數(shù)據(jù)中心能耗分析研究

李志文 李衛(wèi)國(guó) 王利利

摘 要：數(shù)據(jù)中心的能耗問題從未像今天這樣引起行業(yè)、全國(guó)甚至全世界的關(guān)注。在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)中心能耗分析優(yōu)化不僅是數(shù)據(jù)中心重點(diǎn)研究對(duì)象，同時(shí)也是運(yùn)維管理的重點(diǎn)難點(diǎn)。本文簡(jiǎn)述了數(shù)據(jù)中心節(jié)能的意義，重點(diǎn)介紹了常用的數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施，并以北方某數(shù)據(jù)中心為例說明常用的數(shù)據(jù)中心措施的優(yōu)點(diǎn)。首先對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后根據(jù)一線運(yùn)維人員工作經(jīng)驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)除IT設(shè)備以外的兩大能耗最多的系統(tǒng)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；節(jié)能；空調(diào)暖通；能耗優(yōu)化

1 課題意義

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國(guó)將逐漸成為世界最大的單一市場(chǎng)。由此而來，不僅國(guó)內(nèi)公司在我國(guó)各地建立數(shù)據(jù)中心，越來越多的跨國(guó)公司也表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣。據(jù)SynergyResearch的最新報(bào)告，截至2017年年底，全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心己超過390座。美國(guó)以44%的占有率遙遙領(lǐng)先其他各國(guó)，第二名的中國(guó)僅占8%。在數(shù)據(jù)中心增速的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，2017年內(nèi)全球數(shù)據(jù)中心18.3%，亞洲增速最快，其中中國(guó)在2017年以39.57%的增速位列世界第一。

相對(duì)于數(shù)據(jù)中心的爆發(fā)式增長(zhǎng)，與之相配套的電力、生產(chǎn)用水供應(yīng)短缺造成數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)壓力大。目前數(shù)據(jù)中心正在集聚化，以貴州貴陽、內(nèi)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(shù)據(jù)公司的青睞。

隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷變大，數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備、電力設(shè)備、暖通設(shè)備耗電量、耗水量在急速增加。綠色數(shù)據(jù)中心的概念正成為一個(gè)數(shù)據(jù)中心必備條件。PUE是衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵指標(biāo)，低PUE值得數(shù)據(jù)中心不僅給企業(yè)節(jié)省大量運(yùn)維成本，同時(shí)也體現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員管理、技術(shù)的高水準(zhǔn)。目前，全球先進(jìn)數(shù)據(jù)中心PUE值在1.5以下，而我國(guó)許多數(shù)據(jù)中心宣傳PUE值在1.8左右，實(shí)則達(dá)到2.5。這反映出我們?cè)跀?shù)據(jù)中心的節(jié)能方面還有很多工作要做。

根據(jù)我國(guó)數(shù)據(jù)中心業(yè)內(nèi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，一個(gè)面積在l000m2的機(jī)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l700多萬kWh左右。

從數(shù)據(jù)中心電力消耗來看，數(shù)據(jù)中心屬于高耗能產(chǎn)業(yè)。在中國(guó)實(shí)行數(shù)字中國(guó)的今天，數(shù)據(jù)中心逐漸成為城市建設(shè)、發(fā)展中不可或缺的角色，我們期待著國(guó)內(nèi)同行從業(yè)者努力將PUE值降到無限接近l。

2 數(shù)據(jù)中心主要耗能源

影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素有很多，其中空調(diào)暖通設(shè)備是最主要的因素，同時(shí)也是最容易實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化的領(lǐng)域。但數(shù)據(jù)中心的其他領(lǐng)域例如供配電設(shè)備（UPS電源不問斷設(shè)備、變壓器、母排等）、日常照明、消安防設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)體本身熱輻射等。

