數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與能源管理平臺設(shè)計(jì)

吳　斌

(上海信業(yè)智能科技股份有限公司, 上?！?01203)

摘　要： 空調(diào)能耗是數(shù)據(jù)中心能耗的主要部分,總結(jié)了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀。結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)機(jī)房案例,對分離式熱管技術(shù)、冷池節(jié)能技術(shù)和機(jī)架下送風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。實(shí)測結(jié)果表明,三種節(jié)能技術(shù)分別降低能耗約31.6%、16.1%、32.7%。從能耗監(jiān)測管理、能效評估管理和能效評估應(yīng)用三個(gè)層面,提出了數(shù)據(jù)中心能源管理平臺的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測、管理和控制的智能化和自動化。

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數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與能源管理平臺設(shè)計(jì)

吳斌

(上海信業(yè)智能科技股份有限公司, 上海201203)

摘要： 空調(diào)能耗是數(shù)據(jù)中心能耗的主要部分,總結(jié)了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀。結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)機(jī)房案例,對分離式熱管技術(shù)、冷池節(jié)能技術(shù)和機(jī)架下送風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。實(shí)測結(jié)果表明,三種節(jié)能技術(shù)分別降低能耗約31.6%、16.1%、32.7%。從能耗監(jiān)測管理、能效評估管理和能效評估應(yīng)用三個(gè)層面,提出了數(shù)據(jù)中心能源管理平臺的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測、管理和控制的智能化和自動化。

數(shù)據(jù)中心; 空調(diào); 節(jié)能技術(shù); 能源管理平臺

0　引　言

根據(jù)上海電信18個(gè)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際測算,空調(diào)能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的比重較高,達(dá)到40%～50%[1-2],而且空調(diào)能耗與選擇的空調(diào)技術(shù)、氣流組織等存在極大的關(guān)聯(lián)。

本文對數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行探討,同時(shí)針對數(shù)據(jù)中心能源管理平臺缺失的問題,提出數(shù)據(jù)中心能源管理平臺的設(shè)計(jì)思路。

1　數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)的研究主要可以分為空調(diào)冷源節(jié)能技術(shù)、空調(diào)氣流組織優(yōu)化技術(shù)、空調(diào)部件節(jié)能技術(shù)和空調(diào)控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)四大類。

(1) 空調(diào)冷源的節(jié)能技術(shù),包括新風(fēng)自然冷卻技術(shù)、磁懸浮變頻冷水機(jī)組、冷卻塔免費(fèi)制冷技術(shù)等[3-5]。研究表明,利用新風(fēng)自然冷卻技術(shù),在室外日平均溫度35 ℃、25 ℃、5 ℃以下時(shí)空調(diào)可節(jié)電約25%、46%、95%[6]。磁懸浮技術(shù)降低了轉(zhuǎn)子摩擦，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié),理論上制冷綜合性能系數(shù)(IPLV)高達(dá)10以上,遠(yuǎn)大于一般冷水機(jī)組部分負(fù)荷效率[7]。冷卻塔直接免費(fèi)制冷能夠降低空調(diào)能耗30%～35%,間接免費(fèi)制冷能夠降低空調(diào)能耗20%～25%[8]。

(2) 空調(diào)氣流組織優(yōu)化技術(shù),包括精確送風(fēng)技術(shù)、機(jī)架下送風(fēng)技術(shù)、冷池和熱池技術(shù)等[9-11]。研究表明,精確送風(fēng)技術(shù)將冷風(fēng)直接送到IT設(shè)備核心發(fā)熱區(qū),能夠降低空調(diào)負(fù)荷約20%,但機(jī)房內(nèi)的平均溫度會有所上升[12]。機(jī)架下送風(fēng)比上送風(fēng)的機(jī)房環(huán)境溫度要低2～3 ℃,設(shè)備機(jī)柜內(nèi)的溫度要低3～5 ℃,能耗下降約15%[13-14]。冷池和熱池技術(shù)可以使數(shù)據(jù)中心冷熱分流,消除氣流短路,顯著降低空調(diào)能耗。冷池和熱池技術(shù)可以降低空調(diào)能耗30%～50%,當(dāng)單機(jī)功率大于5 kW時(shí)優(yōu)先考慮冷池技術(shù)[15-16]。

