《意见》指出,引导大型和超大型数据中心设计电能使用效率值不高于1.4;力争通过改造使既有大型、超大型数据中心电能使用效率值不高于1.8。
基本原则
政策引领、市场主导。充分发挥市场配置资源的决定性作用,调动各类市场主体的积极性、创造性。更好发挥政府在规划、政策引导和市场监管中的作用,着力构建有效激励约束机制,激发绿色数据中心建设活力。
改造存量、优化增量。建立绿色运维管理体系,加快现有数据中心节能挖潜与技术改造,提高资源能源利用效率。强化绿色设计、采购和施工,全面实现绿色增量。
创新驱动、服务先行。大力培育市场创新主体,加快建立绿色数据中心服务平台,完善标准和技术服务体系,推动关键技术、服务模式的创新,引导绿色水平提升。
主要目标
建立健全绿色数据中心标准评价体系和能源资源监管体系,打造一批绿色数据中心先进典型,形成一批具有创新性的绿色技术产品、解决方案,培育一批专业第三方绿色服务机构。到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下,高能耗老旧设备基本淘汰,水资源利用效率和清洁能源应用比例大幅提升,废旧电器电子产品得到有效回收利用。
重点任务
(一)提升新建数据中心绿色发展水平
1. 强化绿色设计
加强对新建数据中心在IT设备、机架布局、制冷和散热系统、供配电系统以及清洁能源利用系统等方面的绿色化设计指导。鼓励采用液冷、分布式供电、模块化机房以及虚拟化、云化IT资源等高效系统设计方案,充分考虑动力环境系统与IT设备运行状态的精准适配;鼓励在自有场所建设自然冷源、自有系统余热回收利用或可再生能源发电等清洁能源利用系统;鼓励应用数值模拟技术进行热场仿真分析,验证设计冷量及机房流场特性。引导大型和超大型数据中心设计电能使用效率值不高于1.4。
2. 深化绿色施工和采购
引导数据中心在新建及改造工程建设中实施绿色施工,在保证质量、安全基本要求的同时,最大限度地节约能源资源,减少对环境负面影响,实现节能、节地、节水、节材和环境保护。严格执行《电器电子产品有害物质限制使用管理办法》和《电子电气产品中限用物质的限量要求》(GB/T 26572)等规范要求,鼓励数据中心使用绿色电力和满足绿色设计产品评价等要求的绿色产品,并逐步建立健全绿色供应链管理制度。
(二)加强在用数据中心绿色运维和改造
1.完善绿色运行维护制度
指导数据中心建立绿色运维管理体系,明确节能、节水、资源综合利用等方面发展目标,制定相应工作计划和考核办法;结合气候环境和自身负载变化、运营成本等因素科学制定运维策略;建立能源资源信息化管控系统,强化对电能使用效率值等绿色指标的设置和管理,并对能源资源消耗进行实时分析和智能化调控,力争实现机械制冷与自然冷源高效协同;在保障安全、可靠、稳定的基础上,确保实际能源资源利用水平不低于设计水平。
2.有序推动节能与绿色化改造
有序推动数据中心开展节能与绿色化改造工程,特别是能源资源利用效率较低的在用老旧数据中心。加强在设备布局、制冷架构、外围护结构(密封、遮阳、保温等)、供配电方式、单机柜功率密度以及各系统的智能运行策略等方面的技术改造和优化升级。鼓励对改造工程进行绿色测评。力争通过改造使既有大型、超大型数据中心电能使用效率值不高于1.8。
3. 加强废旧电器电子产品处理
加快高耗能设备淘汰,指导数据中心科学制定老旧设备更新方案,建立规范化、可追溯的产品应用档案,并与产品生产企业、有相应资质的回收企业共同建立废旧电器电子产品回收体系。在满足可靠性要求的前提下,试点梯次利用动力电池作为数据中心削峰填谷的储能电池。推动产品生产、回收企业加快废旧电器电子产品资源化利用,推行产品源头控制、绿色生产,在产品全生命周期中最大限度提升资源利用效率。
(三)加快绿色技术产品创新推广
1. 加快绿色关键和共性技术产品研发创新
