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“双碳”背景下 数据中心规划设计的新趋势及展望
文/成光

政策层面

2021年,工业和信息化部印发了《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》,《行动计划》明确提出,用3年时间基本形成布局合理、技术先进、绿色低碳、算力规模与数字经济增长相适应的新型数据中心发展格局。能效水平稳步提升,电能利用效率(PUE)逐步降低,可再生能源利用率逐步提高。在具体指标上,到2023年底,全国数据中心新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下,严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。

另外,继“南水北调”“西电东送”“西气东输”等工程之后,我国也发布了“东数西算”战略规划。2021年5月26日,国家发改委、中央网信办、工信部及国家能源局四部门明确布局全国算力网络国家枢纽节点,启动“东数西算”工程,将在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝,以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏建设全国算力网络国家枢纽节点,优化我国东部地区算力资源紧张、西部地区算力需求不足的不平衡状况。因此,从政策层面看,未来相当长时间内,除了热点地区必须建设的数据中心和边缘数据中心以外,国家鼓励大型数据中心规划建设向国家八大枢纽节点聚集,将有利于节能降耗措施的规模化实施,从而促进数据中心行业更早实现碳中和及绿色节能的目标。

数据中心行业规模及类型分析

1. 规模大型化趋势明显

从公开数据看,数据中心大型化趋势明显。多地出台的数据中心政策均对申报数据中心规模提出了要求。集约、大型化发展数据中心,有利于规模化应用节能新技术,提高机柜利用率,降低能耗。

从能源的优化利用方面看,国家对数据中心能效政策的收紧也必然引导数据中心向着集约化、大型化发展,从而提高能效水平,节能减排。

2. .新型数据中心不断涌现

新型数据中心作为传统数据中心的有益补充,出现增长的趋势。海底数据中心,山洞数据中心,矿井数据中心等新型数据中心将满足不同地理、气候环境场景下的实际需求。

(1)海底数据中心技术

微软现已建设了全球首个自用海底数据中心。我国也在海南三亚已规划了首个商用海底数据中心示范项目。

海底数据中心主要分成海底和岸基两大块,将服务器安装在密封的压力容器中,安放在海底,用海底复合电缆供电、并将数据回传至互联网。采用模块化设计,建设周期短,成本低;主要利用海底面积,对陆上土地资源需求较低。

海底数据中心利用了海水的巨量流动对服务器产生的热量进行散热冷却,无需淡水冷却、无需制冷设备,无压缩机运行,有效节约淡水资源。公开数据显示海底数据中心建设及运营成本较同等规模陆上数据中心低约15-20%,而其故障率仅是在陆上数据中心的八分之一,兼具经济性和可靠性。

我国大陆海岸线长达一万八千多公里,我国经济发达地区也在沿海省份居多,同时这些地区也是对数据中心或算力需求很旺盛的区域,因此在沿海省份规划建设海底数据中心具有不错的优势和前景。

(2)山洞数据中心技术

挪威利用橄榄石矿废弃矿山的巷道建设了矿山数据中心,并充分利用可再生能源,建成PUE低于1.15的绿色数据中心。

国内,腾讯在贵州省利用打通贯穿的山洞建设了国内第一个山洞数据中心——腾讯贵安七星数据中心。山洞面积超过3万平方米,整个数据中心的IT设备、电力等设备将全部置于其中。该数据中心具有高度安全,高隐蔽、高防护的特点,用于存放腾讯业务最核心的业务数据。

我国有山地省份较多,大多位于中西部地区,而中西部地区能源富集,通过建设数据中心可以更好的消纳绿色能源。我国土地资源紧张,山洞数据中心的出现是解决上述问题的有益尝试。

(3)矿井井下数据中心技术

目前我国部分省份在利用矿井作为数据中心方面已经开展论证工作。矿产及煤炭资源地区,在资源枯竭后,废弃矿井的综合利用是矿区生态恢复的重大课题。在矿井内布置数据中心是解决废弃矿井综合利用的一种可能的方案。

新型数据中心可以是边缘数据中心,也可以规划成大型数据中心。其规划建设面临的突出问题是现阶段还部分存在缺少相关规范指导,有些问题甚至需要突破现行规范才能解决,相信随着新型数据中心的不断发展配套相关规范和政策会逐步完善促进行业的发展。

