhǔn)中將數(shù)據(jù)中心分為Tier Ⅰ、Tier Ⅱ、Tier Ⅲ、Tier Ⅳ四個(gè)級(jí)別。

（1）Tier I（基礎(chǔ)級(jí)）：

Tier I等級(jí)的數(shù)據(jù)中心沒有冗余容量組件，且只有一個(gè)單一的非冗余分配路徑來為關(guān)鍵環(huán)境提供服務(wù)。Tier I 基礎(chǔ)設(shè)施包括：一個(gè)IT系統(tǒng)的專用空間；一套不間斷電源系統(tǒng)（UPS）用來濾除輸入功率尖峰、電壓驟降和瞬間電力中斷的影響；專用供冷設(shè)備；避免IT功能受長期斷電影響的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)（如引擎式發(fā)電機(jī)、燃料電池），用于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電（如引擎式發(fā)電機(jī)、燃料電池）的12h現(xiàn)場(chǎng)燃料儲(chǔ)存。該級(jí)別數(shù)據(jù)中心的可用性為99.671%，也就是說每年至少有29h的中斷或維護(hù)時(shí)間。

（2）Tier II（具關(guān)鍵冗余部件級(jí)）：

Tier II 等級(jí)的數(shù)據(jù)中心擁有冗余容量組件以及單一的非冗余分配路徑來為關(guān)鍵環(huán)境提供服務(wù)。冗余組件是指額外的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)（如引擎式發(fā)電機(jī)、燃料電池）、不間斷電源（UPS）模塊和能量儲(chǔ)存、冷水機(jī)組、排熱設(shè)備、泵、冷卻裝置和燃料儲(chǔ)存罐，支持“N”容量的12h現(xiàn)場(chǎng)燃料儲(chǔ)存。Tier II等級(jí)的數(shù)據(jù)中心的可用性為99.741%，每年中斷時(shí)間低于22h。

（3）Tier III（可并行維護(hù)級(jí)）：

一個(gè)可同時(shí)維護(hù)的數(shù)據(jù)中心擁有冗余容量組件，及多個(gè)獨(dú)立分配路徑來為關(guān)鍵系統(tǒng)提供服務(wù)。對(duì)于電力中樞和機(jī)械分配路徑，只需要一條分配路徑來隨時(shí)為關(guān)鍵環(huán)境服務(wù)。電力中樞是指從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)（如引擎式發(fā)電機(jī)、燃料電池）的輸出到IT不間斷電源（UPS）的輸入的電力分配路徑以及為關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備服務(wù)的電力分配路徑。機(jī)械分配路徑是指將熱量從關(guān)鍵空間移除到室外環(huán)境的分配路徑，如冷凍水管路、冷卻水管路、制冷劑管路等。所有IT設(shè)備都具有雙電源且正確安裝，與現(xiàn)場(chǎng)架構(gòu)的拓?fù)湎嗥ヅ?。如不滿足該要求則需使用轉(zhuǎn)換裝置如小型機(jī)架式轉(zhuǎn)換開關(guān)，支持“N”容量的12h現(xiàn)場(chǎng)燃料儲(chǔ)存。

Tier III級(jí)數(shù)據(jù)中心的冗余功能也不再局限于電氣系統(tǒng)。通信、空調(diào)系統(tǒng)都具備冗余的組件，并且該級(jí)別數(shù)據(jù)中心對(duì)訪問的控制也非常嚴(yán)格，在人為因素上降低了故障的可能性。Tier III級(jí)數(shù)據(jù)中心較之Tier II級(jí)數(shù)據(jù)中心的可用性大幅增加，達(dá)到了99.982%，每年中斷時(shí)間低于105min。

