寻找存量数据中心变“绿”的最优解

本文转自：中国政府采购报

寻找存量数据中心变“绿”的最优解

主持人：

《中国政府采购报》记者 丁境炫

嘉宾：

中国电子学会节能减排工作推进委员会副秘书长、正高级工程师 郭 丰

中国计量科学研究院先进测量工程中心主任 武 彤

英特尔公司市场营销集团副总裁、中国区云与行业解决方案部总经理 梁雅莉

6月1日，财政部、生态环境部、工业和信息化部印发的《绿色数据中心政府采购需求标准（试行）》（以下简称《需求标准》）正式施行。《需求标准》从政府采购需求端推动我国数据中心绿色化转型，其中提出，2023年6月起数据中心电能比不高于1.4，2025年起数据中心电能比不高于1.3。

其实，上述《需求标准》是我国绘制绿色数据中心宏图的其中一块拼图，近年来，尤其是“双碳”目标公布后，我国从中央到地方密集出台数据中心节能降碳政策，在严格把关新建数据中心能效的同时，推进存量数据中心节能降碳改造。当前，我国推进存量数据中心节能降碳改造的必要因素有哪些？存量数据中心改造又应从哪些方面入手？《中国政府采购报》邀请了学界专家、业内人士，畅谈数据中心节能降碳改造的技术与方案。

主持人：在我国出台的有关绿色数据中心的政策中，存量数据中心节能降碳改造被频频提及。为什么要对存量数据中心做节能降碳改造？

郭丰：随着我国数据中心建设经验的不断积累，以及节能工作的不断开展，我国在数据中心建设方面的设计和技术水平都有了长足的进步，目前新建数据中心已达到较优的能效水平。既有数据中心相比新建数据中心能效水平存在差距，在条件允许前提下，有必要对既有的数据中心开展节能降碳技术改造工作。

武彤：从落实“双碳”目标的角度来说，我国也有充分的必要性对存量数据中心做节能降碳改造。数据中心是算力的重要支撑，其主要依靠电力驱动，已成为我国主要的碳排放源之一。根据2022年工信部的统计数据，国内的在运行机架数量已超过650万架，上架率约为55%，2022年度的数据中心总耗电超过1000亿度。结合机架的使用率现状，存量数据中心的电能消耗占社会用电的比例依然很高。因此，存量数据中心的碳排放不容忽视，对其进行节能降碳改造意义重大。

梁雅莉: 是的，相比于新型数据中心，存量数据中心在设计、建造及运维过程中采用的都是相对陈旧的理念和技术。随着时间的推移，当前数据中心的“绿色技术”已经有了长足的发展，这些新的理念和技术完全可以应用在存量数据中心，推动节能减排效益的提高。

主持人：怎样的数据中心称得上是一个绿色数据中心？当前我国需要改造的数据中心有多少？

武彤：绿色数据中心的评价体系涵盖规划设计、运行维护、设备淘汰等各个阶段的评价指标。其中，能源资源利用效率是绿色数据中心的一项关键指标，涵盖了电能利用效率、负载率、可再生能源利用率以及水资源使用效率等多项权重，这一指标越优，表示数据中心的能源资源利用效率越高、数据中心越节能。按照现有的国家和地方数据中心政策的要求，我国很大一部分的数据中心能效水平无法满足监管的要求，尤其是在南方以湿热气候为主的地区。我国存量数据中心无论是在运维“软实力”方面，还是在基础设施“硬基础”方面，需要改造的数量保守估计占到总量的一半以上。

郭丰：我补充一点，虽然我国一些地区根据PUE（电能利用效率）的数值高低明确划出了对存量数据中心进行关停或改造的红线，但绿色数据中心并不仅仅是PUE的概念，它包含对资源利用最大化、对环境影响最小化等多方面的考虑。而且，随着技术的进步和时代的发展，绿色的内涵和要求也在不断完善、增加、提高，可能过去大家认为一个很优秀的数据中心，在现在看来就是一个相对落后的数据中心。所以说，绿色发展永远在路上。