3. .数据中心节能改造项目需求将快速增长

在工信部印发的《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》中明确指出,要加速改造升级“老旧小散”数据中心。分类分批推动存量“老旧小散”数据中心改造升级。“老旧”数据中心加快应用高密度、高效率的IT设备和基础设施系统,“小散”数据中心加速迁移、整合,提高数据中心能源利用效率和算力供给能力,更好满足当地边缘计算应用需求。

我国存量数据中心数量庞大,普遍存在建成年代较久,设计标准偏低,设备老化,能耗高及PUE较高等问题,随着“双碳”目标推进,节能政策必然逐渐收紧,高能耗数据中心将受到运营成本高昂、政策挤压等多重影响,面临严峻的生存危机,改造意愿强烈。因此,预测存量数据中心节能改造项目在近期将出现快速增长,以适应节能政策的要求和自身运维成本的实际诉求。

数据中心技术发展趋势分析

1. 模块化的进一步推进

传统的模块化设计,一般理解为模块化机房楼、模块化机房,方便分期建设和标准化运维。现在及未来的模块化将会进一步扩展模块化的思想,比如系统级的模块化、微模块、配电模块化、制冷模块化、全预制数据中心模块化等。通过模块化,标准化,工厂预制化、产品化,实现快速部署、弹性扩容、运维简单、高效节能,推动实现绿色数据中心,提高能效。

2. 暖通系统架构对PUE降低起到重要作用

在数据中心PUE因子中,除IT设备外,空调占有很大的比重。因此现阶段数据中心能效提升的关键是空调系统架构的优化及变革。

中国东西南北地理跨度大,气候差异也大。因此,空调系统架构的选择必须结合当地的气候条件综合考虑,很难做到全国一致。

间接蒸发冷却技术及液冷技术等新技术的出现成为解决数据中心空调系统能耗问题的思路。

传统水冷系统技术成熟,普适性好,能效一般,施工周期长。而近年来发展起来的间接蒸发冷却技术,具有节能性较高、投资适中、施工周期较短、节水性高的优势,劣势是产品定制化强、对建筑布局要求高、不易实现连续制冷。

液冷技术主要分为冷板式和浸没式。液冷技术的优点是节能性较高、容易实现连续制冷;其劣势主要体现在初投资较高、服务器定制化较强等。我国已有大型数据中心采用了上述液冷技术,在高密度机柜制冷方面取得了很好的节能效果。

3. 3.余热回收利用

数据中心通过空调散热系统将服务器产生的大量余热排出,耗能巨大。据统计数据中心消耗的电能中有近90%会转化为热能。目前多数数据中心基本没有利用这种热量。如果能利用好这些余热,可以成为非常宝贵的资源,从更大的范围降低碳排放水平。

目前,国内数据中心开展余热回收利用的场景,主要集中利用数据中心余热为相关办公区或周边居民区供暖。国外也已经开展了余热回收利用的不同尝试,比如游泳池的加热、植物种植园的采暖、生产用水的预热等等。余热回收利用的场景还需要进一步拓展,和数据中心巨量的余热相配合,才能产生更大的效益,更节能。

4. 4.电气系统的节能优化助力能效降低

数据中心电气系统经过了很多年的发展,已经非常成熟,但是在节能上仍然有挖潜的空间。

(1)电源系统和UPS系统的潜力。

数据中心能耗巨大,电气系统架构通常是2N配置,其变压器数量和容量均较大,变压器空载及负载损耗绝对量也很大。2021年6月,新的变压器能效限定值及能效等级国家标准出台,能耗标准大幅度提升,能耗值下降明显,国标的能效要求已经超过了欧洲,由此可见中国对“双碳”目标达成及节能降耗的决心是很大的。

数据中心UPS系统曾经大量采用工频机。随着高频机的出现,曾经在一段时间内出现过工频机和高频机之争。高频机具有高效率优势,再加上高频机的可靠性的提升,性价比优势,导致高频机逐渐为客户所接受,已经成为了市场的主流技术方向。由于客户使用习惯及部分应用场景的因素,工频机还会在一定时期内存在。从降低能耗的角度看,高频UPS无疑更有助于降低PUE。

