數據中心高能耗怎么破？鋰離子電池儲能是最新沖破口！

導語：無論是風冷，還是液冷，亦或是使用鋰離子電池，真正的目標是數據中心要怎么樣在滿足大數據時代的發展需求和節能方面達到一個平衡，從而實現數據中心的綠色可繼續發展。

你見過真正的數據中心嗎？

“棟棟大樓矗立園區，井井有條地排列著。穿上‘鞋套’，走進其中一棟大樓，里面機器轟鳴，一眼望去，全是一排排的黑色機柜，機柜中的設備不停閃爍。雖是夏日，但大樓里卻有點冷。”這是筆者參觀某公司數據中心所見。

無論是打車、網購，還是刷新聞、看視頻和點外賣……這些行為的背后都離不開數據中心。可以說，數據中心已經成為互聯網使用和服務的基石。

數據爆炸與數據中心耗電量

隨著云計算、人工智能、大數據、物聯網和移動互聯網的深入發展，數據中心迎來新的發展機遇。一方面，數據中心步入快速發展階段;另一方面，它卻面臨能耗過高的問題。中國8.29億網民在2018年萌生了7.6ZB的數據量，并且數據量還將以每年30%的速度增長。到2025年，中國智能互聯設備將達到800億，整個數據量將高達48.6ZB。

數據的爆炸式增長，背后是數據中心驚人的耗電量。從全球來看，到2025年，數據中心將占到全球能耗的最大份額，高達33%;從國內看，全國數據中心的耗電量已連續8年超過12%的速度增長。2017年，國內數據中心總耗電量達到1200-1300千瓦時，這個數字超過三峽大壩和葛洲壩電廠發電量之和。預計，到2020年，中國數據中心耗電量為2962億千瓦時，2025年高達3842.2億千瓦時。

并且，隨著5G時代到來，數據中心耗電量將快速增加。居高不下的耗電量、溫室氣體的排放、大量的水資源消耗和設備報廢后的環境污染……數據中心數量與規模的快速增長已經為資源與環境帶來巨大挑戰，綠色數據中心呼之欲出。

國家政策的驅動力

2019年2月14日，國家工信部、國家機關事務管理局和國家能源局三部委聯合發布《關于增強綠色數據中心建設的指揮意見》(以下簡稱《意見》)。

《意見》指出：大力推動綠色數據中心創建、運維和改造，引導數據中心走高效、清潔、集約、循環的綠色發展道路，實現數據中心繼續健康發展。

《意見》的主要目標是：建立健全綠色數據中心標準評價體系和能源資源監管體系，打造一批綠色數據中心先進典型，形成一批具有創新性的綠色技術產品、處理方案，培育一批專業第三方綠色服務機構。到2022年，數據中心均勻能耗基本達到國際先進水平，新建大型、超大型數據中心的電能使用效率值達到1.4以下，高能耗老舊設備基本淘汰，水資源利用效率和清潔能源使用比例大幅提升，廢舊電器電子產品得到有效回收利用。

對新建數據中心，《意見》稱“鼓勵采用液冷、分布式供電、模塊化機房以及虛擬化、云化IT資源等高效系統設計方案”，并“引導大型和超大型數據中心設計電能使用效率值不高于1.4”。

對在用數據中心，意見指示“有序推動數據中心開展節能與綠色化改造工程”，“力爭通過改造使既有大型、超大型數據中心電能使用效率值不高于1.8”。

依據IDC發布的《2019中國企業綠色計算與可繼續發展研究報告》聲明，雖然中國企業數據中心能源使用效率(PUE)值分明改善，但仍舊有85%的受訪企業數據中心的能源使用效率在1.5-2.0之間，將來仍有很大的提升空間。

關于數據中心高能耗問題，施耐德電氣方面表示，“讓數據中心變‘綠’不只是政策要求。事實上，在節能之外，綠色數據中心之‘綠’還涵蓋多個環境要素，比如廢舊鉛酸電池若解決不當，鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬會對環境造成危害。”

并且三部委《意見》明確指出，水資源利用效率和清潔能源使用比例大幅提升，廢舊電器電子產品得到有效回收利用。

核心問題：數據中為甚么如此耗能？

數據中心高能耗萌生的原由有哪些？人們使用電腦或手機，都有這樣的感受：時間一長，它們會發燙。道理相同，數據中心規模龐大，里面有大量的服務器、存儲設備和交換機以及千億級別的芯片，發燙程度非電腦和手機可以相比。因此，數據中心大量的電力被用于冷卻。

