當(dāng)下，節(jié)能減排已經(jīng)成為全球備受關(guān)注的幾個(gè)熱點(diǎn)詞匯之一。然而比起飽受詬病的鋼鐵與水泥等行業(yè)，信息技術(shù)領(lǐng)域的能耗問(wèn)題卻往往被人們所忽視。
有研究指出，目前信息技術(shù)行業(yè)的碳排放已經(jīng)成為全世界所有碳排放的主要來(lái)源之一。預(yù)計(jì)到2020年，信息技術(shù)領(lǐng)域的碳排放總量將達(dá)到15.4億噸。
就信息技術(shù)行業(yè)內(nèi)部而言，數(shù)據(jù)中心無(wú)疑是能耗“貢獻(xiàn)度”最大的部分。數(shù)據(jù)顯示，2015年，數(shù)據(jù)中心耗電量已經(jīng)逼近1000億度，約占全社會(huì)總電耗的1.6%。加之?dāng)?shù)據(jù)中心正朝著高運(yùn)算速度、高熱流密度的方向發(fā)展，今后單個(gè)機(jī)柜的發(fā)熱量甚至可能達(dá)到10千瓦甚至更高，這就給空調(diào)系統(tǒng)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。
于是，一場(chǎng)關(guān)乎整個(gè)信息技術(shù)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的節(jié)能大戰(zhàn)就此打響。這一次，一支來(lái)自于清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)挺身而出，扛鼎科技創(chuàng)新的大旗，走在了建設(shè)綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效數(shù)據(jù)中心隊(duì)伍的前列。
節(jié)能，刻不容緩
數(shù)據(jù)中心是一類(lèi)特殊建筑，主要用來(lái)集中放置和管理各類(lèi)IT設(shè)備（如服務(wù)器、交換機(jī)、高性能計(jì)算機(jī)、工作站等）及其配套設(shè)備（電源、照明、空調(diào)等），以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、通信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能，為不同需求的用戶(hù)提供實(shí)時(shí)、高效的信息處理服務(wù)。
在數(shù)據(jù)中心的總能耗中，有大約40%是IT設(shè)備的功耗，即服務(wù)器高速運(yùn)算所消耗的電量；約40%是空調(diào)設(shè)備的功耗，包括精密空調(diào)、冷水機(jī)組以及濕度控制設(shè)備等。
為什么傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗如此之高？“主要有兩個(gè)原因：第一是機(jī)房氣流組織非常不合理，第二是自然冷源利用的時(shí)間太短、效率太低。”清華大學(xué)教授李震告訴《科學(xué)新聞》。
在機(jī)房氣流組織方面，目前常見(jiàn)的數(shù)據(jù)中心通常采用架空地板下送風(fēng)技術(shù)，機(jī)柜在機(jī)房中采用背對(duì)背、面對(duì)面的方式擺放，形成冷熱通道。但這種技術(shù)的弊端在于，一旦冷熱通道的氣流發(fā)生混合，就會(huì)產(chǎn)生不必要的摻混溫差，使數(shù)據(jù)中心總傳熱溫差增大，進(jìn)而導(dǎo)致冷機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷上升。
“雖然目前不少數(shù)據(jù)中心均采用了冷熱通道封閉技術(shù)，但實(shí)際上這很難從根本上杜絕冷熱氣流摻混問(wèn)題。”李震坦言。
此外，精密空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水往往需要通過(guò)冷機(jī)制取，這就意味著即便是在冬天，仍需要開(kāi)啟冷機(jī)。但實(shí)際上，我國(guó)北方城市的冬季大多數(shù)時(shí)間氣溫都低于冷水溫度，自然冷源便可直接制取冷水，此時(shí)再開(kāi)啟冷機(jī)，就顯得格外浪費(fèi)。
當(dāng)然，國(guó)內(nèi)外也不乏一些能耗相對(duì)較低的數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)中心大多具有幾個(gè)共同特點(diǎn)。
“首先就是嚴(yán)格選址，數(shù)據(jù)中心選址會(huì)首先考慮寒冷地區(qū)或者靠近海水、湖水的地區(qū)，這樣就可以充分利用冷空氣或冷水等自然冷源。其次是通過(guò)技術(shù)手段減少數(shù)據(jù)中心的總換熱溫差，提高冷源溫度，進(jìn)而提高自然冷源使用時(shí)間。”李震介紹。
創(chuàng)新，迫在眉睫
長(zhǎng)期以來(lái)，李震課題組一直致力于分離式熱管換熱原理、數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)節(jié)能以及基于溶液除濕的工業(yè)余熱回收等研究。實(shí)驗(yàn)室擁有焓差試驗(yàn)臺(tái)、模擬數(shù)據(jù)中心、分離式熱管流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)裝置、沸騰換熱系數(shù)測(cè)量裝置等大型試驗(yàn)臺(tái)，可以針對(duì)熱管系統(tǒng)的流動(dòng)換熱性能、數(shù)據(jù)中心不同級(jí)別的冷卻系統(tǒng)冷卻效果以及空調(diào)系統(tǒng)性能等問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
這一次，針對(duì)現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)存在的兩大頑疾，李震課題組立足實(shí)現(xiàn)國(guó)家目標(biāo)，從全局出發(fā)，創(chuàng)新思路，攻堅(jiān)克難，最終提出了針對(duì)信息技術(shù)行業(yè)的新的節(jié)能解決方案。
