當下，節(jié)能減排已經(jīng)成為全球備受關注的幾個熱點詞匯之一。然而比起飽受詬病的鋼鐵與水泥等行業(yè)，信息技術領域的能耗問題卻往往被人們所忽視。
有研究指出，目前信息技術行業(yè)的碳排放已經(jīng)成為全世界所有碳排放的主要來源之一。預計到2020年，信息技術領域的碳排放總量將達到15.4億噸。
就信息技術行業(yè)內部而言，數(shù)據(jù)中心無疑是能耗“貢獻度”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，約占全社會總電耗的1.6%。加之數(shù)據(jù)中心正朝著高運算速度、高熱流密度的方向發(fā)展，今后單個機柜的發(fā)熱量甚至可能達到10千瓦甚至更高，這就給空調系統(tǒng)帶來了更大的挑戰(zhàn)。
于是，一場關乎整個信息技術行業(yè)未來發(fā)展的節(jié)能大戰(zhàn)就此打響。這一次，一支來自于清華大學的科研團隊挺身而出，扛鼎科技創(chuàng)新的大旗，走在了建設綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效數(shù)據(jù)中心隊伍的前列。
節(jié)能，刻不容緩
數(shù)據(jù)中心是一類特殊建筑，主要用來集中放置和管理各類IT設備（如服務器、交換機、高性能計算機、工作站等）及其配套設備（電源、照明、空調等），以實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的存儲、運算、通信、網(wǎng)絡服務等功能，為不同需求的用戶提供實時、高效的信息處理服務。
在數(shù)據(jù)中心的總能耗中，有大約40%是IT設備的功耗，即服務器高速運算所消耗的電量；約40%是空調設備的功耗，包括精密空調、冷水機組以及濕度控制設備等。
為什么傳統(tǒng)的機房空調系統(tǒng)能耗如此之高？“主要有兩個原因：第一是機房氣流組織非常不合理，第二是自然冷源利用的時間太短、效率太低。”清華大學教授李震告訴《科學新聞》。
在機房氣流組織方面，目前常見的數(shù)據(jù)中心通常采用架空地板下送風技術，機柜在機房中采用背對背、面對面的方式擺放，形成冷熱通道。但這種技術的弊端在于，一旦冷熱通道的氣流發(fā)生混合，就會產(chǎn)生不必要的摻混溫差，使數(shù)據(jù)中心總傳熱溫差增大，進而導致冷機系統(tǒng)負荷上升。
“雖然目前不少數(shù)據(jù)中心均采用了冷熱通道封閉技術，但實際上這很難從根本上杜絕冷熱氣流摻混問題。”李震坦言。
此外，精密空調系統(tǒng)的冷凍水往往需要通過冷機制取，這就意味著即便是在冬天，仍需要開啟冷機。但實際上，我國北方城市的冬季大多數(shù)時間氣溫都低于冷水溫度，自然冷源便可直接制取冷水，此時再開啟冷機，就顯得格外浪費。
當然，國內外也不乏一些能耗相對較低的數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)中心大多具有幾個共同特點。
“首先就是嚴格選址，數(shù)據(jù)中心選址會首先考慮寒冷地區(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。其次是通過技術手段減少數(shù)據(jù)中心的總換熱溫差，提高冷源溫度，進而提高自然冷源使用時間。”李震介紹。
創(chuàng)新，迫在眉睫
長期以來，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。實驗室擁有焓差試驗臺、模擬數(shù)據(jù)中心、分離式熱管流動可視化實驗裝置、沸騰換熱系數(shù)測量裝置等大型試驗臺，可以針對熱管系統(tǒng)的流動換熱性能、數(shù)據(jù)中心不同級別的冷卻系統(tǒng)冷卻效果以及空調系統(tǒng)性能等問題進行實驗研究。
這一次，針對現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心機房空調系統(tǒng)存在的兩大頑疾，李震課題組立足實現(xiàn)國家目標，從全局出發(fā)，創(chuàng)新思路，攻堅克難，最終提出了針對信息技術行業(yè)的新的節(jié)能解決方案。
首先，課題組選擇采用機柜和服務器級別的冷卻技術來替代機房級別的冷卻技術，即采用熱管技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精密空調。
“熱管可以是以‘熱管背板’的方式直接放置在機柜的前后柜門中，就近帶走熱量。這是一種機柜級別的冷卻模式，好處是機柜的進出風基本相等且等于機房內部溫度，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，熱管技術也可以以“服務器液體冷卻”的方式呈現(xiàn)。這種冷卻技術是將熱管蒸發(fā)器冷板放置在服務器電功率發(fā)熱元件如中央處理器的上方，直接帶走熱量。這是一種服務器級別的冷卻模式，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。
課題組的另一個設計思路則是在“熱管背板”的基礎上，采用復合冷卻模式來制冷。
具體來說，就是夏天時開啟冷機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，只有風機運行，因此相比開壓縮機的情況，能耗會大大降低。所以說，這種模式下的總能耗會非常低。”何智光解釋。
示范，不負眾望
俗話說，“是騾子是馬,拉出來遛遛”。一個創(chuàng)新解決方案是否可行、有效，只有在實踐中才能得到最終驗證。
2016年10月30日，“數(shù)據(jù)中心節(jié)能關鍵技術研發(fā)與示范”國家重點研發(fā)計劃項目在清華大學正式啟動。項目由清華大學牽頭，強強聯(lián)合中科院理化技術研究所、北京工業(yè)大學、大連理工大學、蘭州理工大學、中國石油、上海市建筑科學研究院、國家發(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)。
這一項目包含四個子課題，分別為數(shù)據(jù)中心新型冷卻技術研發(fā)與示范、高功率密度電源高效液體冷卻技術研發(fā)與示范、數(shù)據(jù)中心高效供電與分布式儲能技術研發(fā)與示范以及數(shù)據(jù)中心能效標準與評價指標研究。
經(jīng)過近3年的實施，項目取得了一系列階段性成果，研發(fā)了機械制冷和自然冷卻相結合的高效冷卻技術，研究了服務器級高效冷卻技術和新型功率變換器等關鍵技術及設備，同時搭建起了關于數(shù)據(jù)中心新型冷卻技術的實驗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月開始建設，當年11月建成，歷時6個月。示范工程采用了機房級、機柜級和服務器級三種冷卻級別，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械制冷配合的負荷制冷模式。更為可貴的是，這些示范項目均是基于項目組的最新研究結果所進行的。
寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。對于李震團隊來說，長期以來的技術積累與3年的辛苦付出沒有白費。
“根據(jù)測試結果，保守估計該數(shù)據(jù)中心示范工程的PUE （數(shù)據(jù)中心總設備能耗/IT設備能耗）全年為1.19，達到了先進的節(jié)能水平。此外，測試結果還表明，機柜級別的冷卻相比機房級別冷卻模式平均節(jié)能52%以上，服務器級別冷卻相比于機柜級別冷卻進一步節(jié)能44%以上。”談及現(xiàn)階段取得的成績，李震難掩欣喜。
科研有目標，創(chuàng)新無止境。下一步，李震將率領團隊向以數(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)的匹配關系等業(yè)內難題發(fā)起攻關，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�！