数据中心节能技术1
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以机柜为单位进行冷却：换热器安装在机柜内，就近带走热量 避免局部热点，增强散热能力 可实现冷量按需分配 换热器安装位置灵活：
侧背板机柜 前后双背板机柜 后背板机柜
29
工质选择：
水（存在安全隐患） 氟利昂
数据中心能效评价指标及节能途径
3.3 机柜级冷却
理论方法
数据中心用能现状及问题
1.5 数据中心能效指标
PUE=数据中心年总耗电量/信息设备年耗电量
国内
大部分数据机房PUE>2.0 有少量PUE在1.70附近的大型数据机房
8
国外
欧美国家相当数量的机房PUE≈2.0 先进的机房PUE<1.70
北京市数据中心机房PUE情况
Google的机房(类型特殊)PUE<1.20
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
1
设定评价基准：PUE=2 寒冷地区、空气冷却式、 安全等级B、负荷率100%、 中等规模数据中心
21
2
单一系统因不同条件引起 的PUE差值累加 例：将气候条件、安全等 级、负荷率等的变化对制 冷系统、UPS等能耗的影 响分别进行计算
4
条件变化后的PUE评价指标 例：严寒地区、空气冷 却式、安全等级A、负荷 率25%、小规模数据中 心
[1]
[1] ASHRAE TC 9.9. 数据处理环境热指南. 杨国荣, 陈巍, 王振华, 译. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
数据中心用能现状及问题
1.4 数据中心能耗结构
能耗构成
主要能耗：信息设备、空调系统 其他能耗：电源系统、照明等
7
辅助设备能耗高
信息设备（~43%） 空调系统（~47%）、 供电系统 （~8%） 辅助设备所占比例过高
3
数据中心结构和功能示意图
数据中心内部服务器机架
数据中心用能现状及问题
1.1 数据中心
不同类型的数据中心
4
由造纸厂改造的芬兰谷歌数据中心
俄勒冈州谷歌数据中心冷却塔水蒸汽
布法罗地区Yahoo数据中心
呼和浩特中国移动数据中心
数据中心用能现状及问题
1.2 数据中心能耗现状
5
世界数据中心耗电量分析[1]
1
数据中心节能关键技术研究
Frankie.Xiu
目录
1. 数据中心用能现状及问题
2.数据中心排热过程分析
2
3. 数据中心能效评价指标及节能途径
4. 数据中心节能技术应用案例 5. 结论与展望
数据中心用能现状及问题
1.1 数据中心
数据中心是一类特殊建筑，用来集中放置和管理各类IT设备
（如服务器、交换机、高性能计算机、工作站等）及其配 套设施（电源、照明、空调等），以实现对大量数据的存 储、运算、通信、网络服务等功能，为不同需求的用户提 供实时高效的信息处理服务。
对于确定的排热系统，Δ T＝R XQ
Δ T：芯片表面温度－冷源温度 R：系统等效热阻 Q：要求的排热量
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
Δ T＝R XQ 【驱动温差=热阻X排热量】
当芯片温度－室外冷源温度 > Δ T时，可以用室外冷源 排热 当芯片温度－室外冷源温度 < Δ T时，需要运行制冷机 ，提供不足的Δ T，以满足排热要求 Δ T 越小，可以利用自然冷源的时间越长；在必须启动 冷机时，要求冷机提供的Δ T 也越小，从而冷机功耗小 怎样减少Δ T？或者是怎样降低排热系统的等效热阻R？ 是充分用好自然冷源的关键
数据机房热管排热系统
基于分离式热管的数据机房自然冷源 利用设备
通过室内外的自然温差实现循环排热 传热能力强、能耗低、可靠性高、环 境适应性强
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
列间热管
参数：
风机N+1配置。 即插式风机，便于维护。 列间热管安装于机架旁，占用机房空间 （300mm）。 风机具有调速功能。 采用高温冷冻水（12℃以上），无凝结 水。 制冷冷媒为R22、R134a、R407c。
运用热管分布式冷却方法 定量描述了系统各环节耗散 成功解决了掺混和发热不均匀的问题
30
数据中心能效评价指标及节能途径
3.3 机柜级冷却
运行原理示意图 产品外观图 优点
不占用机房原地面空间 机房按需供冷，机房无
31
局部热点
风机功耗小 提供100kW冷量，风
机功率＜2kW
数据中心用能现状及问题
1.3 数据中心的建设及扩张趋势
发展趋势
数据机房投资年增长率25% 耗电量年增长率10%~15% 服务器功率增长，散热密度急剧增加
1000 900 800 700
规模（亿元）
6
600 500 400 300 200 100 0 2009 2010 2011 年份 2012 2013
0 0 0 0
0
0.120 0.040 0.013 0
0
0.240 0.080 0.027 0
0
百度文库
0 0 0 0
0
修正值
根据安全等级、气候条件以及负荷率对PUE指标进行修正。25
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
热管技术
热管技术是利用工质相变可实现远距离
