隨著近年“大數(shù)據(jù)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”以及“云計算”等新興概念的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為支撐新一代信息技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。截至2017年底，我國在用的各類數(shù)據(jù)中心數(shù)量已經(jīng)超過了28.5萬個，年耗電量接近全社會用電量的2%，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)已成為我國節(jié)能工作的重要關(guān)注點。我國大部分數(shù)據(jù)中心的能耗偏高，這對數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作提出了挑戰(zhàn)。目前，我國數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能發(fā)展應(yīng)貫徹其全生命周期，重點聚焦于空調(diào)系統(tǒng)建設(shè)方法存在問題，主要體現(xiàn)在：冷卻形式選擇、設(shè)備參數(shù)設(shè)計以及后期運維。

一、冷卻系統(tǒng)形式的選擇

我國主流數(shù)據(jù)中心冷卻形式是空調(diào)送風(fēng)形式，由精密空調(diào)為機柜提供冷風(fēng)，帶走服務(wù)器產(chǎn)生的熱量。這種冷卻方式形式簡單，建設(shè)成本較低，但容易產(chǎn)生局部熱點，冷熱風(fēng)摻混導(dǎo)致冷量損失，繁多的換熱環(huán)節(jié)令自然冷源難以得到利用，因此這種形式的冷卻系統(tǒng)冷卻能效偏低。同時，數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展方向是高發(fā)熱密度的數(shù)據(jù)中心，上述傳統(tǒng)形式難以滿足散熱需求。打造未來綠色高效數(shù)據(jù)中心需要更加高效的冷卻形式作為支撐。

數(shù)據(jù)中心冷卻形式分為機房級、機柜級以及服務(wù)器級，傳統(tǒng)空調(diào)送風(fēng)形式屬于機房級，即以機房為冷卻末端進行冷卻。提升冷卻系統(tǒng)效能、減少換熱環(huán)節(jié)最直接的方式就是聚焦冷卻末端，機柜級和服務(wù)器級冷卻系統(tǒng)可以有效地提升冷源溫度，加大自然冷源的利用率，降低冷卻能耗。機柜級冷卻常見的方式是將換熱器置入機柜的頂部或背板處，換熱器內(nèi)的換熱工質(zhì)采用水或者氟利昂。其中，氟利昂更加安全、高效，其依靠變換熱在換熱器內(nèi)從液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)，迅速帶走熱量。服務(wù)器級冷卻則是將工質(zhì)輸送至服務(wù)器內(nèi)部，工質(zhì)與內(nèi)部發(fā)熱元件直接進行熱量交換，換熱環(huán)節(jié)進一步減少，可以大幅提升冷卻系統(tǒng)能效。更高級別的冷卻方式不僅降低了冷卻系統(tǒng)能耗，還可以適用于更高發(fā)熱密度的數(shù)據(jù)中心，合理的冷卻形式選擇是打造綠色數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵。

二、全局及全生命周期參數(shù)優(yōu)化

目前，數(shù)據(jù)中心建設(shè)缺少對設(shè)備參數(shù)、后期運維的優(yōu)化考慮。數(shù)據(jù)中心從建設(shè)到后期運行可以持續(xù)數(shù)十年，后期的運維成本遠高于初期建設(shè)投資。因此，數(shù)據(jù)中心建設(shè)需要從全生命周期角度考慮設(shè)備參數(shù)以及后期運維的優(yōu)化問題。同時，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)擁有若干環(huán)節(jié)，各個換熱環(huán)節(jié)的設(shè)備在運行過程中會相互影響，各個環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計需要相互配合，這就要求參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化也要站在全局角度，對冷卻系統(tǒng)整體的換熱過程進行分析。全生命周期角度需要考慮氣候條件、設(shè)備負載率、設(shè)備折舊等因素，冷卻系統(tǒng)全局角度則需要對每個換熱環(huán)節(jié)建立合理的模型，形成可以描述換熱環(huán)節(jié)整體的數(shù)學(xué)約束，在這些基礎(chǔ)上，就可以從全局及全生命周期角度優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，尋求最優(yōu)的方案，降低冷卻系統(tǒng)能耗以及全生命周期成本。