可以說，冷卻效率的高低對數據中心高能耗有著決定性影響。

科技巨頭的數據中心怎么節能？

為處理數據中心能耗問題，企業“簡直是無所不用其極”。

比如將數據中心建在北極圈內(如Facebook)、數據中心沉于海底(如微軟)、數據中心“藏”于山洞(如騰訊)等。這種種措施都是為了利用自然冷源給數據中心提供更高的能效，減少制冷方面能耗的損失。

1.Facebook北極圈數據中心

位于瑞典北部，Facebook有一個名為Node Pole的數據中心，解決著用戶發到Facebook上的任何自拍和任何一個“點贊”。

據悉，Node Pole2013年開始運行，藏身于一大片深奧的松林、湖泊和眾群島中間，是Facebook首次在美國以外的地區開設數據中心，同時也是歐洲最大的數據中心之一。Node Pole中心長300米，寬100米，很龐大。

據悉，Node Pole是目前為止能效最高的計算機設施。相對于傳統服務器廠商的產品，這一項目開發的服務器硬件性能高38%，而運營費用則低24%。

這里冬天均勻氣溫差不多零下20度，外界的冷空氣被泵進中心大樓內，服務器萌生的大量熱空氣和進來的冷空氣循環交換，形成自然冷卻的過程。

2016年，Facebook在瑞典呂勒奧建立了一個新的數據中心。該數據中心占地面積相當于6個足球場，離北極圈惟有70英里，這里大多數時間氣溫在零下50度左右。與傳統數據中心相比，新數據中心效率提高10%，同時還省下40%的電能。

2.騰訊貴州數據中心

騰訊在貴安新區建了一座數據中心，全稱是騰訊貴安七星數據中心，坐落于貴州貴安新區兩座山的山體中。

據悉，整個數據中心總占地面積約為47萬平方米，隧洞的面積超過3萬平方米，能塞下4個標準足球場還有富余，它能存放30萬臺服務器。

這座數據中心采用了騰訊字數研發的第四代數據中心技術——T-block。其中，T是騰訊，block就是積木。T-block就是把機房的建設模式當作積木來看。經過工信部實測，其極限PUE(能源使用率，越接近1能效水平越好)將達1.1左右，而國內新建數據中心的均勻PUE是1.73。

3.微軟海底數據中心

2018年6月，微軟在英國蘇格蘭奧克尼群島附近的北部島嶼數據中心海底負載試運行。

據悉，該項目稱為Natick，被微軟CEO 薩提亞·納德拉比作“登月計劃”。該數據中心為圓柱體模樣，長40英尺，里面放了12個機架，有864臺服務器以及相關冷卻系統設施。

眾所周知，世界上深海海水一直很冷，它可以為數據中心提供隨時且免費的高效冷卻方式。

干貨：數據中心的節能技術探討

在施耐德電氣看來，數據中心的節能技術按照顆粒度分配，類似于一座金字塔，最基礎的是設備層級的節能，比如通過選擇模塊化設備獲得精準能量控制;另一方面是不斷優化設備效率。

第二個層級是系統級節能，PUE里則是最大化IT負荷所在系統的獲得和最小化非IT層面的獲得，這方面技術非常豐富，比如最近流行的間接新風冷卻系統、AI型智能管理系統，這需要多個設備相互協同。

第三個層級是戰略層級。這需要企業制定自己的能源戰略，對不同PUE分配單元進行實時測試、統計和制定獎懲制度。比如，企業應設立自己的首席能效官。

施耐德方面表示，“也可以從能源的生命周期來分配，即能源的萌生、分配、再利用。比如蘋果在國內建設的光伏型數據中心，從設計初就需要全盤考慮，做到精準分配需求。國內很多數據中心的設計往往一步到位，容量多數過度設計，需要增強分期或分模塊設計能力。”

風冷和液冷的區別

當今，數據中心依然以風冷為主，但是當機柜功率密度超過20千瓦時，傳統風冷技術將面臨風量、功耗、噪音等方面的挑戰，因此液冷是一種不錯的技術選擇。

施耐德電氣方面稱，“傳統風冷方式很難實現政府管理部門對數據中心PUE值的要求，這也將成為推動液冷興起的緊要驅動因素。”