鼓励数据中心骨干企业、科研院所、行业组织等加强技术协同创新与合作,构建产学研用、上下游协同的绿色数据中心技术创新体系,推动形成绿色产业集群发展。重点加快能效水效提升、有毒有害物质使用控制、废弃设备及电池回收利用、信息化管控系统、仿真模拟热管理和可再生能源、分布式供能、微电网利用等领域新技术、新产品的研发与创新,研究制定相关技术产品标准规范。
2. 加快先进适用绿色技术产品推广应用
加快绿色数据中心先进适用技术产品推广应用,重点包括:一是高效IT设备,包括液冷服务器、高密度集成IT设备、高转换率电源模块、模块化机房等;二是高效制冷系统,包括热管背板、间接式蒸发冷却、行级空调、自动喷淋等;三是高效供配电系统,包括分布式供能、市电直供、高压直流供电、不间断供电系统ECO模式、模块化UPS等;四是高效辅助系统,包括分布式光伏、高效照明、储能电池管理、能效环境集成监控等。
(四)提升绿色支撑服务能力
1. 完善标准体系
充分发挥标准对绿色数据中心建设的支撑作用,促进绿色数据中心提标升级。建立健全覆盖设计、建设、运维、测评和技术产品等方面的绿色数据中心标准体系,加强标准宣贯,强化标准配套衔接。加强国际标准话语权,积极推动与国际标准的互信互认。以相关测评标准为基础,建立自我评价、社会评价和政府引导相结合的绿色数据中心评价机制,探索形成公开透明的评价结果发布渠道。
2.培育第三方服务机构
加快培育具有公益性质的第三方服务机构,鼓励其创新绿色评价及服务模式,向数据中心提供咨询、检测、评价、审计等服务。鼓励数据中心自主利用第三方服务机构开展绿色评测,并依据评测结果开展有实效的绿色技术改造和运维优化。依托高等院校、科研院所、第三方服务等机构建立多元化绿色数据中心人才培训体系,强化对绿色数据中心人才的培养。
(五)探索与创新市场推动机制
鼓励数据中心和节能服务公司拓展合同能源管理,研究节能量交易机制,探索绿色数据中心融资租赁等金融服务模式。鼓励数据中心直接与可再生能源发电企业开展电力交易,购买可再生能源绿色电力证书。探索建立绿色数据中心技术创新和推广应用的激励机制和融资平台,完善多元化投融资体系。
保障措施
(一)加强组织领导。工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局建立协调机制,强化在政策、标准、行业管理等方面的沟通协作,加强对地方相关工作的指导。各地工业和信息化、机关事务、能源主管部门要充分认识绿色数据中心建设的重要意义,结合实际制定相关政策措施,充分发挥行业协会、产业联盟等机构的桥梁纽带作用,切实推动绿色数据中心建设。
(二)加强行业监管。在数据中心重点应用领域和地区,了解既有数据中心绿色发展水平,研究数据中心绿色发展现状。将重点用能数据中心纳入工业和通信业节能监察范围,督促开展节能与绿色化改造工程。推动建立数据中心节能降耗承诺、信息依法公示、社会监督和违规惩戒制度。遴选绿色数据中心优秀典型,定期发布《国家绿色数据中心名单》。充分发挥公共机构特别是党政机关在绿色数据中心建设的示范引领作用,率先在公共机构组织开展数据中心绿色测评、节能与绿色化改造等工作。
(三)加强政策支持。充分利用绿色制造、节能减排等现有资金渠道,发挥节能节水、环境保护专用设备所得税优惠政策和绿色信贷、首台(套)重大技术装备保险补偿机制支持各领域绿色数据中心创建工作。优先给予绿色数据中心直供电、大工业用电、多路市电引入等用电优惠和政策支持。加大政府采购政策支持力度,引导国家机关、企事业单位优先采购绿色数据中心所提供的机房租赁、云服务、大数据等方面服务。