（4）Tier Ⅳ（容錯(cuò)級(jí)）：

一個(gè)容錯(cuò)的數(shù)據(jù)中心同時(shí)具有多個(gè)獨(dú)立的、物理隔離的系統(tǒng)來提供冗余容量組件以及多個(gè)獨(dú)立的、多種不同的、主用的分配路徑同時(shí)為關(guān)鍵環(huán)境服務(wù)。冗余容量組件和多種不同分配路徑的配置應(yīng)使“N”容量在任何基礎(chǔ)設(shè)施故障后能繼續(xù)為關(guān)鍵環(huán)境提供電力和冷卻。所有 IT 設(shè)備都具有雙電源，裝置內(nèi)部帶有容錯(cuò)電力設(shè)計(jì)。如不滿足該要求則需使用轉(zhuǎn)換裝置如小型機(jī)架式轉(zhuǎn)換開關(guān)?；閭浞莸南到y(tǒng)和分配路徑必須相互之間進(jìn)行物理隔離（分隔），以防止任意單一事件同時(shí)對(duì)兩套系統(tǒng)或兩路分配路徑造成影響。系統(tǒng)要求連續(xù)供冷，依據(jù)《數(shù)據(jù)處理環(huán)境傳熱指南》（第三版）為所有關(guān)鍵空間提供一個(gè)滿足IT設(shè)備ASHRAE最大溫度變化范圍的穩(wěn)定環(huán)境工況。另外，連續(xù)供冷的持續(xù)時(shí)間應(yīng)該能保證持續(xù)供冷至機(jī)械系統(tǒng)恢復(fù)在極端環(huán)境條件下運(yùn)行所提供的額定制冷量。支持“N”容量的12h現(xiàn)場(chǎng)燃料儲(chǔ)存。

Tier IV級(jí)數(shù)據(jù)中心的可用性需達(dá)到99.995%，甚至更高，服務(wù)中斷只有在計(jì)劃中的預(yù)防性演習(xí)或者非計(jì)劃的災(zāi)難應(yīng)急停電的情況下才會(huì)發(fā)生，每年的中斷時(shí)間不超過10min。

可以看出，不管是國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還是國外標(biāo)準(zhǔn)，都進(jìn)行了分級(jí)。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)是針對(duì)數(shù)據(jù)中心的重要性進(jìn)行分級(jí)，而Uptime Institute是針對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)不同級(jí)別的數(shù)據(jù)中心提出要求。這就為我們進(jìn)行數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，所謂數(shù)據(jù)中心的可靠性，可用性，筆者認(rèn)為不是越高越好。在規(guī)劃設(shè)計(jì)之初，應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)中心的用途進(jìn)行合理分級(jí)、分類。根據(jù)實(shí)際需要確定級(jí)別，級(jí)別定的太高，會(huì)大大增加數(shù)據(jù)中心的造價(jià)；級(jí)別定的太低則不能滿足數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的要求。

例如金融行業(yè)的數(shù)據(jù)中心，其重要性不言而喻。短時(shí)間的中斷將會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，所以銀行業(yè)的數(shù)據(jù)中心一般設(shè)定為A級(jí)，并參照Uptime Institute Tier Ⅲ或Tier Ⅳ級(jí)別設(shè)計(jì)。再如超級(jí)計(jì)算中心，該類數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)為單機(jī)柜的密度較高，一般大于10kW，甚至幾十kW。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重關(guān)注其制冷系統(tǒng)。同時(shí)該類數(shù)據(jù)中心一般用于科研機(jī)構(gòu)，對(duì)可靠性的要求并不高，故該類數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)一般定義于B級(jí)。

因此在數(shù)據(jù)中心初步規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理設(shè)定其級(jí)別，從而避免數(shù)據(jù)中心在后期運(yùn)行時(shí)造成不可估量的損失。

3 高效

在數(shù)據(jù)中心中，機(jī)柜為最核心的資源，尤其是對(duì)于對(duì)外經(jīng)營的IDC企業(yè)，多布置一臺(tái)機(jī)柜意味著多一份收益。在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該充分利用有限的空間，使布置機(jī)柜的數(shù)量最大化。在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)階段，應(yīng)做到快速建設(shè)，后期機(jī)柜的上架做到有彈性，方便擴(kuò)容，即為最大的高效。

3.1 機(jī)房模塊空間的確定

3 數(shù)據(jù)中心各層次的標(biāo)準(zhǔn)化

4 典型數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)層布置圖

5 單體數(shù)據(jù)中心建筑的標(biāo)準(zhǔn)化布局圖

大型的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)一般采用有管網(wǎng)的氣體滅火系統(tǒng)，水冷數(shù)據(jù)中心的層高不宜小于5.4m，故根據(jù)規(guī)范的要求，采用氣體滅火的數(shù)據(jù)中心單個(gè)主機(jī)房的合理面積為主機(jī)房+附屬空調(diào)間的面積不應(yīng)大于667m2（不含梁柱所占空間），所以可以確定一個(gè)主機(jī)房（含空調(diào)間）模塊宜在600～700m2之間。