三、運維控制策略

數(shù)據(jù)中心運維期間的控制策略也有很強的可挖掘性。舉例說明，數(shù)據(jù)中心需要保證內(nèi)部IT設(shè)備處于合理的溫度范圍，而機柜的進風(fēng)溫度存在上限，在能夠保證安全的同時，提升進風(fēng)溫度，就可以有效的降低冷卻系統(tǒng)能耗。但是，溫度上調(diào)多少、溫度上限是多少一方面需要遵循客觀的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范來指導(dǎo)，另一方面需要在數(shù)據(jù)中心運維過程中有針對性的長期摸索、調(diào)控。

在標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，可以通過監(jiān)測數(shù)據(jù)中心實時情況來對控制策略進行調(diào)整，以達到節(jié)能的目的。目前比較前沿的調(diào)控手段是利用人工智能技術(shù)，通過收集大量監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)中心逐時運行參數(shù)來供機器學(xué)習(xí)，利用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練出較好的模型，在預(yù)測下一時刻的熱負荷與環(huán)境變化后，計算出實時的最優(yōu)控制策略。但是，人工智能技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心運維還存在一些缺點。首先，機器學(xué)習(xí)需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，理論上數(shù)據(jù)中心運行時間越長，訓(xùn)練得到的模型更加合理準(zhǔn)確，因此人工智能技術(shù)需要時間上的積累。另外，數(shù)據(jù)的收集需要大量的監(jiān)測點，檢測對象可能包括溫度、水流量、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。同時，在得到經(jīng)過優(yōu)化的控制策略后，策略需要落實，如果從預(yù)測到控制的過程周期較短，僅靠人力去實時調(diào)整便難以實現(xiàn)，所以控制策略的實施需要自動化。因此，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心運維調(diào)控，應(yīng)在建設(shè)初期提前設(shè)計數(shù)據(jù)監(jiān)測收集與調(diào)控實施的方式，在建成后不斷的積累運行數(shù)據(jù)以逐漸得到愈加高效準(zhǔn)確的模型。

四、客觀因素與新能源

數(shù)據(jù)中心全生命周期建設(shè)除了考慮以上數(shù)據(jù)中心形式、參數(shù)和運維，其他影響數(shù)據(jù)中心運行的客觀因素也要在建設(shè)前考慮。例如數(shù)據(jù)中心的選址問題，氣候寒冷的地區(qū)可以為數(shù)據(jù)中心提供非常豐富且容易利用的自然冷源，大幅降低冷卻系統(tǒng)的能耗。若是數(shù)據(jù)中心建在相對炎熱的地區(qū)，可以優(yōu)先考慮機柜級、服務(wù)器級冷卻系統(tǒng)，通過優(yōu)化換熱過程來挖掘自然冷源。另外，還可以考慮將如太陽能、風(fēng)能等新能源接入數(shù)據(jù)中心，優(yōu)先利用清潔能源，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能源結(jié)構(gòu)。

綜上，打造綠色高效數(shù)據(jù)中心需要在全生命周期的起始環(huán)節(jié)規(guī)劃設(shè)計階段給予足夠的重視，并且具體問題具體分析，考慮到如根據(jù)氣候選址、依托自然冷源等的客觀因素。要做到依據(jù)數(shù)據(jù)中心發(fā)熱密度以及氣候條件等因素合理選擇冷卻形式，高級別的冷卻形式可以從原理上改變數(shù)據(jù)中心傳熱方式，可以優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，提升數(shù)據(jù)中心利用自然冷源的能力，降低全年冷卻能耗。數(shù)據(jù)中心建設(shè)時期要從全生命周期及全局角度考慮數(shù)據(jù)中心設(shè)備參數(shù)設(shè)計，要考慮到后期運行時的客觀因素以及數(shù)據(jù)中心各換熱環(huán)節(jié)的相互影響與配合，降低數(shù)據(jù)中心全生命周期的能耗與成本。數(shù)據(jù)中心運維時期要注意控制策略上的調(diào)整，在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)調(diào)控運行參數(shù)，進一步降低冷卻系統(tǒng)能耗。未來數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)化需注意以上從設(shè)計、建設(shè)到運維全生命周期綜合考量，致力打造高效、清潔的綠色數(shù)據(jù)中心。

作者簡介：

張興，現(xiàn)任清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，工程熱物理研究所所長，熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室副主任。

過增元，工程熱物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士，清華大學(xué)工程力學(xué)系教授。研究方向主要為熱科學(xué)與技術(shù)研究，涉及熱流體、熱等離子體、微重力條件下的流動與傳熱、微尺度傳熱和傳熱強化等方面。