(四)加强公共服务。整合行业现有资源,建立集政策宣传、技术交流推广、人才培训、数据分析诊断等服务于一体的国家绿色数据中心公共服务平台。加强专家库建设和管理,发挥专家在决策建议、理论指导、专业咨询等方面的积极作用。持续发布《绿色数据中心先进适用技术产品目录》,加快创新成果转化应用和产业化发展。鼓励相关企事业单位、行业组织积极开展技术产品交流推广活动,鼓励有条件的企业、高校、科研院所针对绿色数据中心关键和共性技术产品建立实验室或者工程中心。
(五)加强国际交流合作。充分利用现有国际合作交流机制和平台,加强在绿色数据中心技术产品、标准制定、人才培养等方面的交流与合作,举办专业培训、技术和政策研讨会、论坛等活动,打造一批具有国际竞争力的绿色数据中心,形成相关技术产品整体解决方案。结合“一带一路”倡议等国家重大战略,加快开拓国际市场,推动优势技术和服务走出去。
结语
据悉,在数据中心当前的后期运营,能耗是最大成本,占比超过50%。降低能耗效率(PUE)值,一直是业界相关部门关心的重点。
工信部在2017年4月发布的《关于加强“十 三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》中指出:“十二五”期间新建大型数据中心的能耗效率(PUE)要普遍低于1.5;到2020年,新建大型、超大型数据中心的能耗效率(PUE)值必须达到1.4 以下。
去年3月,工信部首次公布的《全国数据中心应用发展指引》中称:全国超大型数据中心平均PUE(平均电能使用效率)为1.50,大型数据中心平均PUE为1.69。而根据“十三五规划”,到2020年,新建大型云计算数据中心PUE值将不得高于1.4。
如今,三部门联手针对绿色数据中心建设进一步提出了明确的指导意见。在这样的大背景下,数据中心运营商如何运用新技术、新架构降低能源降耗,实现数据中心的绿色发展,将成为行业的关注热点,与此同时,节能降耗的大趋势之下,也将带来更多的市场机遇。
PUE不大于1.4在空调技术上是可行的。制约PUE的,我认为,现阶段主要是冷却技术、空调技术、如何高效排热的问题。贴一个清华大学江亿院士的演讲:
各位来宾、各位专家、各位领导早上好!我好象是第一次参加绿色数据中心的技术大会,因为咱们不是搞计算机这行的,是搞空调,搞建筑节能的,但是好象也慢慢把我们推到这个行业了。为什么?是因为空调的能耗或者说派热降温的能耗在数据中心里占了比较大的比例。所以,刚才我听前面这位领导讲数据中心都快到了运行这个程度了,运行主要是能源消耗,能源消耗里就40%或者更多是空调的能耗。所以,怎么能够降低空调的能耗,一方面给国家的节能减排作贡献,一方面也使我们数据行业产生更好的经济效益,就变成重要的问题了,所以我今天跟大家汇报一下我们在这方面的想法跟体会。
从空调的特点来看,现在随着计算机电子技术的发展,芯片技术都比原来高,主机的发热度越来越大,这样导致空调排热成为这里面大的部分。后面有一些细的发展状况不说了,就直接看到空调里头。现在统计大致的结果,对于中小型的数据中心大概PUE值都在2,或者以上,这是空调占了一半或者还多的一个能源消耗。对大型的IDC机房管理做的比较好的,这时候空调效率相对比较高,但是也能占到40%左右的能耗。
所以,降低数据中心的能耗可能一个是提高服务器的使用效率,没活儿的让它歇着,一方面减少了空气的运行能耗,当然,电源也有可以提高的技术。空调应该有很大的潜力,空调里面的能耗由什么构成?以前一想说制冷机,压缩机耗电多,实际上压缩机耗电在50%-60%左右,除了压缩机之外,风机也能占在40%或者更多的空调耗能。
现在的情况什么样?大概有这么几块:第一、因为全年制冷,所以绝大部分的数据中心制冷机都开了,这是一年来总的空调的考点状况,可以看出冬天、夏天区别很少,北京、上海、广州冷的地方,热的地方区别很少,应该说冬天天凉了,北京空调越来越大幅度下来,这个变化也不大,所以全年度在这儿用。然后,有关发热密度非常大,负责把这些热量排走,所以循环风特别大。并且风吹的还厉害,不行把风量减少,降低送风温度,但是当冷源温度低于屋子里温度的时候,蒸发器就凝水,恨不得天天都出湿,出了湿又怕屋子里太干,所以又有了一些加湿器,这边除湿,那边又得加湿,又得用电,冬天大冷的天还得制冷,这构成了现在数据中心,无论是大的,还是小的空调能源消耗高的主要问题。
