引言推进节能降碳、实现经济绿色崛起已成为各国推动经济社会发展的重要举措。随着互联网的日益普及，在云计算、大数据、物联网、人工智能等新兴产业快速发展的推动下，国内数据中心建设规模和数量呈现快速增长趋势[1]。2020年我国数字经济总量规模达到39.2亿元，占生产总值比重达38.6%，数字经济总量规模及增速均居世界前列。数据中心成为国家基础战略资源和数字经济发展底座的同时，也占用了大量电力资源，高能源消耗与高热流密度已经成为数据中心行业最常被提及的两个关键词。在“双碳”以及能耗“双控”的背景下，数据中心正面临节能减碳的严峻挑战，实现绿色低碳高质量发展已成为数据中心实现可持续发展急需解决的问题。通过对数据中心的能耗结构进行分析，提出降低数据中心能耗的有效途径，并以南方地区某数据中心项目为案例，探索进一步降低数据中心PUE值的节能技术路径，为我国绿色数据中心建设提供参考。1建设绿色数据中心的意义（1）数据中心高耗能与当前能耗“双控”要求不符。我国数据中心机架规模持续稳步增长，大型以上数据中心规模增长迅速。据《数据中心白皮书（2022）》统计，按照标准机架2.5 kW统计，截至2021年底，我国在用数据中心机架规模达到520万架，近五年的年均复合增速超过30%。数据中心存储和处理海量数据，需要消耗大量的电能。2021年我国数据中心的年用电量约为2 166亿kWh，占全国总用电量的2.6%，二氧化碳排放量约为1.35亿t，占我国二氧化碳排放量的1.14%左右。经预测，2030年我国数据中心机架规模将达1 125万架，耗电量达到5 915亿kWh，占全社会用电量的5%以上，二氧化碳排放约为3.4亿t，占全国二氧化碳排放量的3%。因此，2021年11月国家发改委印发的《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》（发改产业〔2021〕1464号）将数据中心定位为高能耗产业，数据中心可能是2030年碳达峰难度最大的行业之一。我国数据中心用电占全社会用电比例趋势如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.021.F001图1我国数据中心用电占全社会用电比例趋势（2）能耗成本占比较大，严重影响数据中心行业的竞争力。数据中心处于24 h不间断运行状态，在保证服务器、交换机等IT设备正常运行所需电力供给的同时，还需提供机房散热设备正常运行所需要的电力。电费支出成为数据中心运营成本的主要部分，电费支出占数据中心运营总成本的60%~70%，大型数据中心的年耗电成本超过1亿元，降低运行成本成为提高行业竞争力的关键。（3）国家对数据中心绿色低碳发展目标的要求。2021年7月，国家工信部制定下发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021~2023年）》明确要求“到2021年底，新建大型及以上数据中心PUE降低至1.35；到2023年底新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下”。2021年12月，国家发改委制定下发的《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》明确要求“到2025年，全国新建大型、超大型数据中心平均PUE降低到1.3以下，国家枢纽节点降低至1.25以下”。根据上述两个文件可知，截至2023年全国大型、超大型数据中心运行电能利用效率PUE需降至1.3以下，枢纽节点数据中心集群PUE控制在1.25以内。2数据中心的能耗构成及降低PUE途径分析2.1数据中心的能耗构成数据中心的能耗主要由IT设备、制冷系统设备、供配电系统设备和照明及其他设备等4个部分的能源消耗组成。其中IT设备和制冷系统设备的能源消耗量占数据中心总能耗的85%以上[2]。我国数据中心能耗构成如图2所示。不同PUE值数据中心的各部分能耗占比不同。