26
传热、装置适应性和密封性好等诸多优点
数据中心能效评价指标及节能途径
3.5 自然冷源利用
间接自然冷源利用
优点： 通过换热器换热，避免了直接
引入室外空气而给室内环境带来的影响
35
缺点：
风阻大，风机能耗过高 体积相对较大，与室外联系过多 换热器容易堵塞，需经常更换过滤 网，增加了机房的维护量
数据中心能效评价指标及节能途径
100kW精密空调的室 内风机功率为6~7kW
供冷量：3~15kW
数据中心能效评价指标及节能途径
3.4 芯片级冷却
双级回路热管系统
换热器
32
热管接入服务器带走cpu所占的60%的热量。 其余40%热量由机柜前后两个背板换热器散出。 无水，无泵，维护方便，造价与能效比水冷的方案更优。
3.1 数据中心能效评价指标
安全等级
B级
23
安全等级涉及冗余设施的配备，对安防设备等的要求
A级
C级
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
24
不同地区数据中心空调 系统全年能效比AEER
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
数据中心能效综合评价指标
14
数据中心排热过程分析
2.2 数据中心热量采集过程
典型架空地板送风方式
15
测试机架
机柜局部温度分布
冷通道温度分布
热通道温度分布
数据中心排热过程分析
2.2 数据中心热量采集过程
传统集中式送回风方式存在的弊端
1. 运行时间长（全年不间断 供冷） 2. 送风参数相对稳定 3. 高显热潜热比（显热负荷 与潜热负荷之比通常大于 0.95） 4. 大风量，小焓差模式
我国数据中心耗电量分析[1]
数据中心能耗高：单位面积发热密度高，全年连续运行
预计到2020年，全球信息技术相关的碳排放量将达到15.4亿吨[2] ，占
全球总碳排放量5%，已经成为温室气体排放的重大来源之一。
2015年我国数据中心耗电量逼近1000亿度[3]。
数据来源: [1] ICTresearch；[2] 信息产业如何减少碳排放； [3] 中国数据中心能效研究报告
热量 采集
精密空调
自然冷却 水 机械制冷
冷却塔
冷机
冷源 制备 热量 传递
室外大气
大气
当前冷却方式温差消耗大
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
通过循环于室内外之间的工质，实现芯片与室外 冷源的换热，来实现利用自然冷源排热
13
根本目标：
– 维持芯片表面温度不超过给定温度 – 稳定地排出芯片产生的热量
数据中心能效评价指标及节能途径
3.4 芯片级冷却
双级回路热管系统
33
数据中心能效评价指标及节能途径
3.5 自然冷源利用
直接自然冷源利用
优点： 直接利用自然冷源，
结构简单
34
缺点： 灰尘、湿度、滤网
维护、空气中微量硫氧化物 对IT原件腐蚀
直接通风带来对 IT元件的腐蚀 （微量SO2腐蚀）
0 0 0
0 0 -0.020 -0.145 -0.124 -0.058 0.018 -0.069 -0.018 0 0.024 0.051 0.012
0.020 0 -0.060
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0.140 0 -0.023 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.318 0.109 0.001 0
0
0 0 -0.004 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.036 0.020 0.007 0
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.060 0.020 0.007 0
0
0.020 0 -0.010 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.060 0.020 0.007 0
3.5 自然冷源利用
自然冷源与蒸气压缩循环结合
优势：
2.数据中心排热过程分析
18
3. 数据中心能效评价指标及节能途径
4. 数据中心节能技术应用案例 5. 结论与展望
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
气候类型、制冷形式影响数
据中心制冷系统能耗 IT负荷率、规模、安全等级影 响数据中心整体能耗
19
各影响因素带来的数据中心能效差异如何评价？
16
5. 耗电量大
6. 气流组织复杂
传统数据中心散热形式
数据中心排热过程分析
2.3 冷源过程
选择合适的冷源形式
风冷：干球温度
风冷 （冷源为室外干球温度）
17
蒸发冷却：湿球温度
蒸发式冷却 （冷源接近室外湿球温度）
间接蒸发冷却：露点温度
间接蒸发式冷却 （冷源接近室外露点温度）
目录
1. 数据中心用能现状及问题
3 不同系统PUE差值累加
例：将制冷系统、UPS、 照明等的PUE变化差值进 行累加，并作用于基准 PUE值
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
负荷率
100%