(3) 空調(diào)部件節(jié)能技術(shù),包括智能換熱器技術(shù)和分離式熱管技術(shù)等[17-18]。研究表明,智能換熱器實(shí)現(xiàn)了新風(fēng)免費(fèi)冷源的間接利用,防止產(chǎn)生交叉污染,同時(shí)降低空調(diào)能耗25%～30%[19]。室內(nèi)外溫差高于5 ℃，熱管即可使用,在溫差5～24 ℃范圍內(nèi)機(jī)組能效比高達(dá)3.63～10.64[20]。

(4) 空調(diào)控制系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù),包括模糊控制技術(shù)、PID技術(shù)、PLC技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)等[21]。研究表明,采用空調(diào)系統(tǒng)自適應(yīng)節(jié)能技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)隨自然環(huán)境自動調(diào)節(jié)、變流量變風(fēng)量控制,理論上可以降低空調(diào)能耗達(dá)50%以上[22]。

本文對分離式熱管技術(shù)、冷熱池技術(shù)和機(jī)架下送風(fēng)技術(shù)的原理和應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)分析。

2　數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)

2.1分離式熱管節(jié)能技術(shù)

2.1.1原理

分離式熱管技術(shù)是將傳統(tǒng)熱管的蒸發(fā)段和冷凝段分開,利用蒸汽上升管和液體下降管連接,形成完整的循環(huán)回路。熱管內(nèi)的工質(zhì)在經(jīng)過蒸發(fā)段后吸熱成為蒸汽,經(jīng)過蒸汽上升管進(jìn)入冷凝段,在冷凝段吸收冷量后重新凝結(jié)為液體,經(jīng)過液體下降管進(jìn)入蒸發(fā)段,依次往復(fù)循環(huán)。使用分離式熱管技術(shù),實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)的全封閉,有利于提高機(jī)房內(nèi)的潔凈度,降低室外空氣帶來的污染。與一般空調(diào)相比,分離式熱管機(jī)組取消了壓縮機(jī)部分,也沒有泵功耗,僅依靠重力循環(huán),當(dāng)室內(nèi)外溫差在5 ℃以上時(shí),相比一般空調(diào)系統(tǒng)更節(jié)能。

2.1.2實(shí)際應(yīng)用

上海電信某數(shù)據(jù)機(jī)房安裝了18臺分離式熱管機(jī)組。現(xiàn)場測試的熱管空調(diào)機(jī)組的換熱效率和能效比如圖1、圖2所示(18#熱管機(jī)組工作不正常,為無效數(shù)據(jù))。其中,熱管的換熱效率為28%～38%的有5臺,38%以上的有7臺。根據(jù)現(xiàn)場情況可知,分離式熱管最高可利用溫度為35 ℃,對應(yīng)的全年可利用時(shí)間為3633 h(上海),熱管的年平均換熱效率約為23%,分離式熱管空調(diào)系統(tǒng)的平均能效比高達(dá)5.0,相比普通空調(diào)機(jī)組(普通冷水機(jī)組能效比3.8)每年節(jié)約電量約31.6%。熱管空調(diào)機(jī)組的換熱效率與全年可利用時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

圖1　現(xiàn)場測試的熱管空調(diào)機(jī)組的換熱效率

圖2　現(xiàn)場測試的熱管空調(diào)機(jī)組的能效比

圖3　熱管空調(diào)機(jī)組的換熱效率與全年可利用時(shí)間的關(guān)系

2.2冷池節(jié)能技術(shù)