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.021.F002图2我国数据中心能耗构成2.2数据中心能耗指标PUE数据中心最常用的性能评价指标是电能利用效率（PUE），PUE已成为我国评价数据中心工程性能的主要指标。PUE=数据中心总能耗÷IT设备能耗=（IT设备能耗+制冷系统设备能耗+供配电系统设备能耗+照明及其他设备能耗）÷IT设备能耗=1+PUE空调因子+PUE供配电因子+PUE照明弱电等其他因子。数据中心机房的PUE反映用户总输入电能中有多少电能真正被使用在IT设备上。PUE值越高，表示UPS供电系统、空调系统、输入/输出供配电系统及照明系统等组成的动力和环境保障基础设施消耗的电量越多。2.3降低PUE途径分析根据PUE计算公式分析，影响PUE值的主要因素是PUE空调因子、PUE供配电因子和PUE照明弱电等其他因子。（1）PUE空调因子。数据中心的制冷系统设备主要包括机房内使用的空调设备、提供冷源的设备和新风系统设备，其耗电量较高，占数据中心能耗的35%左右，大部分数据中心的PUE空调因子约为0.4~0.5。可采取的节能措施为：通过提高至制冷效率、优化冷源设备、减少冷耗等手段实现空调系统节能。（2）PUE供配电因子。数据中心的供配电系统设备通常由变压器、配电柜、发电机、UPS、HVDC、电池、机柜配电单元等设备组成，其电耗主要包括UPS电损和变配电电损，占数据中心能耗的10%左右，PUE供配电因子约为0.06~0.07。可采取的节能措施为：合理布置变配电中心，变配电室尽量选择在负荷中心位置，合理选择导线截面，科学布置线路路径，通过缩短负荷线路减少线损；合理选择配电方案及变压器容量，选用变压器应满足《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB 20052—2020）能效要求；无功补偿，在变配电房的低压侧安装电容器进行自动补偿；采用高能效UPS以及低功耗供配电系统；谐波治理，通过增设谐波治理的装置，提高电网质量，减少电网谐波对通信设备的影响。（3）PUE照明弱电等其他因子。数据中心的其他消耗电能的基础设施包括照明设备、安防设备、灭火、防水、传感器及相关数据中心建筑的管理系统等，其电耗占比较小，仅占数据中心能耗的5%左右，PUE供配电因子约为0.02~0.03。可采取的节能措施为：数据中心、辅助用房等照明系统采用LED灯+人体感应开关。空调系统节能是降低PUE的最主要途径。3数据中心制冷系统节能措施3.1数据中心制冷方式对比分析（1）风冷制冷精密空调系统。风冷制冷精密空调系统由精密空调室内机、室外机组成。系统通过压缩机做工形成高温、高压蒸汽，制冷剂蒸汽被送入冷凝器，与室外空气进行热交换，放热后冷凝形成液体，经节流机构降压后再次进入蒸发器，形成循环。风冷制冷精密空调系统简单、布置灵活，不需要布置冷水管道和建设主机机房，但压缩机噪声和室外机散热量对周围环境影响大，系统能耗较高。（2）冷冻水型精密空调系统。冷冻水型精密空调系统由冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、机房精密空调组成。系统由冷水机组提供中、低温冷冻水，冷冻水经过精密空调冷冻水盘管，将机房约30 ℃的热回风冷却为18 ℃左右的冷风，为机房IT设备降温，低温冷冻水经与热回风进行热交换后变为高温冷冻水，循环至冷水机组重新制冷。系统利用大型冷水机组作为集中冷源，具有大风量、小焓差的特点，主要承担数据中心机房的显热负荷。（3）液冷系统。液冷系统分为冷板式、喷淋式和浸没式。冷板式使用与服务器主板配套定制的铜质冷板，通过流经冷板的冷却液带走服务器主要发热器件（CPU、GPU、内存等）的热量，被带出的热量经由冷冻水分配单元(CDU)的板换器交换，由冷却塔、干冷器等释放到室外环境中。浸没式采用特定的冷却液作为散热介质，将IT设备直接浸没在冷却液中，通过冷却液循环带走IT设备运行过程中产生的热量。同时冷却液通过循环过程与外部冷源进行热交换，将热量释放到环境中。