22
负荷率直接影响IT设备能耗，制冷负荷的改变又会影响压缩机及输配系统能耗
25%
50%
75%
数据中心能效评价指标及节能途径
2.0~2.5 16 43.24% 2.5~3.0 5 13.51% >3.0 9 24.32% 合计 37 100%
PUE 机房数（座） 比例
1.5~2.0 7 18.92%
数据中心用能现状及问题
1.6 数据中心空调系统现状及问题
9
目录
1. 数据中心用能现状及问题
2.数据中心排热过程分析
10
3. 数据中心能效评价指标及节能途径
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
能效如何比较？
规模不同 安全等级不同 气候类型不同 制冷形式不同
20
解决方案
GB 50178-1993《建筑气候区划标准》
将各因素对PUE的影响进行精细化 考量 分析不同条件给各个分系统带来的 PUE变化 将条件变化对各分系统的影响叠加 后，作用于整体的基准PUE
4. 数据中心节能技术应用案例 5. 结论与展望
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
典型机房传热过程
热量采集 室内传热过程 传热过程 室外传热过程 热量传递 冷源选择
11
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
传热本质
1、换热过程本质分析
设备发热
服务器芯片
空气 气流组织
12
2、换热温差本质分析
修正值
25
查表算例： 严寒地区A等级水冷式 75%负荷数据中心
供电 照明 其他 辅助用房 单一条件变化的 能耗要求修正量
压缩机
A 安全等级 B C 严寒 气候条件 （水冷） 寒冷 夏热冬冷 夏热冬暖 温和 严寒 寒冷 夏热冬冷 夏热冬暖 温和 25 负荷率 50 75 100 其他
加湿
新风
IT设备
UPS
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.130 0.050 0.023 0
0
0.180 0 -0.117 -0.145 -0.124 -0.058 0.018 -0.069 -0.018 0 0.024 0.051 0.012 0.964 0.339 0.084 0
0
气候条件 （风冷）
27
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
顶置式热管
参数：
吊顶式热管安装于机房的冷通道上方， 不占用地面空间。 风机具有调速功能。
28
采用高温冷冻水（12℃以上），无凝结水。
制冷冷媒为R22、R134a、R407c。
数据中心能效评价指标及节能途径
3.3 机柜级冷却
侧背板机柜 前后双背板机柜 后背板机柜
29
工质选择：
水（存在安全隐患） 氟利昂
数据中心能效评价指标及节能途径
3.3 机柜级冷却
理论方法
数据中心用能现状及问题
1.5 数据中心能效指标
PUE=数据中心年总耗电量/信息设备年耗电量
国内
大部分数据机房PUE>2.0 有少量PUE在1.70附近的大型数据机房
8
国外
欧美国家相当数量的机房PUE≈2.0 先进的机房PUE<1.70
北京市数据中心机房PUE情况
Google的机房(类型特殊)PUE<1.20
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
1
设定评价基准：PUE=2 寒冷地区、空气冷却式、 安全等级B、负荷率100%、 中等规模数据中心
21
2
单一系统因不同条件引起 的PUE差值累加 例：将气候条件、安全等 级、负荷率等的变化对制 冷系统、UPS等能耗的影 响分别进行计算
4
条件变化后的PUE评价指标 例：严寒地区、空气冷 却式、安全等级A、负荷 率25%、小规模数据中 心
[1]
[1] ASHRAE TC 9.9. 数据处理环境热指南. 杨国荣, 陈巍, 王振华, 译. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
数据中心用能现状及问题
1.4 数据中心能耗结构
能耗构成
主要能耗：信息设备、空调系统 其他能耗：电源系统、照明等
7
辅助设备能耗高
信息设备（~43%） 空调系统（~47%）、 供电系统 （~8%） 辅助设备所占比例过高
3
数据中心结构和功能示意图
数据中心内部服务器机架
数据中心用能现状及问题
1.1 数据中心
不同类型的数据中心
4
由造纸厂改造的芬兰谷歌数据中心
俄勒冈州谷歌数据中心冷却塔水蒸汽
布法罗地区Yahoo数据中心
呼和浩特中国移动数据中心
数据中心用能现状及问题
1.2 数据中心能耗现状
5
世界数据中心耗电量分析[1]
1
数据中心节能关键技术研究
Frankie.Xiu
目录
1. 数据中心用能现状及问题
2.数据中心排热过程分析
2
3. 数据中心能效评价指标及节能途径
4. 数据中心节能技术应用案例 5. 结论与展望
数据中心用能现状及问题
1.1 数据中心
数据中心是一类特殊建筑，用来集中放置和管理各类IT设备
（如服务器、交换机、高性能计算机、工作站等）及其配 套设施（电源、照明、空调等），以实现对大量数据的存 储、运算、通信、网络服务等功能，为不同需求的用户提 供实时高效的信息处理服务。
