总756期第二十二期2021年8月
河南科技
Journal of Henan Science and Technology
绿节能技术在黄河数据中心的应用
汤进冯建李自尊
（黄河水利委员会信息中心，河南郑州450000）
摘要：数据中心绿节能技术日益成熟，具有种类繁多、涉及宽泛等特点，包括IT设备选型、供配电系统、机房专用精密空调等各个方面。从建筑节能、运营管理、能源效率等方面来衡量整体数据中心是否“绿”，逐步实现了降低能耗、节约成本的核心目标。本文从黄河数据中心实际出发，研究适用于黄河数据中心的绿节能技术。
关键词：数据中心建设；绿节能；模块化机房
中图分类号：F614文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）22-0117-03 Application of Green Energy Saving Technology in Yellow River Data Center
TANG Jin FENG Jian LI Zizun
（The Yellow River Conservancy Commission Information Center，Zhengzhou Henan450000）
Abstract:The green energy-saving technology of data center is becoming more and more mature,which has the char⁃acteristics of wide variety and wide coverage,including IT equipment selection,power supply and distribution sys⁃tem,special precision air conditioner for machine measure whether the overall data center is"green" from the aspects of building energy conservation,operation management and energy efficiency,and gradually achieve the core goal of reducing energy consumption and saving cost.Based on the reality of the Yellow River Data Center, this paper studies the green energy-saving technology suitable for the Yellow River data center.
Keywords:data center construction；green energy saving；modular computer room
1研究背景
绿数据中心是未来信息化发展、数据中心发展的必然趋势。为持续推进国家“碳达峰、碳中和”的总体战略目标，数据中心产生的巨大能耗和碳排放量不可小觑。在传统数据中心向绿数据中心的转型期，绿数据中心节能技术的应用对于国家实现“碳达峰、碳中和”的最终目标具有重要意义。
黄河数据中心于2011年投入使用，目前运行的2个机房配备了机房专用精密空调、供配电系统、温湿度监测等基础设施，采用传统机房的模式已运行10a以上，存在能耗大、电能利用率低等缺点。按照国家“黄河流域生态保护和高质量发展”的重大发展战略指导思想，根据黄河流域大数据中心建设的总体规划，对现有机房进行节能改造，并建设全新的绿数据中心机房［1］。
2研究目标
研究适用于黄河数据中心的绿节能技术，从各方面降低数据中心总体能耗，特别是设备能耗和动力环境能耗，降低在用机房的电源使用效率（Power Usage Effec⁃
tiveness，PUE），使新建机房的电源使用效率不大于1.4。3传统机房的节能研究
投入使用的2个机房总面积约410m2，部署了大量的服务器、存储设备、网络设备等信息化关键基础设施，为治黄信息化提供了有力的技术支撑。在确保业务系统不间断运行的前提下，对机房环境进行绿节能改造，改造目标是降低总体能耗和PUE值。改造内容包括以下几个方面。
3.1业务应用迁移上云
近年来，黄河水利委员会初步搭建了虚拟化平台，陆续关停了大部分运行时间长、能耗大的老旧服务器，原有业务系统陆续迁移上云。目前，仍有一些类似服务器承担着某些关键业务应用，须继续推进业
务上云，在不影响业务系统连续性的同时，不断减少裸金属服务器的数量，以达到降低能耗的目的。
收稿日期：2021-07-05
作者简介：汤进（1979—），男，硕士，工程师，研究方向：水利信息化和数据中心建设。
能源与化学
·118·第22期
模块化机房建设方案3.2机房空调节能改造
机房空调是保障信息化设备最佳运行状态的关键基础设施，是数据中心机房环境温湿度控制的核心设备。机房空调的能耗占整个数据中心的60%～70%，因此对其进行节能改造是降低数据中心总体能耗的有效手段。
目前使用的机房专用精密空调属于风冷型精密空调，采用定频压缩机，可对每台空调加装节能控制柜进行变频改造。根据季节温度变化，节能控制柜通过调整负荷，改变空调压缩机的频率，调节输出冷量。当达到设定的温度阈值时，压缩机在低转速、低功耗状态运行，可节约能耗25%左右。
3.3气流组织改造
目前，黄河数据中心运行的两个机房存在机柜摆放不科学、气流组织形式混乱以及冷空气利用率低等问题。对于机柜摆放朝向，应采用“背靠背、面对面”摆放，这样在两排机柜的正面面对通道中间布置冷风出口形成一个冷空气区——“冷通道”。冷空气流经设备后形成的热空气排放到两排机柜背面中的“热通道”中，通过热通道的回风口回到空调系统，使整个机房气流、能量流流通顺畅，提高了机房空调的利用率，进一步改善了制冷效果［1］。