喷淋式将绝缘非腐蚀特性的冷却液直接通过服务器机箱上的喷淋板，喷淋到发热器件表面或与之接触的扩展表面，吸热被排走与外部环境进行热交换，从而控制热冷却液达到系统的入口条件，散热更为精准。液冷系统拥有散热效率高、低能耗、低噪音等优点，但喷淋式和浸没式存在冷却液对IT部件功能和寿命的影响，冷板式存在冷却液泄漏的安全隐患，液冷使用及维护成本较高。3.2数据中心制冷系统能耗构成目前数据中心主要采用水冷冷水机组制冷系统[3]，其主要能耗是冷水主机能耗，占比达50%以上；其次为空调能耗，占比达25%左右；水泵及冷却塔能耗占比约为25%。某数据中心水冷冷水机组制冷系统能耗构成如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.04.021.F003图3某数据中心水冷冷水机组制冷系统能耗构成3.3数据中心制冷系统节能技术路径分析（1）充分利用自然冷源。通过采用水侧自然冷、风侧自然冷（直接蒸发或间接蒸发）以及氟侧自然冷（风冷氟泵）等措施减少冷机电耗。（2）提高制冷系统能效。通过选用磁悬浮冷水机、变频制冷机组、末端精密空调，采用EC风机、变频风机、变频水泵，增大蒸发或换热面积以及水系统低水阻力设计等措施降低机械损耗；通过采用列间空调、高供回水温冷水机组和提高空调回风温度等措施提高蒸发温度；通过加大冷凝器换热面积、采用遮阳或雾化喷淋等方式降低冷凝器温度，从而降低冷凝温度。（3）减少冷耗。通过封闭冷热通道，实现冷热气流隔离，避免冷热空气无功混合；通过背板冷却、芯片冷却以及精确送风等措施实现精确制冷；通过采用直接或间接冷却式冷板、无相变或相变浸入式液冷，从而实现直接或间接液冷。制冷机组电耗占整个制冷系统能耗的70%以上，充分挖掘自然冷源高效转化与深度利用、提高对自然冷源的利用率以减少制冷机开启时间是降低制冷系统能的有效技术手段[4]。3.4南方地区某数据中心节能项目案例南方高热湿气候条件下，冷却系统耗电量远高于北方地区，南方地区数据中心集群建设过程中PUE值低于1.25的目标实现难度极大。以南方地区某数据中心项目为例，该项目总投资额为25亿元，建设7栋数据中心机房楼，每栋机房楼可摆放数据机柜3 000个，建设数据机柜总数量共21 000个，单机柜平均功率为6 kW。项目节能技术改造前的数据中心年耗电量为9.72亿kWh，PUE值约为1.27。该项目处于国家枢纽节点，因此PUE需要降至1.25以下。经节能分析，该项目拟采用提高制冷效率、优化冷源设备以及提高自然冷源利用率等措施降低制冷系统电耗。（1）提高制冷效率。项目机房采用精密空调下送风上回风+封闭冷通道的送风形式，机柜采用面对面、背对背的布置方式。为了获得合理的气流组织，可以通过合理布置送回风口，并采用面对面、背对背的布置方式形成冷、热风通道，从而避免冷热风混合，减少不必要的空调能耗。机房采用封闭冷通道。高架地板下吹出冷空气，经过密闭的冷池通道，送至机柜前端的设备进行热交换，冷空气变成热空气由机柜后端排出至热通道，再迅速返回至空调回风口，通过垂直风管与天花板无缝连接，达到热回风与冷量完全隔离[5]。在机柜服务器之间安装挡板。为了避免机柜中下层服务器排出的热空气进入中上层服务器的进气口，采用安装挡板的方法使排出的热空气沿着规定路线流动，从而保证所有服务器吸入纯冷空气，实现进一步提升空调制冷效果。完善送风口与回风口设计。布置送风口时尽可能靠近设备进气口，确保冷空气限制在冷通道内，关闭未运行的设备附近的送风口；回风口尽可能邻近设备排气口，并从热通道收集热空气。提高机柜散热能力。通过合理分配机柜负载，使每个机柜的负载均趋近于平均值，避免单台机柜发热严重，同时在机柜内加装机架式辅助散热装置，提高机柜散热能力。（2）优化冷源设备。每栋据中心大楼采用6台1200USRT磁悬浮变频冷水机组，其中5台主用，1台备用。水冷离心式冷水机组自带微电脑和自控装置，根据空调负荷开启主机台数和变频运行。10 kV磁悬浮变频机组的IPLV值比常规离心机组平均高约20%，数据中心配置的10 kV磁悬浮变频机组年耗电量约728万kWh，与常规离心机组相比，每年节省电量182万kWh，7栋数据中心节约电量1 274万kWh。