对于确定的排热系统，Δ T＝R XQ
Δ T：芯片表面温度－冷源温度 R：系统等效热阻 Q：要求的排热量
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
Δ T＝R XQ 【驱动温差=热阻X排热量】
当芯片温度－室外冷源温度 > Δ T时，可以用室外冷源 排热 当芯片温度－室外冷源温度 < Δ T时，需要运行制冷机 ，提供不足的Δ T，以满足排热要求 Δ T 越小，可以利用自然冷源的时间越长；在必须启动 冷机时，要求冷机提供的Δ T 也越小，从而冷机功耗小 怎样减少Δ T？或者是怎样降低排热系统的等效热阻R？ 是充分用好自然冷源的关键
数据机房热管排热系统
基于分离式热管的数据机房自然冷源 利用设备
通过室内外的自然温差实现循环排热 传热能力强、能耗低、可靠性高、环 境适应性强
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
列间热管
参数：
风机N+1配置。 即插式风机，便于维护。 列间热管安装于机架旁，占用机房空间 （300mm）。 风机具有调速功能。 采用高温冷冻水（12℃以上），无凝结 水。 制冷冷媒为R22、R134a、R407c。
运用热管分布式冷却方法 定量描述了系统各环节耗散 成功解决了掺混和发热不均匀的问题
30
数据中心能效评价指标及节能途径
3.3 机柜级冷却
运行原理示意图 产品外观图 优点
不占用机房原地面空间 机房按需供冷，机房无
31
局部热点
风机功耗小 提供100kW冷量，风
机功率＜2kW
数据中心用能现状及问题
1.3 数据中心的建设及扩张趋势
发展趋势
数据机房投资年增长率25% 耗电量年增长率10%~15% 服务器功率增长，散热密度急剧增加
1000 900 800 700
规模（亿元）
6
600 500 400 300 200 100 0 2009 2010 2011 年份 2012 2013
0 0 0 0
0
0.120 0.040 0.013 0
0
0.240 0.080 0.027 0
0
百度文库
0 0 0 0
0
修正值
根据安全等级、气候条件以及负荷率对PUE指标进行修正。25
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
热管技术
热管技术是利用工质相变可实现远距离
26
传热、装置适应性和密封性好等诸多优点
数据中心能效评价指标及节能途径
3.5 自然冷源利用
间接自然冷源利用
优点： 通过换热器换热，避免了直接
引入室外空气而给室内环境带来的影响
35
缺点：
风阻大，风机能耗过高 体积相对较大，与室外联系过多 换热器容易堵塞，需经常更换过滤 网，增加了机房的维护量
数据中心能效评价指标及节能途径
100kW精密空调的室 内风机功率为6~7kW
供冷量：3~15kW
数据中心能效评价指标及节能途径
3.4 芯片级冷却
双级回路热管系统
换热器
32
热管接入服务器带走cpu所占的60%的热量。 其余40%热量由机柜前后两个背板换热器散出。 无水，无泵，维护方便，造价与能效比水冷的方案更优。
3.1 数据中心能效评价指标
安全等级
B级
23
安全等级涉及冗余设施的配备，对安防设备等的要求
A级
C级
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
24
不同地区数据中心空调 系统全年能效比AEER
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
数据中心能效综合评价指标
14
数据中心排热过程分析
2.2 数据中心热量采集过程
典型架空地板送风方式
15
测试机架
机柜局部温度分布
冷通道温度分布
热通道温度分布
数据中心排热过程分析
2.2 数据中心热量采集过程
传统集中式送回风方式存在的弊端
1. 运行时间长（全年不间断 供冷） 2. 送风参数相对稳定 3. 高显热潜热比（显热负荷 与潜热负荷之比通常大于 0.95） 4. 大风量，小焓差模式
我国数据中心耗电量分析[1]
数据中心能耗高：单位面积发热密度高，全年连续运行
预计到2020年，全球信息技术相关的碳排放量将达到15.4亿吨[2] ，占
全球总碳排放量5%，已经成为温室气体排放的重大来源之一。
2015年我国数据中心耗电量逼近1000亿度[3]。
数据来源: [1] ICTresearch；[2] 信息产业如何减少碳排放； [3] 中国数据中心能效研究报告
热量 采集
精密空调
自然冷却 水 机械制冷
冷却塔
冷机
冷源 制备 热量 传递
室外大气
大气
当前冷却方式温差消耗大
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
通过循环于室内外之间的工质，实现芯片与室外 冷源的换热，来实现利用自然冷源排热
13
根本目标：
– 维持芯片表面温度不超过给定温度 – 稳定地排出芯片产生的热量
数据中心能效评价指标及节能途径
3.4 芯片级冷却
双级回路热管系统
33
数据中心能效评价指标及节能途径
3.5 自然冷源利用
直接自然冷源利用