主持人：对存量数据中心进行节能降碳改造应该从哪些方面入手？

郭丰：大致来说，现有的数据中心中信息设备能耗占比最大，一般占整个数据中心能耗的60%以上。其次是制冷设备，约占能耗30%左右。剩下的能耗是供配电设备和辅助系统产生的。但不同数据中心架构有所不同，对存量数据中心进行节能降碳改造，首先应该“悬脉问诊”，诊断一下数据中心的能耗到底是在哪些环节产生、由什么因素产生的，可以选择什么方式去改造——这也是工信部节能司目前正在推行的节能诊断的手段。根据节能诊断的结果，再考虑到不同方案的可操作性、投资需求、改造效果，最终确定具体改造方案。

梁雅莉：正如前面专家所提到的，信息设备的节能在数据中心的节能减排中越来越重要，这也是我们英特尔着重想解决的问题。对于存量数据中心来说，更新和优化服务器及其他信息设备是一个必要的步骤，这包括采用更高效的服务器、存储及网络设备。例如第四代英特尔至强可扩展处理器采用了新的优化电源管理模式，用户可以在应用该模式的情况下，为大多数工作负载带来较好的节能效果。而且这款处理器内置了面向不同工作负载的加速器引擎，可以通过加速完成这些工作负载的方式来实现能效提升。此外，对于不具备自然冷源散热条件的地区而言，冷板式液冷尤其是风液混合的冷板式液冷也是存量数据中心可以应用的先进技术之一。

武彤：从整体的视角来看，对存量数据中心节能降碳改造可以从运行维护管理和基础设施改造两方面入手。运行维护方面，很多数据中心由于运行维护的管理和技术措施不到位，实际运行的PUE远不及设计值。我们可以考虑将能源计量纳入管理，实现设备级、系统级和项目级的分级测量，发现运行维护过程中的薄弱环节，并针对性地制定精细化运维策略，从而将设备、系统的能效发挥到最佳状态。

基础设施改造方面，可以从产品级、系统级、项目级和园区级四个维度采取措施。产品级方面，可以采用高效供冷产品，如氟泵空调、液冷服务器等，最大化利用室外自然冷源，同时可采用高效供配电产品，降低供配电损耗；系统级方面，可以采用模块化设计和实施策略，降低因规划设计不合理造成的后续系统运行损耗；项目级方面，可以融合光伏发电、风力发电等，实现电能清洁能源资源的统筹配置，从供给侧降低碳排放；园区级方面，可以考虑数据中心余热回收技术，将数据中心余热用于居民等冬季供暖和生活热水的供给，提升能源利用效率。

主持人：空调系统的能耗仅次于信息设备能耗，是数据中心第二大能耗来源。那么在节约空调系统能耗方面，都有哪些办法可以采用呢？

武彤：对于空调系统的节能，我们首先可以考虑从融合能源计量和精细化运维管理的维度，最大化地提升现有空调系统的效率。比如，通过空调设备、空调子系统的能效计量，基于能效计量数据的分析发现空调系统能效偏低的原因，并制定管理维度的运维策略，实现节能。再如，针对机房气流，我们可以借助精准的测量器具，将抽象的气流场指数化、参数化，从而可以通过测量的数据评估机房气流组织的健康状态，再借助相关的测量仪器进行末端气流组织的优化，为机房空调提升运行温度，实现机房空调末端系统的节能创造条件。

在技术方面，主要从设备、系统、项目三个维度采用节能技术改造。设备方面，可以将高耗能的风冷直膨空调更换为氟泵空调等可以最大化利用室外自然冷源的方法；系统方面，配备AI智能控制系统，提高精细化管理；项目方面，通过余热回收方案，提升数据中心能源利用效率。