2.2.1原理

當(dāng)前冷熱通道分開的做法已被大部分?jǐn)?shù)據(jù)機(jī)房采納,但冷熱風(fēng)的短路和混合現(xiàn)象仍嚴(yán)重,傳統(tǒng)上送上回的形式下,送風(fēng)量的短路率可以達(dá)到30%～40%;即使是非機(jī)架下開孔的下送風(fēng),也會產(chǎn)生氣流短路現(xiàn)象。空調(diào)送風(fēng)出現(xiàn)短路,冷熱風(fēng)混合提高了送風(fēng)溫度,降低了送風(fēng)效果。采用冷池的氣流組織形式可以大大降低混風(fēng)影響,空調(diào)送風(fēng)密閉在玻璃冷池通道內(nèi),杜絕了氣流短路和冷熱風(fēng)混合。

2.2.2實(shí)際應(yīng)用

上海電信某互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房于2014年進(jìn)行了改造,采用了冷池送風(fēng)技術(shù)。機(jī)房機(jī)柜采用冷熱通道分開的布置方式,冷通道上方用玻璃頂板封閉,前后用玻璃門封閉,形成冷池。冷池內(nèi)地板開孔,實(shí)現(xiàn)地板下送風(fēng)。冷空氣經(jīng)冷池由機(jī)架前門進(jìn)入機(jī)柜,冷卻服務(wù)器,經(jīng)機(jī)架后門排至熱通道,最后進(jìn)入空調(diào)回風(fēng)系統(tǒng)。

為分析采用冷池技術(shù)的節(jié)能效果,對采用冷池和未采用冷池的同型號機(jī)柜進(jìn)行了測試,主要測量服務(wù)器前后的空氣溫度和機(jī)房空調(diào)耗電量。在機(jī)柜高度方向共設(shè)置12個(gè)溫度測點(diǎn)。機(jī)柜溫度測點(diǎn)布置示意如圖4所示。機(jī)柜平均進(jìn)出風(fēng)溫度和溫差如表1所示。

圖4　機(jī)柜溫度測點(diǎn)布置示意

℃

單個(gè)機(jī)柜的空調(diào)風(fēng)量和功耗如表2所示。

表2單個(gè)機(jī)柜的空調(diào)風(fēng)量和功耗

通道封閉形式送風(fēng)量/(m3·h-1)功耗/kW不封閉通道103119.2冷池91616.1

實(shí)測結(jié)果證明,應(yīng)用冷池技能技術(shù)能夠降低機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度,提高進(jìn)出風(fēng)溫差,降低空調(diào)送風(fēng)量,節(jié)約空調(diào)能耗約16.1%。

2.3機(jī)架下送風(fēng)技術(shù)

2.3.1原理

對上海電信數(shù)據(jù)機(jī)房的調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn),大部分早期機(jī)房使用的是機(jī)房上送風(fēng)方式,空調(diào)冷風(fēng)通過房間上部主風(fēng)管送到分支管,經(jīng)散流器向下送風(fēng),再通過空調(diào)上部風(fēng)口回風(fēng)。該送風(fēng)方式造成機(jī)柜核心發(fā)熱區(qū)局部過熱,同時(shí)冷熱流交叉，影響降低空調(diào)效果。

如今的高密度數(shù)據(jù)機(jī)房發(fā)熱量進(jìn)一步加大,傳統(tǒng)的送風(fēng)方式很難滿足需求,因此在數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮機(jī)架下送風(fēng)的送風(fēng)方式。機(jī)架下送風(fēng)是在機(jī)房空調(diào)機(jī)組底部做一支架,形成空心地板機(jī)架;空調(diào)風(fēng)機(jī)直接向地板內(nèi)送風(fēng),由于地板近似于一個(gè)靜壓箱,空調(diào)送風(fēng)通過地板上的開孔均勻地送到機(jī)柜內(nèi)部,帶走機(jī)柜熱量,然后回風(fēng)經(jīng)過機(jī)房上部回到空調(diào)機(jī)組內(nèi),如此循環(huán)。

