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艾優(yōu)花

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要：數據中心的能耗問題從未像今天這樣引起行業(yè)、全國甚至的關注。在未來相當長的時間內，數據中心能耗分析優(yōu)化不僅是數據中心重點研究對象，同時也是運維管理的重點難點。本文簡述了數據中心節(jié)能的意義，重點介紹了常用的數據中心節(jié)能措施，并以北方某數據中心為例說明常用的數據中心措施的優(yōu)點。首先對數據中心能耗結構進行分析，然后根據一線運維人員工作經驗重點對除IT設備以外的兩大能耗較多的系統(tǒng)進行分析。

關鍵詞：數據中心；節(jié)能；空調暖通；能耗優(yōu)化

        隨著我國經濟的不斷發(fā)展，中國將逐漸成為世界較大的單一市場。由此而來，不僅國內公司在我國各地建立數據中心，越來越多的跨國公司也表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣。據SynergyResearch的報告，截至2017年年底，全球超大規(guī)模數據中心已超過390座。美國以44%的占有率相對其他各國，第二名的中國僅占8%。在數據中心增速的統(tǒng)計數據中，2017年內全球數據中心18.3%，亞洲增速較快，其中中國在2017年以39.57%的增速位列。

        相對于數據中心的爆發(fā)式增長，與之相配套的電力、生產用水供應短缺造成數據中心運營壓力大。目前數據中心正在集聚化，以貴州貴陽、內蒙古烏蘭察布市為代表的非地震帶、平均氣溫低、電力充沛城市得到許多大數據公司的青睞。

        隨著數據中心規(guī)模不斷變大，數據中心的IT設備、電力設備、暖通設備耗電量、耗水量在急速增加。綠色數據中心的概念正成為一個數據中心條件。PUE是衡量一個數據中心能耗的關鍵指標，低PUE值得數據中心不僅給企業(yè)節(jié)省大量運維成本，同時也體現(xiàn)了數據中心運維人員管理、技術的高水準。目前，進數據中心PUE值在1.5以下，而我國許多數據中心宣傳PUE值在1.8左右，實則達到2.5。這反映出我們在數據中心的節(jié)能方面還有很多工作要做。

        根據我國數據中心業(yè)內調查統(tǒng)計，一個面積在1000m2的機房，在沒有采取能耗優(yōu)化的情況下，其每年的用電量基本都在1700多萬kWh左右。

        從數據中心電力消耗來看，數據中心屬于高耗能產業(yè)。在中國實行數字中國的今天，數據中心逐漸成為城市建設、發(fā)展中的角色，我們期待著國內同行從業(yè)者努力將PUE值降到無限接近1。

        影響數據中心能耗的因素有很多，其中空調暖通設備是主要的因素，同時也是容易實現(xiàn)能耗優(yōu)化的領域。但數據中心的其他領域例如供配電設備(UPS電源不間斷設備、變壓器、母排等)、日常照明、消安防設備、建筑結構體本身熱輻射等。

2.1供配電設備對數據中心能耗的影響

        數據中心的耗電量巨大，其中以UPS因電感產生很大的諧波，所以會有較大的電力損耗。提高UPS效率是數據中心在節(jié)約能耗方面需要研究的地方[1]。UPS效率不是一個恒定值，它隨負載變化而變化。如圖1所示，UPS效率隨負載增加而提高。當負載在0%~30%時，UPS效率極低，所以一般不建議UPS在此區(qū)間內運行；當負載在30%~70%時，UPS效率由85%上升到90%。當負載在70%~100%時，UPS效率恒定在90%左右。所以建議UPS負載穩(wěn)定在80%左右效果較好。目前在建大部分數據中心都采用多臺較小容量UPS并聯(lián)而不是單臺較大容量，UPS優(yōu)點有兩個：首先可以確保其中一臺UPS出現(xiàn)故障的情況下可以由其余承擔其負載，確保了數據中心用電安全。其次，可以使UPS工作容量在30%以上，使得UPS效率增加，減小UPS損耗。

 

圖1 UPS工作效率－負載率曲線

2.2空調暖通設備對數據中心能耗的影響

        據美國采暖制冷與空調工程師學會(ASHRAE)技術委員會9.9(簡稱TC9.9)統(tǒng)計報告顯示，數據中心各部分的用電量分布大致如圖2所示。

 

圖2 數據中心用電量分布

 

        由圖2可知，空調制冷系統(tǒng)能耗在數據中心所有系統(tǒng)中占比第二，達到31%，是UPS能耗占比的約3倍，因此，空調制冷能耗優(yōu)化空間較大、成效較快、節(jié)約成本較多。大部分企業(yè)將數據中心的能耗分析優(yōu)化集中在了空調制冷這一領域，優(yōu)秀的空調制冷能耗分析優(yōu)化方案可以很大降低數據中心能耗和PUE值。

        本研究以北方某數據中心為例，該數據中心2017年建成并投入使用。數據中心配有4套制冷系統(tǒng)(冷機、冷凍泵、冷卻泵、冷塔一一對應)，采用3+1模式(滿載時3用1備)在不采用任何節(jié)能措施的情況下PUE值為2.6。

3.1數據中心制冷模式

        由于北方地區(qū)全年溫差大、晝夜溫差大的特點所以設計了不同的制冷模式。根據室外溫度的不同設計了3種模式來實現(xiàn)數據中心的制冷。當溫度設計采用了水側自然冷卻系統(tǒng)，隨著室外濕球溫度的降低，出塔水溫度降到所需的值時，通過換熱交換器間接換熱后供給空調末端制冷。制冷系統(tǒng)全年運行分為3種模式：冷機制冷模式、部分自然冷卻模式、自然冷卻模式。