3.2 機(jī)柜的布置

主機(jī)房內(nèi)部的柱網(wǎng)布置原則要考慮機(jī)柜的尺寸、通道尺寸等主要因素，機(jī)房內(nèi)部建筑裝飾材料多為裝配式材料，如抗靜電活動(dòng)地板、金屬墻板和金屬頂板，標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)通常為600mm（金屬頂板也有100、300mm等，也符合600mm的模數(shù)）。為了機(jī)房布局的美觀性，同時(shí)也減少材料的切割保證材料品質(zhì)，建議機(jī)柜布局也最好符合600mm的模數(shù)，或者按照每兩排面對(duì)面或背靠背的機(jī)柜組成一個(gè)單元，3 600mm（機(jī)柜單元寬度）×（L＜15m機(jī)柜單元長度）mm的模數(shù)；并且使房間內(nèi)的柱子能夠卡在機(jī)柜中間，這樣可以有效利用空間。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化是指在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)和管理等社會(huì)實(shí)踐中，對(duì)重復(fù)性的事物和概念，通過制訂、發(fā)布和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到統(tǒng)一，以獲得最佳秩序和社會(huì)效益。對(duì)于數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)建設(shè)也是如此，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和建設(shè)能夠降低建設(shè)成本，提高建設(shè)效率，并且通過相互獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步促進(jìn)數(shù)據(jù)中心的可靠性。從數(shù)據(jù)中心的發(fā)展進(jìn)程來看，我們知道，數(shù)據(jù)中心的核心是機(jī)柜，一般標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的尺寸為600mm×1 200mm×2 000mm（寬×深×高），故數(shù)據(jù)中心的各種設(shè)備和材料都是以此為基礎(chǔ)。從目前的數(shù)據(jù)中心來看，從地板、吊頂、燈具到主要的設(shè)備、UPS、精密空調(diào)、配電柜，包括現(xiàn)在業(yè)界比較流行的微模塊機(jī)房，都是朝著以600mm為模數(shù)的方向發(fā)展。因此，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展歷程也是不斷標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的歷程。

從微觀到宏觀，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)建設(shè)的趨勢(shì)貫穿數(shù)據(jù)中心的整個(gè)過程。下面舉例說明樓層布局和單棟建筑布局的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)（圖3）。

（1）樓層的標(biāo)準(zhǔn)化布局：

如圖4所示為典型的數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)層，為了保證核心區(qū)域機(jī)房的安全性，將其設(shè)置在本樓層的核心區(qū)域，數(shù)據(jù)中心配電模塊和走廊設(shè)置在樓層周圍區(qū)域。本樓層數(shù)據(jù)中心分四個(gè)機(jī)房模塊，每一個(gè)模塊包括機(jī)房模塊和配電模塊。機(jī)房模塊內(nèi)含制冷系統(tǒng)，配電模塊內(nèi)含變壓器、UPS、電池等系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)據(jù)中心為B級(jí)時(shí)，A、B、C、D四個(gè)模塊之間彼此獨(dú)立，可以互相替代。因?yàn)槟K之間互相獨(dú)立，一個(gè)模塊發(fā)生故障不會(huì)影響另一個(gè)模塊，可以提高系統(tǒng)的安全性。當(dāng)數(shù)據(jù)中心設(shè)定為A級(jí)時(shí)，A、B兩個(gè)模塊可以組合為一個(gè)模塊。配電模塊一為兩個(gè)機(jī)房的A路電，配電模塊二為兩個(gè)機(jī)房的B路電，組成2N的供電架構(gòu)，滿足A級(jí)數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)要求。

（2）單體數(shù)據(jù)中心建筑的標(biāo)準(zhǔn)化布局：

如圖5所示為典型的單體數(shù)據(jù)中心建筑的標(biāo)準(zhǔn)化布局圖，將數(shù)據(jù)中心的主要支持區(qū)域（變電所、冷凍站、柴油發(fā)電機(jī)房等）放置在最底層，因?yàn)檫@些設(shè)備需要比較大的樓面載荷。上面各層為放置機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)層，放置主機(jī)房和為本層機(jī)房服務(wù)的電力電池室。如前文所述標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置，該種布置方式保證了樓層設(shè)計(jì)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化。

綜上，從樓層到機(jī)房的模塊化設(shè)計(jì)，一方面能夠提高數(shù)據(jù)中心的安全性、可靠性，另一方面能夠使數(shù)據(jù)中心的建設(shè)在建筑層面復(fù)制，前期階段可提高設(shè)計(jì)效率，后期建設(shè)方面也能夠大大提高建設(shè)速率。此外，因每個(gè)模塊的配置統(tǒng)一，使得選用的大部分主要設(shè)備型號(hào)統(tǒng)一，相互之間可以替代，能夠節(jié)省建設(shè)的初投資費(fèi)用，后續(xù)運(yùn)行階段也能夠使維護(hù)較為簡便，有效節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