梁雅莉：除信息基础设施外，空调系统是数据中心能耗的又一大关键点。优化空调系统能耗可以从四个方面采取措施。一是优化冷通道和热通道设计，减少能量浪费和热量污染；二是减少数据中心的局部热点，避免空调设定温度过低造成数据中心制冷“大水漫灌”的浪费情况；三是采用高效空调设备，如空气侧直接蒸发式冷却系统、间接蒸发式冷却系统、水侧直接蒸发式冷却系统等，以提高空调系统的能效；四是采用智能温度调节系统，根据机房负载和环境温度变化自动调节机房温度，合理设置空调系统的温度、湿度等参数，避免过度制冷和过度加湿，从而达到节能的目的。

主持人：三位专家分享的技术和方案具有很强的借鉴意义。那么，在对存量数据中心进行节能降碳改造后，预计会达到怎样的减排效果呢？

武彤：存量数据中心节能降碳改造后的结果，主要呈现为基础设施的耗电量降低和PUE的降低。

郭丰：需要说明的一点是，数据中心是一个工程的概念，包含很多分系统，每种分系统都有不同的设计方法、技术选项，存在不同的改造方案。并且，考虑到业务连续性的需要、投资需求、原有条件、性价比等等因素，有的数据中心适宜采取深度改造的方式，有的数据中心只能采用浅度简单调整的方式。因此，数据中心改造后的节能效果是不能一概而论的。

梁雅莉：从企业的角度来讲，对存量数据中心进行节能降碳改造除了能降低耗电量和PUE外，还能提升企业的形象和市场竞争力，吸引更多的客户和伙伴。当然，数据中心节能降碳改造的具体减排效果需要根据实际情况进行评估，但毫无疑问的是，通过改善数据中心的能源利用效率、减少碳排放，我们能为环境可持续发展和经济高质量发展做出贡献。

主持人：目前我国各地正陆续推进存量数据中心的节能降碳改造，几位专家能否谈一谈其中令您印象深刻的改造项目？

梁雅莉：在具体的数据中心节能降碳改造中，我们想以英特尔公司参与的某客户项目为例，介绍一下我们对存量数据中心改造的整体思路。

该客户的信息中心已经运行多年，机房的能耗不断提高、信息化资源使用日趋饱和。鉴于现有的节能手段已经接近极限，该客户在英特尔的支持下探索利用新型技术来降低能耗。我们提出了一系列解决思路。

第一，我们提供了数据中心管理平台（Data Center Manager）对客户现有的数据中心进行了分析，细致掌握了其功耗、碳排放、资源等相关情况；第二，由于该客户的数据中心建设时间较早，基础设施及服务器的改造空间有限，同时又由于该客户的业务连续性要求极高，经过与客户的充分探讨，我们认为应该对其数据中心进行轻量级的适度优化，而空调系统恰恰是比较合适的切入点。我们联合合作伙伴实地进行了相关技术验证，为客户提供了空调系统“智慧节能方案”，通过采集服务器负载信息、机柜温感数据、空调工况及能耗数据，借助人工智能方式制定空调参数调整策略，有效降低了空调能耗。此外，数据中心的信息基础设施能耗，包括CPU的能耗也是一个关键点，我们提出了智慧节能软件（Intelligent Energy Management）方案，该方案依托人工智能和英特尔服务器平台节能技术，通过软件和AI模型进行预测和干预，在满足应用负载业务要求的基础上，无需对应用更改即可对CPU频率进行优化。该方案将在未来得到进一步的探索与验证。

总之，数据中心的改造牵一发而动全身，需要综合考虑最合适的技术路线进行适度的优化，我们也希望帮助有类似需求的客户进行评估及探讨，共同为实现“双碳”目标做出努力。

武彤：目前存量数据中心的低碳改造进行得如火如荼，低碳改造的总体思路是摸清现状，找准需求，找出差距，通过能源计量数据分析，进行精细化运维，将现有的数据中心能效发挥到极致，然后再采用节能技术改造，进一步提升能效。