有这样问题是坏事儿,反过来又是好事儿。说明咱们在这儿的潜力特别大,有很大的潜力可以把空调能源消耗降下来。那么,走哪条道?怎么做?一听说这个空调跟你们建筑节能是一码事,建筑节能都抓围护结构保温,咱们整这个,围护结构,效果非常小,或者无效果,为什么?因为一个IDC密一点的机房一平米大概产热量3-5千万,通过围护结构进入或者出去的热量不会超过折合在占地面积上不会超过50瓦,所以,围护结构的影响很小,就是1%,2%的影响。当然,通过一些技术,避免外墙直接太阳辐射,比来我这儿热,再拿太阳照我,尽可能的密闭,别让风进来,这是很重要的。可能有些专家说,风渗进来,有什么不好,如果房子做的不密闭,就是不可控制的室外渗风,是凉快了,但是湿度下降了,夏天热容器不好,而且由于室外的湿度变化大,我数据中心里面希望湿度维持基本稳定不变,给我添加湿、除湿的麻烦事儿。因此,通过各方面应该把房子做密闭了,对目前来说不是保温的事儿,而且密闭的事儿,密闭最重要。
那么,怎么把热量排出去,马上前几年一些企业想办法说既然冬天不开制冷机,而且外边凉,最简单的通风换气吧,是通过凉风进来,把热量排走,这是有点节能,但是恐怕数据中心这么做不太合适,为什么?室外的灰尘赃,机器得干净,湿度室外是变化的,夏天北京的一立方米空气有2克的水汽,另外中国是烧煤的国家,70%的化石能源都来自于煤,燃煤就出硫,硫化物到室内,就会导致表面发生腐蚀现象,所以这是不行,您的冷却系统是为主机服务的,要是有损于主机,无论是灰尘还是硫化物,还有湿度都会影响主机的寿命,这是绝对不能有的。因此,说就想法通过过滤消除灰尘,想法加湿、除湿改变湿度,想法脱硫,当把这些东西都架上,就发现投入的成本和能源消耗就不低了,而且维护管理的工作量立刻上去了,那么这么大的数据中心要求高可靠性运行,于是这事儿有点别扭了。
还有通过热交换把凉气取回来,这个思路是挺好,对于一些小规模的计算中心,像一个大楼里的数据中心有时候还可以,但是对于大规模的机房是无法实现的,是因为直接走风道这么大发热量得有多大的风量直接室外来回换气,风道的体积在那儿摆着不合适,然后维护工作量非常大,尤其还是赃。所以,室外的低温必须想法用上,是通过室外的新风,怎么通过某种能量凉下来,最后把机器里面的热量带走。
所以,整个的数据中心的空调跟咱们楼里的空调概念不一样,它的核心事儿就是怎么把芯片那儿出来的热量通过某种介质传热,传完之后,几次交换,最后导到室外去就这么一个任务。所以,这时候根本目标就是让芯片的温度不要超过标准温度,然后把这个温度排出来。这样芯片表面温度和冷源温度的差跟热阻成正比,就是怎么把这个等效热阻降低了核心的事儿就变成了这么一个问题。温差小就是如果我芯片温度不许超过40度,如果我的温差是20度,只要室外温度低于20度,我就不用开冷空气就可以把热量排走,所以就要减少等效热阻。那么,这个等效热阻由什么构成?发现就像咱们的一个网络,三个电阻,三个等效热阻,哪三个过程?一个就是芯片跟空气之间的换热环节,这个差越大,温差就越大,比如我可以取平均温度,等效热阻就是这块面积除以热量,第一个环节就是容器跟芯片表面换热的环节。第二个环节,比如说我有一个精密空调跟水,或者室外的冷水换热,这冷水跟容器之间的换热环节,我们叫输送与换热热阻。第三个环节,循环介质与冷源之间换气,叫做冷源换热热阻。比如说室内温度到20度,实际只欠10度的温差,这时候冷空机提供的活儿就是这10度的温差。所以,把热阻减少了,无论是用自然冷源还是开冷风机都可以降低功耗。因此,核心的问题就是把这三个环节的热阻降下来。所以,就三个关键,第一、降低热量采集过程的热阻,同时不增加风机电耗。第二、降低热量传输过程中的热阻,同时不增加传输电耗。第三、找到温度更低的自然冷源,但是别破坏环境。