2.3.2實(shí)際應(yīng)用

機(jī)架下送風(fēng)方式實(shí)現(xiàn)了空調(diào)冷量的高效利用。上海電信某數(shù)據(jù)中心原來采用機(jī)房上送風(fēng)方式,2014年進(jìn)行了機(jī)架下送風(fēng)改造:機(jī)柜前門密閉,后門開孔,采用下送風(fēng)、后出風(fēng),使用內(nèi)循環(huán)的方式組織氣流;機(jī)柜頂部安裝風(fēng)扇,提高吸風(fēng)的效率。改造前后的實(shí)測數(shù)據(jù)表明,機(jī)架下送風(fēng)方式較上送風(fēng)方式降低能耗約32.7%。機(jī)架下送風(fēng)和機(jī)房上送風(fēng)時(shí)的模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出,機(jī)架下送風(fēng)可以提高房間溫度的均勻性,保障機(jī)房溫度控制在一定范圍內(nèi)，且可以適當(dāng)提高機(jī)房的平均溫度,降低空調(diào)能耗;下送風(fēng)方式下，機(jī)房內(nèi)氣流的均勻性也明顯優(yōu)于上送風(fēng)方式。

3　數(shù)據(jù)中心能源管理平臺的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能技術(shù)的效果發(fā)揮離不開能耗管理措施。由于缺乏有效的能耗管理,導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果較差,沒有達(dá)到相應(yīng)的水平[23]。在當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+智能化”普及的大背景下,數(shù)據(jù)中心應(yīng)建立能源管理平臺,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測、管理和控制的智能化和自動化。

圖5　機(jī)架下送風(fēng)和機(jī)房上送風(fēng)時(shí)的模擬結(jié)果

3.1平臺總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心能源管理的首要任務(wù)是建立合理的能源管理體系,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的用電情況進(jìn)行精細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化的管理。一般能源管理體系包括能耗監(jiān)測管理層、能效評估管理層和能效評估應(yīng)用層。數(shù)據(jù)中心能源管理體系如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)中心能源管理體系

3.2能耗監(jiān)測管理層

能耗監(jiān)測管理層是能源管理體系的基礎(chǔ),其核心是建立綜合性能耗監(jiān)測管理平臺,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心各個(gè)設(shè)備(包括通信設(shè)備、電氣設(shè)備、空調(diào)設(shè)備及其他輔助設(shè)備)的用能情況和運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測,用獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行能效評估。能耗監(jiān)測管理層的工作主要有以下幾點(diǎn):

(1) 能耗分項(xiàng)計(jì)量。數(shù)據(jù)中心能耗可以分為IT設(shè)備用電、空調(diào)用電、輸配電用電、照明用電、其他輔助用電等。常見計(jì)量裝置包括電表、熱量表、水表、燃?xì)獗淼取?shù)據(jù)中心所用的能源主要是電能,因此常采用智能電表作為計(jì)量裝置。數(shù)據(jù)中心的電力能耗分項(xiàng)計(jì)量指標(biāo)如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)中心電力能耗分項(xiàng)計(jì)量指標(biāo)

(2) 能耗監(jiān)測系統(tǒng)。通過對數(shù)據(jù)中心的分項(xiàng)能耗計(jì)量,結(jié)合遠(yuǎn)程傳輸、云存儲和計(jì)算機(jī)分析等手段,可以建立數(shù)據(jù)中心的能耗監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)能耗的動態(tài)分析和在線監(jiān)測功能。能耗監(jiān)測系統(tǒng)一般由現(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)、能耗監(jiān)測平臺組成，如圖8所示。能耗監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)等,至少具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、信息實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)管理等功能。

圖8　數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3.3能效評估管理層

能效評估管理層通過分析能耗監(jiān)測管理層提供的設(shè)備用電數(shù)據(jù)和工作情況,評價(jià)用電設(shè)備的能效水平,同時(shí)預(yù)測未來的電費(fèi)趨勢。能效評估管理層包括以下部分:

