數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造實(shí)施途徑

謝 靜

上海郵電設(shè)計(jì)咨詢(xún)研究院有限公司

0 引言

2021年10月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于嚴(yán)格能效約束推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳的若干意見(jiàn)》，要求到2025年數(shù)據(jù)中心電能利用效率普遍不超過(guò)1.5［1］。

2022 年1 月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，要求大力推動(dòng)綠色數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)建、運(yùn)維和改造，到2025年數(shù)據(jù)中心達(dá)到能效標(biāo)桿水平的比例超過(guò)30%［2］。

2022 年10 月，工信部發(fā)布《關(guān)于下達(dá)2022 年度國(guó)家工業(yè)節(jié)能監(jiān)察任務(wù)的通知》，組織實(shí)施國(guó)家工業(yè)專(zhuān)項(xiàng)節(jié)能監(jiān)察，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型升級(jí)［3］。

國(guó)內(nèi)各地?cái)?shù)據(jù)中心PUE［4］參差不齊，不少老舊數(shù)據(jù)中心建設(shè)年代久遠(yuǎn)，PUE 長(zhǎng)期維持在1.7～2.0甚至更高，數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造迫在眉睫［5］，亟待探索改造途徑，以形成可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)，打造標(biāo)桿，制訂標(biāo)準(zhǔn)。

1 數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀

許多數(shù)據(jù)中心設(shè)備運(yùn)行效率低，系統(tǒng)可靠性不高，自然冷源利用不充分，控制系統(tǒng)有待優(yōu)化。目前有相當(dāng)數(shù)量的數(shù)據(jù)中心，業(yè)務(wù)層面安全性、政策層面節(jié)能性及數(shù)字化與國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略發(fā)展尚有差距。如何對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造、遵循何種實(shí)施途徑是當(dāng)前行業(yè)面臨的問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造原則及目標(biāo)

2.1 原則

在用機(jī)房業(yè)務(wù)不中斷的情況下進(jìn)行割接是數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造的前提。在此前提下，提高設(shè)備可靠性、運(yùn)行效率、自然冷源利用率，匹配變頻、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)等，以實(shí)現(xiàn)按需輸出，適應(yīng)數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的多樣性和多變性。

技術(shù)方面，采用新型機(jī)房空調(diào)、液冷、機(jī)柜式、模塊化、余熱綜合回收等節(jié)能技術(shù)［6］，利用AI、機(jī)器人巡檢等智能控制加強(qiáng)自動(dòng)化能耗管理，提升整體節(jié)能水平，降低數(shù)據(jù)中心電能利用效率。

2.2 目標(biāo)

提高基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性、可用性、可維護(hù)性。做到技術(shù)安全，產(chǎn)品可靠，施工工藝可控，運(yùn)行維護(hù)有保障［7］。

創(chuàng)新發(fā)展，綠色節(jié)能，推進(jìn)高質(zhì)量改造。節(jié)能設(shè)備、技術(shù)、工藝、運(yùn)營(yíng)四個(gè)環(huán)節(jié)緊密協(xié)調(diào)，提高資源利用率，優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低施工和運(yùn)營(yíng)全生命周期成本，建立全過(guò)程管理體系［8］。

3 數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造案例

3.1 數(shù)據(jù)歸納梳理

數(shù)據(jù)中心為地下1層，地上3層的多層建筑，建筑面積12 000 m2，有7個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房，于2011年投產(chǎn)運(yùn)行，年用電量約2 700萬(wàn)kWh，年均PUE 2.0左右。

3.1.1 空調(diào)冷源

制冷機(jī)房有3 臺(tái)制冷量為3 516 kW 的離心式冷水機(jī)組，冷水機(jī)組配置了冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔等附屬設(shè)備。設(shè)計(jì)供回水溫度9 ℃/15 ℃，低溫季采用冷卻塔供冷。冷凍水及冷卻水供回水溫差2 ℃?？照{(diào)冷源為定頻設(shè)備，系統(tǒng)為定流量系統(tǒng)，冷源設(shè)備將在2025年逾齡。

3.1.2 空調(diào)末端

數(shù)據(jù)機(jī)房采用房間級(jí)空調(diào)制冷，有冷凍水空調(diào)、風(fēng)冷空調(diào)及冷凍水、風(fēng)冷雙冷源空調(diào)三種?？照{(diào)壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)均為定頻，除雙冷源空調(diào)外，其它空調(diào)設(shè)備已于2022年逾齡。

3.1.3 UPS

數(shù)據(jù)機(jī)房服務(wù)器的供電均采用UPS，共有UPS 34臺(tái)，均為工頻，2023年逾齡。

3.1.4 用電量分析

2022年3月18日至4月12日對(duì)設(shè)備用電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，以計(jì)算此段時(shí)間PUE及各PUE因子的構(gòu)成，詳見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備用電量及PUE因子構(gòu)成

3.2 分項(xiàng)節(jié)能診斷

梳理基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，對(duì)空調(diào)冷源、空調(diào)末端、UPS、輔助用電、智能控制五個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分項(xiàng)節(jié)能診斷。