采用高效换热板式换热器。控制板式换热器温差低于1 ℃。与常规板式换热器相比（换热温差一般为1.5~2.0 ℃），采用高效换热板式换热器有利于降低冷冻水预冷温度0.5 ℃以上，可以提高自然冷源利用临界温度，进一步延长自然冷源利用时长。制冷系统采用高效物联技术和AI+BA智能控制技术，根据主机负荷情况，通过控制系统控制冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机的电机转速，降低运行功耗。（3）提高自然冷源利用率。采用高逼近度冷却塔。高逼近度冷却塔的逼近度≤2.5 ℃，低于常规冷却塔（逼近度一般在3~5 ℃），可以有效延长自然冷源的利用时长，进一步降低主机运行时间。冷水机组采用高温大温差冷冻水制冷，供回水温度为16 ℃/23 ℃，与传统的7 ℃/12 ℃供回水温度相比，通过提高冷冻水供回水温度大幅降低冷水主机的制冷能耗和水泵运输能耗，提高自然冷源利用率。蓄冷节能技术应用。采用数据中心的蓄冷罐冷却水侧设计架构，利用冷却塔进行自然冷源蓄冷，蓄冷水罐设置在冷却水系统的旁通管路上。当日温度波动较大时，可以通过设置多台冷却塔，在低温时段蓄存低温自然冷源，在高温时段替代冷却塔用于自由冷却或预冷使用。这种架构下系统运行控制简单，不需要通过BA控制系统对制冷系统进行控制，只需UPS电源以保证蓄冷泵和备用冷却塔的电源。该项目采用的蓄冷节能技术方案，每年可节省电量336万kWh。照明系统节能改造采用LED灯+人体感应开关，实现年节电量112万kWh。数据中心项目经过制冷系统和照明系统节能技术改造，年耗电量由改造前的9.72亿kWh降为改造后的9.54亿kWh，PUE值降至1.25以内，达到节能项目改造预期效果。4加快推进绿色数据中心建设的其他建议4.1加快建立绿色数据中心评价体系大力支持东数西算工程，积极推进全国一体化算力网络国家枢纽节点建设，引导我国数据中心向技术先进和绿色低碳发展，加快打造布局合理、算力规模与数字经济增长相适应的新型数据中心发展新格局。加快出台推动数据中心绿色低碳高质量发展的相关政策，科学研究制定数据中心电能利用率(PUE)、水利用率(WUE)、碳排放强度(CUE)和可再生能源利用率(RER)等核心指标组成的绿色低碳综合评价体系。制定数据中心节能审查、能耗双控、碳排放影响评价等技术规范，将数据中心节能监察纳入地区节能监察重点监管范围，强化数据中心能效评价的事中、事后监管。4.2积极构建数据中心节能体系鼓励应用冷热通道密封、盲板密封、直流变频、间接蒸发冷却、液冷、AI算法等先进制冷技术。大力支持数据中心采用高功率密度UPS、预制电力模块、高能量密度磷酸铁锂电池和储氢等多元化储能和备用电源装置。支持采用高压直流、高效模块化UPS、预制电力模块、10 kV交流输入不间断电源、小母线等先进供电技术。推动企业制定低碳发展战略，明确低碳体系要求，深化节能减碳技术在数据中心全生命周期中的应用。鼓励数据中心企业发布数据中心碳减排路线图，引导数据中心企业开展碳排放核查与管理，加快探索实现碳中和目标。4.3进一步优化数据中心用能结构进一步提高数据中心可再生能源利用水平。积极探索建设分布式光伏电站、储能等配套系统，推动数据中心高效利用清洁能源和可再生能源。引导数据中心与附近热电冷联供电厂或有余热资源的钢铁、水泥以及化工企业加强联系，通过采用吸收式制冷方式提高对周边工业企业余热蒸汽的利用。加快完善企业能源消费统计方法，剔除企业能源消费统计中可再生能源电力消费量，鼓励数据中心就地消纳可再生能源，实现数据中心与可再生能源深度融合。加快推进全国可再生能源市场化交易，鼓励数据中心企业积极参与绿电交易，提高可再生能源消纳能力。5结语数据中心产业拥有自我革新的内生动力，在推动产业向绿色化、集约化和智能化发展的同时也带动了数据中心节能技术研发与应用不断革新，为信息产业的绿色发展拓展更广阔的空间。数据中心将坚定不移地走绿色低碳高质量发展道路，为我国数字经济发展注入新动能。