胖嬸看得點(diǎn)頭，秀才們也拊掌叫好，吳耕、李離、上官星雨都緊張得站起身不說話，他們的帶頭小哥哥果然有兩下子，力敵賊酋，不只是降貓伏狗的三腳貓把式。如此良夜，山中逆旅，酒酣耳熱之余，論刀論劍，由塞外的龍門客棧到山西的靈石旅舍，金香玉、紅拂女們，都是這么一個(gè)玩法。

4 綠色

數(shù)據(jù)中心由于存在高發(fā)熱元件散熱瓶頸、資源利用率低和能源效率低“三大難題”，就像一個(gè)個(gè)不冒煙的鋼廠，是名副其實(shí)的“能耗巨獸”。所以其綠色節(jié)能亦非常重要，從國家層面到地方都對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗進(jìn)行了引導(dǎo)和限制。

2018年，北京市發(fā)布新增產(chǎn)業(yè)的禁止和限制目錄（2018年版），城六區(qū)禁止建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)中心，其他區(qū)域建設(shè)數(shù)據(jù)中心PUE應(yīng)＜1.4。2018年上海市發(fā)布《上海市推進(jìn)新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)助力提升城市能級(jí)和核心競爭力三年行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020年）》中要求，存量改造數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.4，新建數(shù)據(jù)中心PUE限制在1.3以下。2019年深圳市發(fā)布《深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于數(shù)據(jù)中心節(jié)能審查有關(guān)事項(xiàng)的通知》，提出強(qiáng)化技術(shù)引導(dǎo)，跟進(jìn)PUE的高低，新增能源消費(fèi)量給予不同程度的支持，PUE1.4以上的數(shù)據(jù)中心不享有支持，PUE低于1.25的數(shù)據(jù)中心可享受新增能源消費(fèi)量40%以上的支持。2019年，《三部門關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》工信部聯(lián)節(jié)〔2019〕24號(hào)文提出目標(biāo)：建立健全綠色數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系和能源資源監(jiān)管體系，打造一批綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)典型，形成一批具有創(chuàng)新性的綠色技術(shù)產(chǎn)品、解決方案，培育一批專業(yè)第三方綠色服務(wù)機(jī)構(gòu)。到2022年，數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率值達(dá)到1.4以下，高能耗老舊設(shè)備基本淘汰，水資源利用效率和清潔能源應(yīng)用比例大幅提升，廢舊電器電子產(chǎn)品得到有效回收利用。綜上，可以看到不管是國家層面還是數(shù)據(jù)中心比較集中的北京、上海和深圳等地區(qū)，都對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗做出了要求。

數(shù)據(jù)中心的主要耗能為IT設(shè)備、配電系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)。一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心，能耗主要由四大塊組成：第一大塊，是占數(shù)據(jù)中心總能耗約50%以上的IT設(shè)備系統(tǒng)，包括服務(wù)器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等；第二大塊，是占數(shù)據(jù)中心總能耗約38%的空調(diào)系統(tǒng)，其中，空調(diào)制冷系統(tǒng)約占總功耗的25%，空調(diào)送、回風(fēng)系統(tǒng)約占總功耗的13%；第三大塊，是占數(shù)據(jù)中心總能耗約10%的UPS供配電系統(tǒng)，其中UPS供電系統(tǒng)約占總功耗的5%，UPS 輸入供電系統(tǒng)約占總功耗的1%；第四大塊，數(shù)據(jù)中心總功耗剩余的1%屬于輔助照明系統(tǒng)。

由以上分析可以看出，數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備為最大的能源消耗，但該部分能源消耗取決于各種IT設(shè)備，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等本身的功耗，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行起來功率是恒定的，我們無法改變，節(jié)能潛力不大。數(shù)據(jù)中心內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的37%以上，該部分為數(shù)據(jù)中心節(jié)能的最大潛力部分。

供電系統(tǒng)的能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的10%，最大能耗來自于變壓器、UPS等供配電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，其次是照明。因此要進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在這兩部分做出努力。