优点： 直接利用自然冷源，
结构简单
34
缺点： 灰尘、湿度、滤网
维护、空气中微量硫氧化物 对IT原件腐蚀
直接通风带来对 IT元件的腐蚀 （微量SO2腐蚀）
0 0 0
0 0 -0.020 -0.145 -0.124 -0.058 0.018 -0.069 -0.018 0 0.024 0.051 0.012
0.020 0 -0.060
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0.140 0 -0.023 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.318 0.109 0.001 0
0
0 0 -0.004 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.036 0.020 0.007 0
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.060 0.020 0.007 0
0
0.020 0 -0.010 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.060 0.020 0.007 0
3.5 自然冷源利用
自然冷源与蒸气压缩循环结合
优势：
2.数据中心排热过程分析
18
3. 数据中心能效评价指标及节能途径
4. 数据中心节能技术应用案例 5. 结论与展望
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
气候类型、制冷形式影响数
据中心制冷系统能耗 IT负荷率、规模、安全等级影 响数据中心整体能耗
19
各影响因素带来的数据中心能效差异如何评价？
16
5. 耗电量大
6. 气流组织复杂
传统数据中心散热形式
数据中心排热过程分析
2.3 冷源过程
选择合适的冷源形式
风冷：干球温度
风冷 （冷源为室外干球温度）
17
蒸发冷却：湿球温度
蒸发式冷却 （冷源接近室外湿球温度）
间接蒸发冷却：露点温度
间接蒸发式冷却 （冷源接近室外露点温度）
目录
1. 数据中心用能现状及问题
3 不同系统PUE差值累加
例：将制冷系统、UPS、 照明等的PUE变化差值进 行累加，并作用于基准 PUE值
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
负荷率
100%
22
负荷率直接影响IT设备能耗，制冷负荷的改变又会影响压缩机及输配系统能耗
25%
50%
75%
数据中心能效评价指标及节能途径
2.0~2.5 16 43.24% 2.5~3.0 5 13.51% >3.0 9 24.32% 合计 37 100%
PUE 机房数（座） 比例
1.5~2.0 7 18.92%
数据中心用能现状及问题
1.6 数据中心空调系统现状及问题
9
目录
1. 数据中心用能现状及问题
2.数据中心排热过程分析
10
3. 数据中心能效评价指标及节能途径
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
能效如何比较？
规模不同 安全等级不同 气候类型不同 制冷形式不同
20
解决方案
GB 50178-1993《建筑气候区划标准》
将各因素对PUE的影响进行精细化 考量 分析不同条件给各个分系统带来的 PUE变化 将条件变化对各分系统的影响叠加 后，作用于整体的基准PUE
4. 数据中心节能技术应用案例 5. 结论与展望
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
典型机房传热过程
热量采集 室内传热过程 传热过程 室外传热过程 热量传递 冷源选择
11
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
传热本质
1、换热过程本质分析
设备发热
服务器芯片
空气 气流组织
12
2、换热温差本质分析
修正值
25
查表算例： 严寒地区A等级水冷式 75%负荷数据中心
供电 照明 其他 辅助用房 单一条件变化的 能耗要求修正量
压缩机
A 安全等级 B C 严寒 气候条件 （水冷） 寒冷 夏热冬冷 夏热冬暖 温和 严寒 寒冷 夏热冬冷 夏热冬暖 温和 25 负荷率 50 75 100 其他
加湿
新风
IT设备
UPS
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.130 0.050 0.023 0
0
0.180 0 -0.117 -0.145 -0.124 -0.058 0.018 -0.069 -0.018 0 0.024 0.051 0.012 0.964 0.339 0.084 0
0
气候条件 （风冷）
27
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
顶置式热管
参数：
吊顶式热管安装于机房的冷通道上方， 不占用地面空间。 风机具有调速功能。
28
采用高温冷冻水（12℃以上），无凝结水。
制冷冷媒为R22、R134a、R407c。
数据中心能效评价指标及节能途径
3.3 机柜级冷却