本书结合国家双碳战略和数据中心技术发展，对绿色数据中心运行技术及实践进行介绍。本书内容涵盖数据中心基本概念、绿色低碳发展趋势、碳核算及低碳管理、IT设备功率管理技术、算力资源能耗优化、清洁能源利用和电网互动、数字孪生、制冷系统能耗优化，同时还阐述了绿色数据中心低碳运行管理平台架构、设计和功能，以及绿色数据中心低碳运行管理平台及实践应用情况。

本书可供从事数据中心运行管理的工程技术人员或研究者参考，还适合对绿色数据中心感兴趣的社会各界人士阅读。

前言当前数字化已经渗透到我国经济社会发展的方方面面，与人民生产生活密切相关。数据中心作为支撑数字化的新型基础设施，随着数字化的发展而快速发展。据统计，目前我国数据中心年电能消耗已超过1500 亿kW·h，预计到2030 年，这一数字将达到4000 亿kW·h，碳排放增长率将超过300%。随着数据中心能耗的不断攀升和我国双碳战略政策的实施，数据中心高能耗问题和绿色低碳发展受到了广泛的关注。为支撑能源电力数字化转型和新型电力系统建设，国家电网有限公司（以下简称国家电网）建立了两级的数据中心体系，在全国建设北京、上海和西安三个集中式数据中心，在经营区域内各省建立省级数据中心，支撑电网生产经营各项业务和近10 亿人口的供电服务数字化。建设绿色低碳数据中心是国家电网落实国家双碳战略的不懈追求。国家电网有限公司信息通信分公司（以下简称国网信通公司）作为国家电网信息通信领域专业公司，高度重视数据中心的低碳运行管理工作，结合多年的数据中心运行管理工作，开展了数据中心低碳运行技术研究与实践。为了让更多读者了解绿色数据中心低碳运行相关的技术和进展，国网信通公司组织专家编写了本书，旨在对绿色数据中心发展趋势、算力调度管理、制冷系统能耗优化、能耗管理平台等关键技术进行详细分析和论述。本书分为8 章，第1 章主要介绍数据中心基本概念、我国东数西算工程、数据中心绿色低碳发展趋势。第2 章论述数据中心碳核算概念、方法和低碳运行框架与关键技术。第3 章从IT 设备供电和功率管理的角度，介绍服务器功率模型、服务器功率超分配技术和集群功率控制技术。第4 章从算力低碳运行角度，对通用算力、智能算力的调度与能耗优化技术进行详细阐述。第5 章在第4 章基础上，进一步结合电网互动和清洁能源利用，讨论数据中心工作负载调度和电网需求响应技术。第6～7 章主要介绍数字孪生技术及在制冷系统能耗优化中的应用，第6 章阐述数据中心数字孪生概念、建模方法、能耗优化的方法，第7 章结合数据中心的实际运行情况，介绍基于数字孪生技术对制冷系统能耗进行优化方法。第8 章综合上述研究成果，阐述绿色数据中心低碳运行管理平台架构、设计和功能，以及绿色数据中心运行实践情况。由于绿色数据中心低碳运行技术还处在不断演进发展过程之中，相关技术仍在快速发展变化之中，加之编者的知识水平有限，书中难免存在疏漏，恳请各位读者批评指正。编者2024 年12 月