改造黄河数据中心机房地板，铺设加高的防静电地板，在机柜正面的地板开出风口，采用下送风方式。冷空气从设备正面进入，背面排出，回风至机房空调，实现了冷热通道的分离，提高了制冷效率，降低了能耗。3.4利用自然冷源
自然冷源取之不尽。把室外冷空气引入室内，以减少空调压缩机的运行时间，是实现低成本高效能的节能降耗办法。在机房加装水帘新风系统，充分利用自然冷源和水蒸发吸热原理，减少机房空调工作时间，可达到节能的目的。
在夏季，此系统可辅助机房空调为室内降温。当外界干热空气被大量吸入后，流经湿帘表面，使得湿帘中的水分被大量蒸发，从而使空气温度下降4～10℃，同时空气中的大部分灰尘被湿帘吸附，达到除尘过滤的效果。其能源损耗只是风机的功耗，仅相当于常规分体空调的15%左右。在冬、春、秋三季，室外气温相对较低，可将自然冷气引入机房。室外相对低温的空气经水帘过滤处理后，将其冷风强制送入机房，以减轻机房空调的负荷和能耗，达到节能的效果［2］。水帘新风系统原理如图1所示。
干热空气湿冷空气
图1水帘新风系统原理图
3.5照明系统改造
目前，机房照明系统存在能耗大、照度不足、灯具布局不合理以及光源没有得到充分利用等问题。根据《数据中心设计规范》（GB50174—2017）等相关标准，对黄河数据中心照明系统重新规划设计，分为主机房、辅助区、工作区域和非工作区域。在主机房和辅助区设置备用照明，通道疏散照明及疏散指示标志灯照度值参考标准规范设置［3］。
采用智能照明控制系统、高效节能的光源可减少电能消耗，实现人来灯亮、人走灯灭，具有节约能耗、延长灯具的使用寿命以及降低故障率的优点。
3.6基础装修改造
第一，做好机房墙面的保温措施，减少热交换作用，保持机房内温度恒定。第二，提升机房内门窗的密闭性，加大门窗透光面积，充分利用自然光源，减少照明系统能耗。
4新建机房的节能研究
黄河数据中心新机房空间面积约200m2，已具备基础装修、照明、门禁等基础环境条件，利用云计算、虚拟化技术部署将来的业务应用，采用模块化机房部署方案，设计节能供配电系统，并配合运用其他的绿节能技术。
4.1IT设备硬件设计
降低IT设备的能耗是数据中心节能设计的基础，也是节能解决方案的核心，可采用低能耗的处理器和刀片式服务器来实现。采用的服务器等产品须符合国家节能相关标准，取得节能认证。
服务器、存储等设备的选型坚持基于云计算、虚拟化技术，形成计算、存储、网络资源池，利用云平台来统一管理部署各类业务应用系统，统一分配资源，使用户获得“按需取用”的便利，从而大大降低了裸金属服务器带来的巨大能源消耗和管理成本。
4.2供配电系统节能设计
4.2.1模块化设计。采用先进的绿休眠技能设备与技术，能够控制好机房负载水平，根据机房实际负载的大小来调节不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）应当投入的数量。前提是在满足冗余n+1供电的情况下，多余的UPS会自动进入休眠状态。在降低系统数据中心机房内的能耗水平的同时，它还能够逐步提升UPS整个供电系统运行的安全性和稳定性［4］。
4.2.2高压直流系统设计。选择240V的高压直流供电模式，因其不经过逆变环节，即支持持续性不间断供电，有利于降耗节能。高压直流系统宜选用模块化运行结构，即针对实际输出负载的大小来灵活控制模块开机运行的数量，同时整个整流器模块负载率会保持在一个较高的水平［4］。
绿节能技术在黄河数据中心的应用
第22期·119·4.2.3模块化机房部署。采用目前节能效果显著的
模块化机房部署方案，以有效降低PUE值。该方案易于
部署，具有支持平滑扩容、弹性伸缩的特点，革命性地改
变了传统数据中心建设的模式，大大提高了建设效率，节
约了能耗资金投入、建设投资，也在一定程度上降低了运
维难度。
模块化机房采用精准送风和冷热隔离技术，使冷空
气集中均匀地与服务器进行热交换，从而达到节能的目
的，与传统机房相比减少30%～50%的能耗。通过结合
高效、先进的列间空调冷却技术，可以使更多的能源用在
支撑信息设备运行而不是冷却或者电能转换上，从而进
一步降低PUE值。
如图2所示，模块内机柜的冷却是通过行间空调实
现，送风方式为水平送风循环，行间空调可选用冷媒型。
行间空调采用出风温度控制，精确控制进入冷通道的气
流温度，可在18～27℃灵活设置。同时，封闭冷通道使
得模块内部通道形成了一个冷池，进入冷池的冷量可以全部被设备所应用，不存在回流、冷热混合等情况，提升了冷量的利用率［5］。
4.3其他节能技术研究
新机房建设的其他节能技术还包括利用自然冷源、改造照明系统以及基础装修等。
5结语
黄河数据中心建设投入运行较早，是治黄信息化重要的基础支撑，需利用大部分环境设备设施，在此基础上如何充分运用绿节能技术减少能耗，还需要从多方面进行试验评估，真正降低机房PUE值。新机房的IT设备部署则采用主流的云计算技术，减少裸金属服务器数量，选用低能耗IT设备，采用部署模块化机房等主要技术手段降低数据中心整体能耗。通过探索研究，节能改造，深入贯彻绿发展理念，从而为我国实现“碳达峰、碳中和”的目标贡献力量。
参考文献：
［1］姚赟.高可靠性绿数据中心的构建［M］.西安：西北工业大学出版社，2013：176-178.
［2］刘伯俊.水帘新风系统在三类通信机房的使用［J］.江西通信科技，2010（3）：38-44.
［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.数据中心设计规范：GB50174—2017［S］.北京：中国计划出版社，2017.
［4］张林冲.数据中心供配电系统节能设计分析［J］.现代信息科技，2017（1）：52-53.
［5］周世清.四川电信宜宾市政府合作共建长江上游区域大数据中心正式开工［J］.通信与信息技术，2020（2）：
27.
图2模块化机房冷热通道示意图
绿节能技术在黄河数据中心的应用