4.1 制冷系統(tǒng)節(jié)能

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)究其原理，其散熱可以分解為兩部分。一部分為室內(nèi)部分，通過風(fēng)、水或制冷劑吸收室內(nèi)的熱量。另一部分為室外部分，冷源部分負(fù)責(zé)將室內(nèi)吸收的熱量傳至室外（圖6）。

根據(jù)以上原理，可以為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)指明方向。由原理圖可以看出，室內(nèi)部分發(fā)熱的根源為芯片，傳統(tǒng)的散熱方式為芯片的熱量通過熱管傳遞至服務(wù)器，服務(wù)器通過風(fēng)扇將熱量傳遞至機(jī)柜或房間內(nèi)，最后再由房間級(jí)空調(diào)、背板空調(diào)或行級(jí)空調(diào)帶出室外。從發(fā)熱根源到排至室外，要經(jīng)過多次熱交換，每一次熱量交換都會(huì)造成能量的損失。所以要提高室內(nèi)部分的換熱效率，究其根本是要消除中間環(huán)節(jié)。目前業(yè)界比較熱門的液冷就是將散熱直接做到芯片級(jí)，以此大大提高系統(tǒng)的換熱效率（圖7）。

對(duì)于室外部分，主要是冷源。目前的冷源主要有機(jī)械冷源和自然冷源兩種形式。機(jī)械冷源以消耗一定的能量為基礎(chǔ)，而由于數(shù)據(jù)中心需要常年制冷的特性，為其提供了利用自然冷源的可能性。要提高室外部分的節(jié)能效率，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況，最大限度地利用自然冷源，目前也出現(xiàn)了多種采用自然冷源的形式，如冷卻塔供冷、氟泵空調(diào)、蒸發(fā)冷卻、江水/湖水制冷等方式。

室內(nèi)部分和室外部分也不是相互隔離的，如在室內(nèi)部分消除了中間環(huán)節(jié)，減少了能量損失，就可以提高水冷系統(tǒng)中冷水的溫度，為室外部分自然冷源的利用提供便利條件，將來甚至采用自來水就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心的冷卻。再比如直接蒸發(fā)冷卻的制冷方式，是將數(shù)據(jù)中心一次冷卻和二次冷卻結(jié)合在一起的制冷方式，在我國西部較為干燥的地區(qū)較為適宜。如圖8所示，室外的空氣經(jīng)過處理后和室內(nèi)的排風(fēng)進(jìn)行混合，直接送至機(jī)房內(nèi)進(jìn)行制冷，因其沒有壓縮機(jī)等機(jī)械制冷設(shè)備，能夠大大降低能耗。

4.2 供電系統(tǒng)節(jié)能

6 數(shù)據(jù)中心冷卻過程原理

7 液冷服務(wù)器

8 直接蒸發(fā)冷卻原理圖

9 高壓直流配電系統(tǒng)和傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)對(duì)比圖

如前所述，供電系統(tǒng)主要在兩個(gè)方面進(jìn)行節(jié)能。一是減少變壓器、UPS等電力轉(zhuǎn)換部件的損耗，提高其轉(zhuǎn)換效率。在供電架構(gòu)上，積極探索新型的供電模式，如高壓直流技術(shù)、市電直供技術(shù)等。傳統(tǒng)的供電架構(gòu)為市電（交流電）經(jīng)UPS整流，再供給數(shù)據(jù)中心機(jī)柜的PDU內(nèi)。在IT設(shè)備內(nèi)部又通過整流模塊，再將220V或380V的交流電轉(zhuǎn)化為IT設(shè)備需要的直流電。高壓直流供電技術(shù)也逐漸成熟，并在行業(yè)內(nèi)有所應(yīng)用。從供電效率上講直流供電相比較UPS供電，少了逆變器和輸出隔離變壓器兩個(gè)環(huán)節(jié)，工作效率至少提高10%；由于直流供電系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)，單個(gè)模塊可隨時(shí)投入或退出運(yùn)行，實(shí)際負(fù)載率可控制在高效運(yùn)行區(qū)域，效率進(jìn)一步得到提升；而實(shí)際測(cè)試顯示UPS負(fù)載率35%時(shí)，效率為65%左右，負(fù)載率低于此數(shù)時(shí)效率更低，目前多數(shù)UPS實(shí)際負(fù)載率均低于此值；采用直流供電設(shè)備工作效率約在90%～95%，比UPS供電節(jié)約電能至少25%，可以有效節(jié)能（圖9）。