2.1供配電設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響

數(shù)據(jù)中心的耗電量巨大，其中以UPS因電感產(chǎn)生很大的諧波，所以會(huì)有較大的電力損耗。提高UPS效率是數(shù)據(jù)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(gè)恒定值，它隨負(fù)載變化而變化。如圖1所示，UPS效率隨負(fù)載增加而提高。當(dāng)負(fù)載在0%-30%時(shí)，UPS效率極低，所以一般不建議UPS在此區(qū)間內(nèi)運(yùn)行；當(dāng)負(fù)載在30%-70%時(shí)，UPS效率由85%上升到90%。當(dāng)負(fù)載在70%～100%時(shí)，UPS效率恒定在90%左右。所以建議UPS負(fù)載穩(wěn)定在80%左右效果最佳。目前在建大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心都采用多臺(tái)較小容量UPS并聯(lián)而不是單臺(tái)較大容量，UPS優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：首先可以確保其中一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障的情況下可以由其余承擔(dān)其負(fù)載，確保了數(shù)據(jù)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。

2.2空調(diào)暖通設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響

據(jù)美國(guó)采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）技術(shù)委員會(huì)9.9（簡(jiǎn)稱TC9.9）統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如圖2所示。

由圖2可知，空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗在數(shù)據(jù)中心所有系統(tǒng)中占比第二，達(dá)到31%，是UPS能耗占比的約3倍，因此，空調(diào)制冷能耗優(yōu)化空間最大、成效最快、節(jié)約成本最多。大部分企業(yè)將數(shù)據(jù)中心的能耗分析優(yōu)化集中在了空調(diào)制冷這一領(lǐng)域，優(yōu)秀的空調(diào)制冷能耗分析優(yōu)化方案可以極大降低數(shù)據(jù)中心能耗和PUE值。

3 實(shí)例分析

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

3.1數(shù)據(jù)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(diǎn)所以設(shè)計(jì)了不同的制冷模式。根據(jù)室外溫度的不同設(shè)計(jì)了3種模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的制冷。當(dāng)溫度設(shè)計(jì)采用了水側(cè)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(shí)，通過換熱交換器間接換熱后供給空調(diào)末端制冷。制冷系統(tǒng)全年運(yùn)行分為3種模式：冷機(jī)制冷模式、部分自然冷卻模式、自然冷卻模式。

（1）當(dāng)室外濕球溫度t>15.5℃時(shí)，冷卻塔出水溫度>19.5℃，冷機(jī)工作，板式換熱器不工作，系統(tǒng)運(yùn)行模式為冷機(jī)制冷模式。

（2）當(dāng)室外濕球溫度8℃（3）當(dāng)室外濕球溫度t<8℃時(shí)冷卻塔出水溫度t<13.5℃，冷機(jī)不工作，板式換熱器工作，系統(tǒng)運(yùn)行模式為自然制冷模式。

3.2冷卻水處理

因?yàn)槔鋮s水直接與室外空氣接觸，在制冷系統(tǒng)運(yùn)行制冷的同時(shí)也會(huì)將室外微生物、塵土帶入到管道、冷機(jī)等設(shè)備中。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，管道、冷機(jī)中會(huì)附著大量的微生物、水垢，從而會(huì)影響制冷設(shè)備的換熱效果。所以該數(shù)據(jù)中心在冷卻水管道接入微晶旁流、自動(dòng)加藥裝置等水處理設(shè)備用于物理和化學(xué)處理水質(zhì)。

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(jìn)行的。水泵的節(jié)能除采用變頻裝置外，應(yīng)采用較大直徑的管道、盡量減少管道長(zhǎng)度和彎頭、采用大半徑彎頭、減少換熱器的壓降等。冷凍機(jī)房、水泵、冷卻塔、板式換熱器和精密空調(diào)盡量設(shè)計(jì)安裝在相近的高度以減少水泵揚(yáng)程。