3.2.1 空調(diào)冷源

空調(diào)冷源主要設(shè)備均為定頻，冷凍水及冷卻水供回水溫差2 ℃，冷源設(shè)備無(wú)法根據(jù)末端負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,冷源系統(tǒng)能耗較大；冷凍水供水溫度9 ℃，溫度偏低導(dǎo)致冷水機(jī)組能效較低及自然冷源使用時(shí)間較短。冷源系統(tǒng)PUE 因子0.355，其中冷水機(jī)組PUE 因子0.200，冷卻塔0.016，冷凍水泵及冷卻水泵為0.079和0.059。

3.2.2 空調(diào)末端

地下1 層設(shè)有1 個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房，空調(diào)形式為風(fēng)冷空調(diào)；1 至3 層有6 個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房，空調(diào)形式為冷凍水空調(diào)+冷凍水、風(fēng)冷雙冷源空調(diào)，平時(shí)主用為冷凍水空調(diào)，雙冷源空調(diào)作為補(bǔ)充。空調(diào)的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)均為定頻，無(wú)法根據(jù)末端負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，加之供水溫度偏低，增加了機(jī)房側(cè)結(jié)露和加濕能耗。此外，空調(diào)使用已超10年，制冷量衰減嚴(yán)重，數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)制冷量遠(yuǎn)超設(shè)備發(fā)熱量，帶來(lái)空調(diào)末端功耗上升，PUE因子0.406。

3.2.3 UPS

UPS 均為工頻，效率71%～87%，效率低下導(dǎo)致用電損耗增加，PUE因子0.178。

3.2.4 輔助用電

輔助用電系統(tǒng)包括機(jī)房照明及物業(yè)用電，設(shè)備種類(lèi)繁多，用途多樣，無(wú)統(tǒng)一管理及規(guī)劃［9］，機(jī)房照明PUE因子0.012，物業(yè)用電PUE因子0.067。

3.2.5 智能控制

空調(diào)、電源智能控制單元不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我管理，借助外部控制系統(tǒng)，如空調(diào)群控、動(dòng)環(huán)監(jiān)控等來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理能力欠缺，運(yùn)維精細(xì)化管理能力不足。

3.3 方案綜合評(píng)估

依據(jù)分項(xiàng)節(jié)能診斷，對(duì)空調(diào)冷源、空調(diào)末端、UPS、輔助用電、智能控制系統(tǒng)進(jìn)行方案綜合評(píng)估。

3.3.1 空調(diào)冷源

冷水機(jī)組及冷卻塔機(jī)型老舊，進(jìn)行變頻改造存在效果不理想及對(duì)設(shè)備損傷的可能性，考慮到冷源系統(tǒng)設(shè)備將在2025 年逾齡，立即改造的話(huà)效益不佳，可待設(shè)備更新時(shí)再更換新型變頻設(shè)備。預(yù)估更新后冷水機(jī)組PUE 可降低0.05，冷卻塔降低0.01，水泵降低0.01。

冷凍水、冷卻水供回水溫差2 ℃，水泵溫差小、流量大，循環(huán)水泵功耗大，PUE因子0.138。增加水泵變頻裝置，將定頻水泵改為變頻水泵［10］，可降低水泵運(yùn)行頻率，減小系統(tǒng)流量，加大供回水溫差，降低輸配系統(tǒng)能耗。預(yù)估水泵變頻改造后可降低PUE 0.07，投資回報(bào)率較高。

根據(jù)數(shù)據(jù)機(jī)房實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷，可逐步嘗試將冷凍水供水溫度由9 ℃提升到12 ℃［11］，提高冷水機(jī)組能效，延長(zhǎng)自然冷源使用時(shí)間，減少機(jī)房側(cè)結(jié)露及加濕功耗，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，預(yù)估可降低PUE 0.03。

3.3.2 空調(diào)末端

風(fēng)冷空調(diào)、冷凍水空調(diào)運(yùn)維規(guī)程更新，雙冷源空調(diào)作為備機(jī)，開(kāi)啟時(shí)間較短，經(jīng)評(píng)估，使用年限可延長(zhǎng)至2025 年。風(fēng)冷空調(diào)更新為全變頻氟泵空調(diào)［12］，可最大限度地使用自然冷源，全年能效比達(dá)到4.50 以上。冷凍水空調(diào)更新為EC 風(fēng)機(jī)，根據(jù)末端負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。雙冷源空調(diào)壓縮機(jī)改造成本較高，不作調(diào)整，僅將FC 風(fēng)機(jī)更新為EC風(fēng)機(jī)，根據(jù)實(shí)際負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)空調(diào)送風(fēng)量。運(yùn)維中優(yōu)化機(jī)房氣流組織，消除局部熱點(diǎn)，增加機(jī)柜空位盲板，減少空調(diào)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)?？照{(diào)末端系統(tǒng)改造預(yù)估可降低PUE 0.17，2025 年雙冷源空調(diào)更新后預(yù)估可再降低PUE 0.01。

3.3.3 UPS

按照設(shè)備運(yùn)維規(guī)程，UPS將于2023年逾齡，到時(shí)全部更新為效率在95%以上的高頻機(jī)組，預(yù)估可降低PUE 0.12。