近期，中国计量科学研究院帮助某公司成功开展了数据中心节能降碳改造。第一步工作是由中国计量科学研究院对数据中心的能耗仪表在线校对，以确保其测量数据的精确性；第二步是通过分析精确的能耗数据，找到设备、系统能耗偏高的原因，制定节能运行策略，实现现有数据中心的能效最优化；第三步是测算项目的基线能效值，参考国家的能效限定值，找出差距；第四步是结合项目的现有配置情况和定位，有针对性地制定近期和远期节能改造方案并实施；第五步是进行节能改造后的节能量评估。总的来说，该公司的低碳改造思路是值得行业参考的。

科普小知识

什么是数据中心？

数据中心指的是大量服务器集中在一个物理空间内，可实现数据的存储、处理和交换，是当前的新型基础设施之一。数据中心规模有大有小，小则只占用一个房间，大则占用几栋大楼。

数据中心如何组成？

数据中心的硬件分为两类，分别是主设备和配套设备。主设备是实现计算和通信功能的设备，包括以服务器、存储为代表的信息设备，和以交换机、路由器、防火墙为代表的通信设备。从功能来看，主设备是数据中心的核心要素，其中服务器又是主设备中最基础的部件，相当于不带显示器的电脑主机。配套设备是为保证主设备正常运转而存在的底层基础支撑设备，包括供配电系统、散热制冷系统、消防系统、监控系统、楼宇管理系统等。供配电系统的重要性无需多言，一个没有电的数据中心就是一堆废铁；散热制冷系统也相当重要，因为运行中的服务器会产生大量热量，需要不断散热制冷以保持平稳高效运行，散热制冷系统的耗电量仅次于主设备，是数据中心第二大能耗来源。

数据中心耗电量有多高？

以我国某公司在天津建设的数据中心为例，该数据中心共4栋楼，其中，3号楼共有10万台服务器，这10万台服务器的用电负荷约等于8万个城市家庭的总用电量。

什么是PUE？

PUE是Powe Usage Effectiveness的简写，指的是数据中心消耗的所有能源与信息设备消耗能源的比值，是2007年由美国绿色网格组织（The Green Grid，TGG）提出的用以评价数据中心电能利用效率的一种指标，目前被国内外数据中心行业广泛使用。

PUE如何计算？

PUE=数据中心总能耗/信息设备能耗。数据中心总能耗包括信息设备、通信设备、供配电系统、散热制冷系统、消防系统、监控系统、楼宇管理系统等的能耗。例如，某数据中心一年用了10000度电，经过实际测算，该数据中心真正提供数据服务的信息设备只消耗了5000度电，而另外的5000度电被空调、照明等其他配套设施消耗掉了，那么该数据中心的PUE=10000度/5000度=2。从公式来看，PUE的数值永远大于1。而PUE的值越小、越接近1，则表明该数据中心除信息设备之外的设备能耗越低，这也意味着该数据中心的绿色化程度较高。

政策层面有哪些规定？

近些年，我国不断出台政策，降低数据中心的PUE。国家层面，工信部2021年7月印发《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》，明确提出，到2023年，新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下。地方层面，各地均对数据中心PUE数值做出不同程度的规定。例如，北京市2021年发文对PUE超过1.4的数据中心实行差别电价电费，同时做出新建、扩建数据中心，年能源消费量小于1万吨标准煤的项目PUE值不应高于1.3等规定；上海市2021年明确新建数据中心投入运营后的第一年PUE不应高于1.4，第二年不应高于1.3。

PUE有哪些局限性？

从上述公式可以看出，减小PUE的分子或放大分母都可以使PUE变得更小，因此，测量者选择户外很冷、照明系统全部关闭、用户几乎不在线时测量PUE，就可以测得PUE的较小值，但这样测得的PUE不能如实反映数据中心的能效水平。因此，数据中心的能效水平应该由多项指标综合反映，而非仅通过PUE一项指标判断。