(1) 電費(fèi)預(yù)算管理系統(tǒng)。利用能耗監(jiān)測管理層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),根據(jù)回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立電費(fèi)預(yù)算模型,從而建立電費(fèi)預(yù)算管理系統(tǒng)。預(yù)算模型通常由用戶數(shù)量、設(shè)備類型、端口數(shù)、業(yè)務(wù)收入等信息組成,通過能效系數(shù)來判斷局站的能耗情況,從而可以精確分析各類節(jié)能措施的投入產(chǎn)出。通過該系統(tǒng),可以為數(shù)據(jù)中心提供科學(xué)用電和精確管理的方法,從而降低電費(fèi)。根據(jù)2009年南京電信的調(diào)查情況,利用電費(fèi)預(yù)算管理系統(tǒng)可以節(jié)約用電費(fèi)用約11%[24]。

(2) 能效評估系統(tǒng)。能效評估系統(tǒng)利用評價(jià)指標(biāo)對數(shù)據(jù)中心用電利用效率評估。能效評估系統(tǒng)中,按設(shè)備類型分通信設(shè)備耗電、空調(diào)設(shè)備耗電、供配電系統(tǒng)耗電和輔助設(shè)備耗電;根據(jù)國內(nèi)外制定的能效系數(shù)的限值,來評判設(shè)備所處的能效水平,確定數(shù)據(jù)中心的能耗是否合理。

對于數(shù)據(jù)中心的能效評估,國際上比較有影響力的指標(biāo)是電能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)、數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施效率(Data Center Infrastructure Effectiveness,DCIE),PUE值越低,數(shù)據(jù)中心能效越高。

3.4能效評估應(yīng)用層

能效評估應(yīng)用層的主要作用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能手段的實(shí)施或節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。首先,通過能耗能效監(jiān)測管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)企業(yè)級數(shù)據(jù)中心多維度的能效評估;其次,通過分析節(jié)能手段或節(jié)能技術(shù)與能效水平的關(guān)系,評估該節(jié)能措施的應(yīng)用價(jià)值,并根據(jù)具體情況提出相應(yīng)的節(jié)能目標(biāo)和節(jié)能措施。能效評估應(yīng)用層分析的重點(diǎn)包括節(jié)能技術(shù)水平、節(jié)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和區(qū)域適用性等。

4　結(jié)　語

數(shù)據(jù)中心是耗能大戶,其中空調(diào)用電是主要用能設(shè)備。結(jié)合上海電信某機(jī)房的實(shí)際案例,分析了數(shù)據(jù)中心應(yīng)用分離式熱管技術(shù)、冷池技術(shù)和機(jī)架下送風(fēng)技術(shù)的節(jié)能潛力,結(jié)果表明上述空調(diào)節(jié)能技術(shù)能夠有效降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗。數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果需要有效的能耗管理,從能耗監(jiān)測管理、能效評估管理和能效評估應(yīng)用三個(gè)層面,提出了數(shù)據(jù)中心能耗管理平臺的設(shè)計(jì)。

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Air-conditioning Energy Saving Technology and EnergyManagement Platform Design in Data Center

WU Bin

(Shanghai Credy Intelligent Sci-tech Co., Ltd., Shanghai 201203, China)

Energy consumption of air conditioning is the main part of the data center.The research on air conditioning energy saving technologies of data center were summarized.And combined with actual cases,the technologies of separated heat pipe,cold poolies and under floor air supply were analyzed.The measured results show that the three kinds of technologies can reduce energy consumption by about 31.6%,16.1% and 32.7% respectively.From three levels of energy consumption monitoring and management,management and application of energy efficiency assessment,the design of energy management platform of data center are put forward,which realized the intelligence and autolmation of energy consumption monitoring,management and controlling.

data center; air conditioning; energy-saving technology; energy management platform

吳斌(1967—),男,高級工程師,從事技術(shù)開發(fā)及企業(yè)管理方面的工作。

TU 201.5

B

1674-8417(2016)06-0009-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.003

2016-05-18