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前言

第1章 概论

1.1 数据中心

1.1.1 数据中心概念

1.1.2 数据中心组成

1.1.3 我国数据中心发展现状

1.2 我国东数西算工程

1.2.1 整体布局

1.2.2 节点定位

1.3 双碳政策与绿色数据中心

1.3.1 数据中心能耗构成

1.3.2 温室效应和双碳政策

1.3.3 数据中心绿色低碳相关标准和规范

1.3.4 绿色数据中心能效指标

1.4 数据中心的发展趋势

1.5 本书组织结构

1.6 本章小结

第2章 数据中心碳核算及低碳管理

2.1 碳足迹核算

2.1.1 基本概念

2.1.2 碳核算范围

2.2 数据中心生命周期划分

2.3 数据中心全生命周期碳核算方法

2.3.1 确定温室气体种类

2.3.2 划分核算范围

2.3.3 收集活动水平数据和相应的排放因子

2.3.4 计算数据中心碳排放量

2.4 数据中心低碳管理

2.4.1 IT设施低碳运行

2.4.2 基础设施低碳运行

2.4.3 清洁能源使用

2.5 本章小结

第3章 数据中心IT设备功率管理技术

3.1 基本概念

3.1.1 数据中心供电架构

3.1.2 处理器动态调频调压与功率封顶

3.2 基于机器学习的服务器功率预测

3.2.1 服务器功率模型

3.2.2 服务器功率预测

3.3 数据中心功率超分配技术

3.4 服务器集群功率控制技术

3.5 本章小结

第4章 数据中心算力资源能耗优化技术

4.1 通用算力资源管理技术

4.1.1 基本概念

4.1.2 基于强化学习的虚拟机能耗感知调度方法

4.2 智能算力资源管理技术

4.2.1 基本概念

4.2.2 基于任务分类与懒同步的智能算力能耗优化

4.2.3 典型分布式机器学习*载的分类与预测方法

4.2.4 分布式机器学习节点间参数懒同步机制

4.3 本章小结

第5章 数据中心清洁能源利用和电网互动技术

5.1 数据中心清洁能源利用和参与电网互动背景

5.1.1 数据中心参与新型电力系统需求响应发展潜能

5.1.2 面向清洁能源利用的数据中心参与电网互动政策及标准

5.2 数据中心的清洁能源利用

5.2.1 数据中心的能耗模型

5.2.2 数据中心工作负载

5.3 面向清洁能源利用的数据中心参与电网互动技术

5.3.1 面向清洁能源利用的数据中心参与电网互动形式与分类

5.3.2 数据中心的需求响应类型

5.3.3 基于激励的数据中心需求响应

5.4 面向清洁能源利用的数据中心参与电网互动展望

5.4.1 关键技术面临的问题及解决思路

5.4.2 数据中心参与电网互动未来发展目标

5.5 本章小结

第6章 数据中心制冷系统数字孪生技术

6.1 数据中心数字孪生技术

6.1.1 基本概念

6.1.2 数据中心数字孪生的应用价值

6.1.3 数据中心数字孪生的实现方式

6.2 数据中心制冷系统数字孪生模型构建方法

6.2.1 数字孪生模型特点及建模难点

6.2.2 通过一维、三维模型耦合实现全链路建模

6.2.3 数据中心数字孪生模型构建方法

6.3 利用数字孪生模型优化制冷系统能耗的流程

6.3.1 制冷系统能耗优化的常用手段

6.3.2 基于数字孪生模型进行系统节能优化控制

6.4 数字孪生模型与AI控制模块间交互

6.4.1 基于数字孪生CFD平台的AI控制架构

6.4.2 AI控制模块与数字孪生CFD平台模型接口

6.5 本章小结

第7章 数据中心制冷系统能耗优化技术

7.1 制冷系统能耗优化方法

7.2 制冷系统运行现状

7.2.1 制冷系统运行现状调研

7.2.2 制冷系统存在的问题

7.3 制冷系统设备优化的分析方法

7.3.1 数据中心制冷系统全年冷负荷实测分析

7.3.2 冷水机组运行策略分析

7.3.3 冷冻水泵运行策略分析

7.3.4 冷却水泵运行策略分析

7.3.5 冷却塔运行策略分析

7.4 建立数据中心制冷系统数字孪生模型

7.4.1 数据中心负荷输入

7.4.2 数据中心制冷系统建模原理

7.4.3 建立制冷系统模型

7.4.4 制冷系统对数据中心PUE的影响分析

7.4.5 冷冻水泵定流量与变流量的对比分析

7.4.6 冷冻水出水温度对系统能耗的影响分析

7.5 制定制冷系统优化措施及运行策略

7.5.1 基于数字孪生模型制定制冷系统优化措施

7.5.2 利用AI技术制定数据中心制冷系统运行策略

7.6 本章小结

第8章 绿色数据中心低碳运行管理平台及实践

8.1 数据指标体系

8.2 平台整体架构

8.3 平台主要功能

8.3.1 数据采集和存储

8.3.2 能耗数据分析计算

8.3.3 服务器功率控制

8.3.4 能效感知的算力调度

8.3.5 数字孪生建模和优化

8.3.6 用户界面

8.4 绿色运行实践

8.4.1 机柜级节能调节

8.4.2 机房级节能调节

8.4.3 数据中心级节能调节

8.4.4 自然冷源利用

8.4.5 液冷机房

8.4.6 光伏能源利用

8.5 本章小结

缩略语

参考文献