首先，課題組選擇采用機(jī)柜和服務(wù)器級(jí)別的冷卻技術(shù)來(lái)替代機(jī)房級(jí)別的冷卻技術(shù)，即采用熱管技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精密空調(diào)。
“熱管可以是以‘熱管背板’的方式直接放置在機(jī)柜的前后柜門(mén)中，就近帶走熱量。這是一種機(jī)柜級(jí)別的冷卻模式，好處是機(jī)柜的進(jìn)出風(fēng)基本相等且等于機(jī)房?jī)?nèi)部溫度，從而可以大大減少氣流摻混。”李震課題組博士何智光介紹。
另外，熱管技術(shù)也可以以“服務(wù)器液體冷卻”的方式呈現(xiàn)。這種冷卻技術(shù)是將熱管蒸發(fā)器冷板放置在服務(wù)器電功率發(fā)熱元件如中央處理器的上方，直接帶走熱量。這是一種服務(wù)器級(jí)別的冷卻模式，可以大大縮短傳熱路徑，減少傳熱環(huán)節(jié)和傳熱溫差，保證40℃甚至更高溫度的冷源就可以冷卻中央處理器，不僅可以從根本上消除氣流摻混，還可以保證充分使用自然冷源。
課題組的另一個(gè)設(shè)計(jì)思路則是在“熱管背板”的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合冷卻模式來(lái)制冷。
具體來(lái)說(shuō)，就是夏天時(shí)開(kāi)啟冷機(jī)壓縮制冷模式制取熱管系統(tǒng)的冷源，冬季直接采用冷空氣作為熱管系統(tǒng)的冷源，春秋過(guò)渡季節(jié)采用壓縮制冷和自然冷源共用的雙啟模式制冷。“由于冬季采用自然冷源，只有風(fēng)機(jī)運(yùn)行，因此相比開(kāi)壓縮機(jī)的情況，能耗會(huì)大大降低。所以說(shuō)，這種模式下的總能耗會(huì)非常低。”何智光解釋。
示范，不負(fù)眾望
俗話說(shuō)，“是騾子是馬,拉出來(lái)遛遛”。一個(gè)創(chuàng)新解決方案是否可行、有效，只有在實(shí)踐中才能得到最終驗(yàn)證。
2016年10月30日，“數(shù)據(jù)中心節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目在清華大學(xué)正式啟動(dòng)。項(xiàng)目由清華大學(xué)牽頭，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合中科院理化技術(shù)研究所、北京工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、中國(guó)石油、上海市建筑科學(xué)研究院、國(guó)家發(fā)改委能源研究所等10余家單位，共同向數(shù)據(jù)中心節(jié)能示范研發(fā)發(fā)起挑戰(zhàn)。
這一項(xiàng)目包含四個(gè)子課題，分別為數(shù)據(jù)中心新型冷卻技術(shù)研發(fā)與示范、高功率密度電源高效液體冷卻技術(shù)研發(fā)與示范、數(shù)據(jù)中心高效供電與分布式儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)與示范以及數(shù)據(jù)中心能效標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)指標(biāo)研究。
經(jīng)過(guò)近3年的實(shí)施，項(xiàng)目取得了一系列階段性成果，研發(fā)了機(jī)械制冷和自然冷卻相結(jié)合的高效冷卻技術(shù)，研究了服務(wù)器級(jí)高效冷卻技術(shù)和新型功率變換器等關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備，同時(shí)搭建起了關(guān)于數(shù)據(jù)中心新型冷卻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究與示范工程。
李震介紹，該示范工程位于吉林省吉林市，于2017年6月開(kāi)始建設(shè)，當(dāng)年11月建成，歷時(shí)6個(gè)月。示范工程采用了機(jī)房級(jí)、機(jī)柜級(jí)和服務(wù)器級(jí)三種冷卻級(jí)別，示范了數(shù)據(jù)中心新型冷卻模式、高效不間斷電源以及自然冷源和機(jī)械制冷配合的負(fù)荷制冷模式。更為可貴的是，這些示范項(xiàng)目均是基于項(xiàng)目組的最新研究結(jié)果所進(jìn)行的。
寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來(lái)。對(duì)于李震團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)積累與3年的辛苦付出沒(méi)有白費(fèi)。
“根據(jù)測(cè)試結(jié)果，保守估計(jì)該數(shù)據(jù)中心示范工程的PUE （數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗）全年為1.19，達(dá)到了先進(jìn)的節(jié)能水平。此外，測(cè)試結(jié)果還表明，機(jī)柜級(jí)別的冷卻相比機(jī)房級(jí)別冷卻模式平均節(jié)能52%以上，服務(wù)器級(jí)別冷卻相比于機(jī)柜級(jí)別冷卻進(jìn)一步節(jié)能44%以上。”談及現(xiàn)階段取得的成績(jī)，李震難掩欣喜。
科研有目標(biāo)，創(chuàng)新無(wú)止境。下一步，李震將率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向以數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)為背景的氣流組織優(yōu)化方法、熱管系統(tǒng)的換熱原理和功能優(yōu)化以及數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)和輸配系統(tǒng)的匹配關(guān)系等業(yè)內(nèi)難題發(fā)起攻關(guān)，凝心聚力，為建造真正綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效的數(shù)據(jù)中心提供創(chuàng)新的整體解決方案。■