4.3 照明系統(tǒng)節(jié)能

在數(shù)據(jù)中心中，照明能耗也占整體能耗的1%左右，也有不小的節(jié)能潛力。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房中幾乎沒有外來人員，平時(shí)只有工作人員在機(jī)房內(nèi)巡視工作，而且人員相對(duì)較少，沒有人員的時(shí)候機(jī)房內(nèi)的照明燈具可以完全關(guān)閉。我們可以根據(jù)數(shù)據(jù)中心的場(chǎng)景對(duì)照明進(jìn)行智能控制設(shè)計(jì)，如按照30%（節(jié)能）、50%（巡檢）、100%（正常）三種模式開啟，具體可根據(jù)業(yè)主的工作流程和項(xiàng)目的投資規(guī)模進(jìn)行修正。

工作人員在公共走道停留的時(shí)間也較短，所以公共走道的照明完全沒有必要處于常亮狀態(tài)?？稍O(shè)置智能控制、自動(dòng)感應(yīng)，有人出現(xiàn)時(shí)燈具自動(dòng)點(diǎn)亮，當(dāng)人離開時(shí)燈具能夠自動(dòng)延時(shí)熄滅，達(dá)到節(jié)約能源的目的。同時(shí)當(dāng)發(fā)生火災(zāi)情況時(shí)，能夠自動(dòng)點(diǎn)亮應(yīng)急照明燈具，使人員及時(shí)疏散。

5 智能

降低運(yùn)營管理成本是數(shù)據(jù)中心管理永恒的話題，智能化是數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)之一，將人從數(shù)據(jù)中心繁瑣的各類維護(hù)工作中解脫出來，使得有更多的時(shí)間去思考如何把數(shù)據(jù)中心技術(shù)和企業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用更好結(jié)合起來。智能化還可大大降低數(shù)據(jù)中心的人力成本，同時(shí)減少人為故障，提升數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行可靠性，要知道數(shù)據(jù)中心發(fā)生的故障中大多數(shù)是人為故障，減少人的參與反而會(huì)提升數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的可靠性。

云計(jì)算技術(shù)的普及，也給數(shù)據(jù)中心帶來了更多智能化，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、智能管理，提供大平臺(tái)滿足大容量監(jiān)測(cè)的需求，并提供大數(shù)據(jù)分析能力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理和維護(hù)，可以說智能化給數(shù)據(jù)中心帶來了翻天覆地的變化。

在建設(shè)數(shù)據(jù)中心時(shí)，隨著業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，管理的任務(wù)必定會(huì)日益繁重。所以在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中，必須建立一套全面、完善的管理和監(jiān)控系統(tǒng)。所選用的設(shè)備應(yīng)具有智能化、可管理的功能，同時(shí)采用先進(jìn)的管理監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的集中管理監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)整個(gè)中心機(jī)房的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)燈光、語音報(bào)警，實(shí)時(shí)事件記錄，這樣可以迅速確定故障，提高運(yùn)行性能的可靠性，簡化數(shù)據(jù)中心管理人員的維護(hù)工作，從而為數(shù)據(jù)中心安全、可靠的運(yùn)行提供最有力的保障。

數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)與施工的優(yōu)劣，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各種設(shè)備是否能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，是否能夠保證各類信息通暢無阻。數(shù)據(jù)中心既要保障機(jī)房設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，延長計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用壽命，又能為系統(tǒng)管理員創(chuàng)造一個(gè)舒適的環(huán)境。能夠滿足系統(tǒng)管理員對(duì)溫度、濕度、潔凈度、安全防護(hù)、電源配電和防雷接地的要求，所以一個(gè)現(xiàn)代化的機(jī)房是一個(gè)高度可靠性、舒適實(shí)用、節(jié)能高效和具有可擴(kuò)展性的機(jī)房。

此外，對(duì)于智能化數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，一方面，數(shù)據(jù)中心如何基于海量數(shù)據(jù)，利用人工智能的技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營；另一方面，數(shù)據(jù)中心會(huì)越來越多地去承載大數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)、人工智能訓(xùn)練的場(chǎng)景以及人工智能應(yīng)用的場(chǎng)景，使得自身去適應(yīng)新的智能化業(yè)務(wù)的需求[8]。

6 結(jié)語

本文從數(shù)據(jù)中心發(fā)展的特點(diǎn)出發(fā)，解讀數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展將呈現(xiàn)出可靠、高效、綠色、智能的趨勢(shì)，以期對(duì)大量數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營管理提供借鑒。

圖片來源：圖1，7，8 來源于文獻(xiàn)[3]，其余為作者自繪。