下面逐条看,采集过程中的热阻,实际的采集热阻,除了空气跟芯片换热之外,还有相当大的消耗是机房里面冷风跟热风的互相搀混,制冷机就是把冷风热的温度分开,分出冷热风,这个屋子里面又没地儿跑,又搀混起来了,所以避免冷风热机的搀混。比如说要是给定芯片温度,当搀混小的时候,回风温度可以更紧的接近芯片,如果我恒定芯片温度回风少的时候,这样就可以更大程度的利用这个资源。有一些实测的数据,是在大的IC机房里实测的,大家可以看出来,比如冷通道进来,从机房送出来应该这儿是16点几度,到这儿怎么就能30多度呢?它这儿上面还有一块挡,这30多度是哪儿来的?就是因为部分的过了服务器之后,服务器里面有空档,空档的热风又渗回来了,热风跟这些东西搀混到这些地儿,能到35度。为了保证上面服务器的这些效果,于是就得降低送风温度,为了保证上面差不多,结果把这个温差就拉大了,导致整个的冷交热的增加。所以,这儿看着排风有40度的,这些排风35、36度,总的到空调下一看,派风温度才28度,怎么降下来了?就是凉风过去跟热风搀和起来了,这样芯片大概在45度以上。如果避免了这些混合之后,就可以把回风温度很容易提高到35度,输送温度也可以提高到20度,保持芯片温度最高的温度不变,于是这温差小多了,采集的等效热阻下来了。当然,具体计算可以拿出温度差仔细算出来知道什么毛病,总的指导思想是这样的。所以,在机柜顶部架一些挡板,这样能够有点改善。但是由于金桂内刀片式服务器之间不可避免存在气流短路现象,因此,仍存在短路现象,使冷气流通道内有旁通过来的热气流,热气流通道内也会有旁通过来的冷气流。
还有就是直接把换热器安装在机柜内,在机柜内或者机柜旁制备冷空气,可以有效减少掺混这样现象,降低热量采集过程温差,可以减少风量、丰足,大幅降低风机电耗。所以,这是很重要一条,但是不能让柜子出水。
这样有一种做法,就是采用背板冷却,将空调系统热换器安装在装载IT设备的机柜上,根据机房内各个不同的机柜实现按需供冷,避免局部热。分布式制冷系统使空调系统的吸热端更接近热源。这是第一个减少采热采集过程中的热阻。
第二减少输配过程中的热阻,实际这个环节比如一条空调器,是空气跟水的换热,那么空气温度是这样的,水温度是这样的,就会看到有时候往往都不是平衡的,是带三角形性质的,只要带三角形性质,就浪费一部分温差。所以,想法调整两边的流量,使得两边的温差接近,可以有效的降低数配系统的等效热阻,或者减少等效温差。有时候说是由于我用背板,或者机柜里的换热器那里面不是走水,无论是走二氧化碳,还是走氟利昂,这是机柜内送派风温度,这是热管温度,这是室外侧进出口温度,是这么一个过程,(如图所示),还有一种换热器,每排的热管单独连接,这时候室内室外的温度就变小多了,尽管换热面积一样,它就强多了。当然,这样会导致热管布置起来要复杂,但是在二者之间,总有一个好的权衡去减少输送过程的热阻或者说降低它的温差。
第三条就是到底我们用什么样的室外的自然冷源和怎么把这自然冷源跟我的机械制冷有机的统一结合起来?因为有时候天热还得开冷机,这二者之间能不能实现一个比较自然的转换?我们现在看看到底把这个热量往哪儿排,实际在空气里面并不是一个空气的问题,咱们有三种温度,一种就是空气的干球温度,像今天大概室外27、28度,是天气预报说的温度。直接换热就是干球温度。但是,如果我对外面拿冷却塔喷水,就是湿球温度,大概23、24度。比如到五一湿球温度比干球温度低的多,所以通过冷却塔就可以降低湿球温度,还可不可以再降低,还有一种就是间接蒸发冷却,西部地区很多地方用它做空调,它可以把试问降到室外的露点温度,像现在这个时候,北京的露点温度低于20度了。