        (1)當室外濕球溫度t＞15.5℃時，冷卻塔出水溫度＞19.5℃，冷機工作，板式換熱器不工作，系統(tǒng)運行模式為冷機制冷模式。

        (2)當室外濕球溫度8℃＜t≤15.5℃時，冷卻塔出水溫度13.5℃＜t≤19.5℃，冷機工作，板式換熱器工作，系統(tǒng)運行模式為部分自然制冷模式。

        (3)當室外濕球溫度t＜8℃時，冷卻塔出水溫度t＜13.5℃，冷機不工作，板式換熱器工作，系統(tǒng)運行模式為自然制冷模式。

3.2冷卻水處理

        因為冷卻水直接與室外空氣接觸，在制冷系統(tǒng)運行制冷的同時也會將室外微生物、塵土帶入到管道、冷機等設備中。經過長時間的運行，管道、冷機中會附著大量的微生物、水垢，從而會影響制冷設備的換熱效果。所以該數據中心在冷卻水管道接入微晶旁流、自動加藥裝置等水處理設備用于物理和化學處理水質。

3.3冷凍水泵、冷卻水泵

        冷凍水和冷卻水的循環(huán)都是通過水泵進行的。水泵的節(jié)能除采用變頻裝置外，應采用較大直徑的管道、盡量減少管道長度和彎頭、采用大半徑彎頭、減少換熱器的壓降等。冷凍機房、水泵、冷卻塔、板式換熱器和精密空調盡量設計安裝在相近的高度以減少水泵揚程。

        根據負載的不利壓差控制，當負載減少時，二度調節(jié)閥閥門開度變小，檢測的壓差設定點壓差值同將水泵設置為不同的運行頻率是水泵節(jié)能的另一個方法也是主要的方法。電機所需功率理論上按轉速的三次方下降[3]。例如，某一水泵電機工作轉速是其額定轉速的80%，水泵的工作頻率是其額定功率的51.2%。水泵的頻率由空調系統(tǒng)末端的變大，泵的頻率在下降，水泵轉速降低，使系統(tǒng)流量減少，達到調節(jié)流量的目的。這種節(jié)能措施不但減少了空調系統(tǒng)的用水量，同時也節(jié)約了電的使用量。

3.4機房溫度

        在我國數據中心數據中心機房溫度規(guī)定在(23±1)℃，大部分數據中心按照A類數據中心規(guī)格設計建造。個別數據中心機房溫度甚至在20℃左右。在IT設備越來越優(yōu)化的趨勢下，此溫度無疑造成了電力、水資源很大浪費。參照國外數據中心機房溫度一般在28℃可以滿足機房對溫度的需求且節(jié)能，同時我們比較合理的做法是在夏季將溫度設定比春秋兩季偏高些，冬季設定比春秋兩季偏低些。

3.5機房送回風方式

        根據調查，相近的單位機房的耗冷量相近，送風溫度相近，采用下送上回(見圖3)的氣流組織，機柜實際獲得的冷卻效果優(yōu)于上送下回方式。

 

圖3下送風上回風示意

        冷卻空氣從設在機柜近側或機柜底部的活動地板風口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機房內的熱空氣混合，即刻從機柜的進風口進入機柜，有效地提高了送入機柜冷卻空氣的質量，用較少的風量，提高了機柜的冷卻效果。

        下送風上回風的氣流組織有以下顯著優(yōu)點。

        (1)活動地板下可以作為送風靜壓箱，可以靈活布置IT設備。

        (2)機房頂部既可以作為回風靜壓箱同時又可以作為IT設備鋪設電纜的空間。機房冷熱通道采用熱通道封閉為佳，這樣的設計使得可以高效地將冷空氣直接輸送到位置，避免冷空氣與熱空氣混合造成空調系統(tǒng)負荷增加從而浪費更多的水與電。

4.1概述

        建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①　搭建數據中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測；

②　排碳數據化：通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現(xiàn)低碳辦公數據化；

③　區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數據分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個功能區(qū)能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強工作人員的節(jié)能意識；

⑦　對能耗的使用數據進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；

⑧　能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

4.2平臺部署硬件選型

 

 

        近年來，我國大數據產業(yè)保持著良好的發(fā)展勢頭。運用大數據管理企業(yè)、治理國家提升了企業(yè)、政府的管理能力，大數據的發(fā)展、應用已經上升到國家戰(zhàn)略高度。隨著大型數據中心不斷地發(fā)展，其內部結構越來越復雜、設備功率越來越大。因此，無論從企業(yè)管理運營成本還是環(huán)境保護角度出發(fā)，我們都應該在現(xiàn)有條件下提出一套節(jié)能方案，實現(xiàn)節(jié)約能源。數據中心節(jié)能應該貫穿數據中心的整個生命周期，應該根據不同階段、不同設備狀況提出不同方案。

        數據中心節(jié)能不是一蹴而就的，而是經過在運維一線摸索、實驗才可以得到的。這種節(jié)能的思想應該滲透到運維人員每一次操作、每一個角落，才能做到真正的節(jié)能。

［1］李志文，李衛(wèi)國，王利利，數據中心能耗分析研究，現(xiàn)代鹽化工，2018.8.4期，36-37.

［2］關海濤，王衛(wèi)國，秦澤波，等.數據中心能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].信息系統(tǒng)工程，2017(4)；144-145.

［3］王燕飛.變頻調速節(jié)能控制在水泵電機系統(tǒng)中的應用研究[J].機電信息，2016(9)；90-91.

［4］安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.5版.