(2)高压直流和直流微电网技术

高压直流技术已经在数据中心行业得到了较多应用,尤其是受到了国内互联网头部企业和运营商的青睐。因为IT设备一般均适用,并且具有能效的优势,占地少,有规范支撑,预测未来应用场景会更多,高压直流技术在中国的技术应用成熟度已经超过国外,未来向好。

直流微电网技术实质是一种综合能源解决方案。是在数据中心内部采用直流系统,将市电、新能源、储能系统、、备用电源、IT负载、动力负载均接入直流母线系统的解决方案,可实现多种能源并网馈电,直流电网具有较强的抗干扰能力,能量转换次数少,效率高,组网结构简单稳定。与传统的交流配电系统来比较而言,直流微电网是电气架构上很大的突破,目前仍需要技术细节的研究和案例经验的积累。

(3)采用变频装置节能

数据中心动力系统,如空调、水泵、冷机、冷塔、风机等,是数据中心除IT设备外的耗电大户,以往项目变频装置应用差异很大,能耗居高不下。在新建及节能改造项目中采用变频装置,利用其节能优势对降低数据中心整体能耗有很大帮助。

(4)照明节能

通过充分利用自然光,推广使用LED照明及高效荧光灯,采用智能照明控制系统,实现数据中心照明系统的节能。

5. 新能源、绿电的应用将推进

新能源按类别可分为:太阳能、风能、生物质能、氢能、地热能、海洋能、小水电、化工能(如醚基燃料)、核能等可再生能源。

绿电指的是在生产电力的过程中,它的二氧化碳排放量为零或趋近于零,因相较于其他方式(如火力发电)所生产之电力,对于环境冲击影响较低。绿电的主要来源为太阳能、风力、生质能、地热等,中国主要以太阳能及风力为主。

目前数据中心的能源结构主要是依靠电力能源,而我国发电最主要的途径是火电,产生了大量的碳排放。新能源和绿电的大力推广利用,对数据中心这个耗能大户来说具有极为重要的意义。

6. 储能技术的创新对数据中心规划设计的影响重大

从技术原理上讲,储能主要分为以下几类:机械储能、化学储能、电化学储能、电储能、热储能。

机械储能:主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能几种形式

化学储能:主要是指将电力转化为燃气、燃料、化工产品储存。

电化学储能:主要是指电池储能技术,也是目前主要采用的储能技术。

电储能:主要分为超导磁储能和超级电容器技术方向。

热储能:主要分为敏感蓄热装置、热化学储能。

在这里主要介绍在数据中心发展较快的飞轮储能技术(机械储能)和电池储能。

(1)飞轮储能技术

飞轮储能实质是无电池技术。该技术是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量储存的介质,损耗低,效率高。在市电正常时,磁悬浮飞轮储能装置相当于一台电动机,将电能转化为飞轮转动的动能(机械能)储存起来。在市电异常和停电的情况下,磁悬浮飞轮储能装置相当于一台发电机,将飞轮转动的动能转化为电能。

飞轮储能技术可以和UPS结合应用,称为动态UPS;也可与柴油发电机结合,衍生出柴油耦合动态UPS。因为无需电池,极大的降低了维护成本和运营成本,为IT设备节省的空间增加了运营效益。飞轮储能技术尚处于市场开发和推广的阶段。

(2)电池储能

数据中心UPS系统使用的蓄电池目前仍然以阀控铅酸蓄电池为主。铅酸蓄电池有很多优点,如技术成熟,性能稳定可靠,成本低、报废回收利用率较高等优点,也存在着对环境温度要求较高、体积较大、重量较重、存在污染等问题。对于数据中心业主来讲,出柜率是永恒的话题,如何在基础设施尽可能少占地的情况下,最大化的多出机柜,也是设计师需要重点考虑的问题。

新型电池的出现为以上需求提供了可能的解决方案。

新型电池主要有锂电池、镍锌电池(NiZn)、铅碳电池、燃料电池等类型。电池技术的研发处于战国时代,其中磷酸铁锂电池技术较为成熟,是较有可能成为替代铅酸电池的电池类型。

电池技术的进步将对数据中心规划设计带来重大影响。

结束语

数据中心作为新型基础设施,已经被纳入到国家整体发展规划中,如何在“双碳”政策背景下规划建设好绿色、低碳或零碳数据中心,是摆在数据中心科技工作者面前的课题。

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