當(dāng)下,節(jié)能減排已經(jīng)成為全球備受關(guān)注的幾個熱點(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)帶來了更大的挑戰(zhàn)。
于是,一場關(guān)乎整個信息技術(shù)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(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)中心是一類特殊建筑,主要用來集中放置和管理各類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)對大量數(shù)據(jù)的存儲、運(yùn)算、通信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能,為不同需求的用戶提供實(shí)時、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)房中采用背對背、面對面的方式擺放,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冷機(jī)制取,這就意味著即便是在冬天,仍需要開啟冷機(jī)。但實(shí)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(jī),就顯得格外浪費(fèi)。
當(dāng)然,國內(nèi)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(diǎn)。
“首先就是嚴(yán)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(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(shí)驗(yàn)室擁有焓差試驗(yàn)臺、模擬數(shù)據(jù)中心、分離式熱管流動可視化實(shí)驗(yàn)裝置、沸騰換熱系數(shù)測量裝置等大型試驗(yàn)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(diào)系統(tǒng)性能等問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
這一次,針對現(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)器級別的冷卻技術(shù)來替代機(jī)房級別的冷卻技術(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)柜的前后柜門中,就近帶走熱量。這是一種機(jī)柜級別的冷卻模式,好處是機(jī)柜的進(jìn)出風(fēng)基本相等且等于機(jī)房內(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(shè)計(jì)思路則是在“熱管背板”的基礎(chǔ)上,采用復(fù)合冷卻模式來制冷。
具體來說,就是夏天時開啟冷機(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,因此相比開壓縮機(jī)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(fù)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(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”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目在清華大學(xué)正式啟動。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)、中國石油、上海市建筑科學(xué)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(xiàng)目包含四個子課題,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)與評價(jià)指標(biāo)研究。
經(jīng)過近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月開始建設(shè),當(dāng)年11月建成,歷時6個月。示范工程采用了機(jī)房級、機(jī)柜級和服務(wù)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(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。對于李震團(tuán)隊(duì)來說,長期以來的技術(shù)積累與3年的辛苦付出沒有白費(fèi)。
“根據(jù)測試結(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,測試結(jié)果還表明,機(jī)柜級別的冷卻相比機(jī)房級別冷卻模式平均節(jié)能52%以上,服務(wù)器級別冷卻相比于機(jī)柜級別冷卻進(jìn)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(biāo),創(chuàng)新無止境。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!