3.3.4 輔助用電

建立輔助用電節(jié)能管理，對(duì)各類(lèi)輔助設(shè)施用電統(tǒng)一規(guī)劃［13］，如機(jī)房照明按單雙月間隔開(kāi)啟，無(wú)人時(shí)常關(guān)；辦公用電無(wú)人時(shí)關(guān)閉，空調(diào)開(kāi)啟時(shí)關(guān)閉外窗；電梯群控聯(lián)動(dòng)，減少無(wú)效空車(chē)運(yùn)行。節(jié)能管理措施的采取預(yù)估可降低PUE 0.02。

3.3.5 智能控制

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行趨勢(shì)，不斷優(yōu)化控制系統(tǒng)，進(jìn)行精細(xì)化運(yùn)維，提高管理效率、設(shè)備能效和經(jīng)濟(jì)性［14］。運(yùn)維策略隨設(shè)備更新逐步落實(shí)，預(yù)估可降低PUE 0.01。主設(shè)備更新后，可在已有的空調(diào)群控及動(dòng)環(huán)監(jiān)控的基礎(chǔ)上增加AI控制，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，提高能效，預(yù)估可降低PUE 0.02。

3.4 分段實(shí)施步驟

確保在用數(shù)據(jù)中心安全的前提下，依據(jù)方案綜合評(píng)估，充分考慮設(shè)備自身的更新年限及改造收益，有計(jì)劃地分段實(shí)施，并分析各段PUE。

3.4.1 近期節(jié)能改造內(nèi)容及PUE 分析（2022 至2023年）

改造內(nèi)容包括：1 至3 層機(jī)房冷凍水型空調(diào)的更新，1 至3 層機(jī)房雙冷源空調(diào)EC 風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造，地下1 層機(jī)房風(fēng)冷空調(diào)的更新，冷凍水泵、冷卻水泵變頻改造，冷凍水供水溫度的提高，氣流組織的優(yōu)化，輔助用電系統(tǒng)管理規(guī)章制度的健全。

改造后，對(duì)年均PUE進(jìn)行測(cè)算，見(jiàn)表2。

表2 年均PUE測(cè)算

綜上，以2021年為基準(zhǔn)，全年用電2 711萬(wàn)kWh，年均PUE 2.018。改造完成后，全年用電2 312 萬(wàn)kWh，年均PUE 1.69，節(jié)能改造費(fèi)用480萬(wàn)元，全年節(jié)電為：

2 711-2 312=399 萬(wàn)kWh，電費(fèi)以0.57 元/kWh計(jì)，折合節(jié)約電費(fèi)為399X0.57=227.43 萬(wàn)元，480/227.43=2.11年收回成本。

3.4.2 中期節(jié)能改造內(nèi)容及PUE 分析（2024 至2025年）

改造內(nèi)容為將UPS工頻機(jī)全部更新為高頻機(jī)。

改造后，高頻機(jī)效率在95%以上，預(yù)計(jì)PUE 下降0.12，年均PUE為1.69-0.12=1.57。

3.4.3 遠(yuǎn)期節(jié)能改造內(nèi)容及PUE 分析（2026 至2027年）

改造內(nèi)容包括：定頻冷水機(jī)組更新為變頻冷水機(jī)組，定頻冷卻塔更新為變頻冷卻塔，冷凍水泵、冷卻水泵更新為變頻水泵，機(jī)房雙冷源空調(diào)更新，提升智能控制系統(tǒng)，增加AI控制系統(tǒng)。

改造后預(yù)計(jì)PUE 還可下降0.11，年均PUE：1.57-0.11=1.46。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造總體思路為以規(guī)劃為指引、以需求為導(dǎo)向、以經(jīng)濟(jì)評(píng)估為決策的客觀(guān)依據(jù)，改造方案為以整體機(jī)樓為單位、以機(jī)房為顆粒度、以全生命周期未來(lái)業(yè)務(wù)更新改造為需求的導(dǎo)向。

數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造要因地制宜，一樓一策，圍繞節(jié)能和設(shè)備的更新?lián)Q代，做好氣流組織優(yōu)化，依靠AI 助力精準(zhǔn)管理，全面評(píng)估方案，為數(shù)據(jù)中心全生命周期的低碳發(fā)展制定完整的改造實(shí)施途徑。

1) 數(shù)據(jù)歸納梳理，包括設(shè)備、資源、技術(shù)參數(shù)、機(jī)房溫濕度、能耗、機(jī)房管理等基礎(chǔ)信息，對(duì)數(shù)據(jù)“了然于胸”；

2)分項(xiàng)節(jié)能診斷，包括信息系統(tǒng)、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等，對(duì)問(wèn)題“分門(mén)別類(lèi)”；

3)抓住關(guān)鍵因素，提出節(jié)能改造實(shí)施方案，對(duì)方案“綜合評(píng)估”；

4)優(yōu)先挖掘現(xiàn)有設(shè)備的節(jié)能潛力，制定改造分段實(shí)施步驟；

5)監(jiān)測(cè)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行狀況，評(píng)估節(jié)能效果，提出進(jìn)一步的優(yōu)化措施。