根據(jù)負(fù)載的不利壓差控制，當(dāng)負(fù)載減少時(shí)，二度調(diào)節(jié)閥閥門開度變小，檢測(cè)的壓差設(shè)定點(diǎn)壓差值同將水泵設(shè)置為不同的運(yùn)行頻率是水泵節(jié)能的另一個(gè)方法也是最主要的方法[2]。電機(jī)所需功率理論上按轉(zhuǎn)速的三次方下降[3]。例如，某一水泵電機(jī)工作轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)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(diào)系統(tǒng)末端的最變大，泵的頻率在下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，使系統(tǒng)流量減少，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。這種節(jié)能措施不但減少了空調(diào)系統(tǒng)的用水量，同時(shí)也節(jié)約了電的使用量。

3.4機(jī)房溫度

在我國(guó)數(shù)據(jù)中心A級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度規(guī)定在（23±1）℃，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心按照A類數(shù)據(jù)中心規(guī)格設(shè)計(jì)建造。個(gè)別數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度甚至在20℃左右。在IT設(shè)備越來越優(yōu)化的趨勢(shì)下，此溫度無疑造成了電力、水資源極大浪費(fèi)。參照國(guó)外數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度一般在28℃可以滿足機(jī)房對(duì)溫度的需求且節(jié)能，同時(shí)我們比較合理的做法是在夏季將溫度設(shè)定比春秋兩季偏高些，冬季設(shè)定比春秋兩季偏低些。

3.5機(jī)房送回風(fēng)方式

根據(jù)調(diào)查，相近的單位機(jī)房的耗冷量相近，送風(fēng)溫度相近，采用下送上回[4]（見圖3）的氣流組織，機(jī)柜實(shí)際獲得的冷卻效果優(yōu)于上送下回方式[5]。

冷卻空氣從設(shè)在機(jī)柜近側(cè)或機(jī)柜底部的活動(dòng)地板風(fēng)口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機(jī)房?jī)?nèi)的熱空氣混合，即刻從機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)柜，有效地提高了送入機(jī)柜冷卻空氣的質(zhì)量，用較少的風(fēng)量，提高了機(jī)柜的冷卻效果。

下送風(fēng)上回風(fēng)的氣流組織有以下顯著優(yōu)點(diǎn)。

（1）活動(dòng)地板下可以作為送風(fēng)靜壓箱，可以靈活布置IT設(shè)備。

（2）機(jī)房頂部既可以作為回風(fēng)靜壓箱同時(shí)又可以作為IT設(shè)備鋪設(shè)電纜的空間。機(jī)房冷熱通道采用熱通道封閉為佳，這樣的設(shè)計(jì)使得可以高效地將冷空氣直接輸送到指定位置，避免冷空氣與熱空氣混合造成空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷增加從而浪費(fèi)更多的水與電。

4 結(jié)語

近年來，我國(guó)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)保持著良好的發(fā)展勢(shì)頭。運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理企業(yè)、治理國(guó)家極大提升了企業(yè)、政府的管理能力，大數(shù)據(jù)的發(fā)展、應(yīng)用已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。隨著大型數(shù)據(jù)中心不斷地發(fā)展，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、設(shè)備功率越來越大。因此，無論從企業(yè)管理運(yùn)營(yíng)成本還是環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，我們都應(yīng)該在現(xiàn)有條件下提出一套節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)約能源。數(shù)據(jù)中心節(jié)能應(yīng)該貫穿數(shù)據(jù)中心的整個(gè)生命周期，應(yīng)該根據(jù)不同階段、不同設(shè)備狀況提出不同方案。

數(shù)據(jù)中心節(jié)能不是一蹴而就的，而是經(jīng)過在運(yùn)維一線摸索、實(shí)驗(yàn)才可以得到的。這種節(jié)能的思想應(yīng)該滲透到運(yùn)維人員每一次操作、每一個(gè)角落，才能做到真正的節(jié)能。

[參考文獻(xiàn)]

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