这是拿北京气侯为例,蓝的是全球的干球温度,红的是湿球温度,绿的是全年的露点温度的变化。所以,我要是安全露点温度考虑问题,全年北京市5876小时低于20度的时间占全年的67%,如果热阻做好了,就只有10%几的时间,做不好,15度的时候,露点温度也能占到77%的时间。所以这个比例还是挺大的。
那么,怎么跟制冷机统一起来,实现无缝连接,自然过渡呢?这是一个方案,包括几部分,先说柜子,刚才我讲背板式的换热,现在是上下的换热,屋子里的空气26度,从这儿进入机柜,两组换热器,一组一个管给19度,一个管给16度,经过两种换热,从26度到20度,经过发热的服务器,达到32度,然后经过两组换热器降温,又变成26度,再回来,维持屋子里的温度是26度,不是靠屋子里别地儿装的孔,而是靠这个机柜,屋子里的温度是由机柜决定的,由于屋子里的温度是16度,露点温度只有12、13度,我把物资弄密闭了,人也不怎么进去,里面没有湿的事儿。然后,这四组换散热器,拿热管引出来,这四组是16、19、22、25度,然后这个水就是跟这热管换热,把热量都带到水里去,所以从15恩度,涨到24度。然后,24度,如果室外是两管,冷空气不用开,直接经过间接冷却塔就能够把水温降大15度,如果温度再低,只要朝这风机跟这儿的转换装置,能够维持我进入到换热器全年只有15度。当室外温度高到30度,露点温度到18度,这时候冷却塔还能起一点作用,能起1/3的冷量还从这儿出,不足了再拿冷风机降一部分。所以,这个冷风机是连续的就能够使得冷风气从10%的复合逐渐加到5%的复合。冷却塔只要露点温度在20度以下,总能起点作用。
这样一个系统,这儿计算了一下,拿北京的气象条件可以看出来,如果是这么一个机房,跟一般传统的机房来比,咱们就直接取它一年用电量是百分之百,那么即使没有自然冷源,就是拿制冷机做,但是因为我减少了掺混,减少了数配能耗,能够节能40%几。如果用最好的间接冷却方式,用电量只有23%,能够节省70%的电量,所以有巨大的节能潜力。
按照这个思路,我们有一些机房的改造实例,这是清华大学图书馆的一个全校支持整个学老师、同学做研究的数据中心。它原来就是在这个屋子里头摆了一堆空调器,机器多了,热量还大,所以追加了好几台空调器。用了跟刚才这个图差不多的方式,结果总机柜里面的风机降到7千瓦,这时候能效比从2.7涨到8.2,就只用原来1/3的能耗。最热的时候,冷机都得开了,即使如此,能耗还能差一半。所以,全年下来总的能耗消耗能够降低60%左右,这就是一个实际案例,这个还有一些遗憾的地方,就是做得不彻底,做得彻底了,还能够进一步降低消耗量。
总结一下,就是数据中心排热的空调实际上有巨大的节能潜力和节能空间。它的核心是机房的气流组织怎么采集热量合理的空调器,其中几个基本原则,一个就是尽可能避免不同的温度的气流掺混,我们现在对机柜进行空调制冷的目的,不是对机房进行空调制冷,所以尽可能把冷源越贴近发热体越好,充分的利用自然冷源,有各种不同的法子获得不同温度的,然后想法介绍能耗,这样给出去的这些思路,今天讲的某一两个做法,实际在这个思路下发挥创新的精神还可以创造出好些各种各样的方案,真正把数据中心排热的空调能耗降下来。我们觉得完全按照目前大多数方式来比较,有可能把机房的空调节能达到70%以上,相当以机房用电量降低30%以上。刚才我听领导讲,国外发达国家比,机房的PUE到1.2,1.3那跟它机房的位置有关系。在不同的气侯条件下,实际上抓好这几条,以自然冷源为主,适当的加一点机械制冷的补充,解决一年里面20%,25%的节能,完全可以把我们国家不同地方数据中心的空调能耗都有效的降下来,应该做的比发达国家,比美国还好,谢谢大家。
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