液冷技術的價值在于，一是強冷卻力。液冷的冷卻能力是空氣的1000-3000倍，可實現超高密度制冷。二是低PUE值，全地域/全年自然冷卻，PUE值可低至1.01-1.02。三是精確制冷，部件級制冷，溫度恒定，保證元器件高性能，穩定工作。四是低噪音。無壓縮機、無風扇，噪音低于50dB。

目前，市場上主要有兩種液冷處理方案：一是芯片級液冷(又稱冷板式液冷)，二是浸沒式液冷。

這兩種液冷方式各有優缺點：冷板式可以對絕大多數傳統服務器進行翻新，缺點是其他部件依然需要傳統房間空調進行冷卻。浸沒式的優勢是消除了對傳統服務器風扇的需求，但需要對服務器主板進行重新設計。

依據筆者獲得的一份資料，傳統風冷PUE值在1.4以上，冷板式液冷小于1.2，浸沒相變式液冷小于1.05。

據悉，施耐德電氣從數據中心、樓宇角度進行了投資成本和運行成本的分解，發現：浸沒式液冷相對于冷板式液冷在TCO方面是占優的。如果單從制冷系統的節能角度來看，冷板式液冷可以節省15%以上，浸沒式能節省57%以上。如果從整個數據中心能耗的角度來看，冷板式可以節省5%年度能耗，浸沒式可以節省15%年度能耗。

更進一步說，浸沒式液冷價值更高。

一是更高換熱效率。冷媒與發熱器件筆直接觸，減少了接觸熱阻。采用相變換熱，潛熱為比熱的數百倍。二是更高可靠性。一次性處理全部元器件的散熱問題，采用全浸沒方式，內部溫度場平均，器件可靠性更有保障。

三是更高性能。CPU等主要電子芯片溫度降低且不隨負載波動，即提高了計算機硬件的可靠性和性能。四是無泄漏風險。采用絕緣、環保的冷卻液體，即使發生泄露對計算機硬件和外界環境均無任何風險。五是更低噪音。服務器內部無風扇，噪音可控制在45dB以下。六是更加節能。無風扇設計，PUE值低至1.05以下。

施耐德電氣認為，冷卻液對實現液冷的使用非常關鍵。關于冷卻液的討論主要聚集在冷卻液的價格、與IT設備的兼容性、傳熱特性、環境影響以及從整個生命周期角度考慮問題。

新的沖破口：鋰離子電池

在新建綠色數據中心方面，施耐德電氣把鋰離子電池視為一個沖破口。眾所周知，對整個數據中心來說，以UPS設備為核心的整個供電系統，是支撐整個數據中心平穩運行的最核心部分。而蓄電池又是整個供電系統中最緊要的組成之一。

與傳統的鉛酸電池相比較，鋰離子電池憑借其出色的特性，包括較高的能量密度 (70-260 kWh/kg vs. 15-50 kWh/kg)、較長的生命周期 (10-15 年 vs. 4-6 年) ，快速充電(1/2–1 小時 vs. 6-12 小時)，占地節省50-80%，重量減輕 60-80%，充放電次數 >1000 循環 vs. <400 循環等，會逐漸取代傳統的鉛酸電池成為數據中心UPS首選的備用電池。

依據Uptime在2017年所做的全球數據中心調研顯示，有10%的數據中心已經采用鋰離子電池作為后備能源。相比于一般鉛酸電池，鋰離子電池具有重量輕、儲能高、自放電低，并且生命周期長等眾多優勢。

一方面，對于數據中心行業來說，能否最大限度地利用現有空間，最大限度減少運營費用，特別是UPS電源冷卻能耗，電池維修和電池更換服務費用尤為緊要。而鋰離子電池因為其優良的性能成為處理這些問題的關鍵，如鋰離子電池多次充放電的特性會萌生經濟效益，比如峰谷電價的削峰填谷。

另一方面，鋰離子電池不含鉛、鎳、鉻等重金屬，成為綠色環保的首選。

將來隨著新能源以及儲能成本的降低，通過鋰離子電池儲能來降低成本和實現數據中心的可繼續性發展目標成為可能。

原標題:數據中心高能耗怎么破？這篇4000字長文讓你看懂

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