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摘要：文章分析了位于北京和廣州的3個大型數(shù)據(jù)中心的能耗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)中心節(jié)能存在的問題分別進(jìn)行了分析診斷。從設(shè)計及運(yùn)行管理兩大方面總結(jié)了目前數(shù)據(jù)中心普遍存在的共性問題，為數(shù)據(jù)中心節(jié)能提供了方向。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；節(jié)能；能效
0引言
近年來隨著國家對于信息化工作的重視,作為信息化基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展。我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)的數(shù)量多，建設(shè)質(zhì)量也在世界上處于靠前，主要采用了世界上較好的IT設(shè)備，較好的制冷設(shè)備，較好的精密空調(diào)，較好的控制系統(tǒng)。
1北京某IDC數(shù)據(jù)中心
1.1工程簡介
該數(shù)據(jù)中心建筑面積20000㎡，在6B#大樓地下室建有冷凍機(jī)房。配置4臺離心式冷水機(jī)組、4臺冷卻水泵、4臺冷凍水泵，室外地面建有16臺冷卻塔；機(jī)房空調(diào)為水冷及風(fēng)冷兩種精密空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)面積約6000㎡。機(jī)房內(nèi)未設(shè)置冷熱通道。
1.2能耗分布與PUE
根據(jù)約一年的實(shí)測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)中心的能耗分布和PUE見表1,年P(guān)UE為1.8。對處于寒冷地區(qū)的北京，PUE值偏高。
1.3數(shù)據(jù)分析
根據(jù)能耗分項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以定量計算出空調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相對關(guān)系，并進(jìn)行其合理性評價，見表2。
1.4主要存在的問題
根據(jù)能耗數(shù)據(jù)、訪談情況以及水系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的測試結(jié)果，該數(shù)據(jù)中心的問題主要為：
1）主機(jī)效率偏低。
2）水泵的能耗占比過高。
3）分水器與集水器之間存在水量旁通。
4）機(jī)房內(nèi)精密空調(diào)能耗過高。 導(dǎo)致風(fēng)冷空調(diào)開啟的原因包括:機(jī)房內(nèi)溫度分布不均，有的機(jī)房不同地點(diǎn)溫差相差10℃，存在局部熱點(diǎn)。局部熱點(diǎn)的存在，拉低了房間整體溫度，加大了供應(yīng)能力需求。同時由于供應(yīng)到水冷空調(diào)的水量不足，使得水量空調(diào)的供冷量不足，因而風(fēng)冷空調(diào)不得不開啟。
5）機(jī)房內(nèi)采用漫灌式氣流組織，沒有設(shè)置氣流冷熱通道。送回風(fēng)溫差小，只有3℃，加大了送風(fēng)輸送能耗。
6）缺少智能化管理手段。雖然有動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但缺少節(jié)能管理的智能化控制系統(tǒng)，也沒有統(tǒng)一集中的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，使得管理人員對設(shè)備運(yùn)行狀況無法細(xì)致了解。運(yùn)維人員的主要精力放在保平安運(yùn)行上。
7）未利用自然冷源。北京地區(qū)冬季自然冷源資源豐富，但未采取任何技術(shù)措施加以利用。
表1北京某IDC數(shù)據(jù)中心能耗數(shù)據(jù)
表2北京某IDC數(shù)據(jù)中心分項(xiàng)能耗情況
2廣州某云計算數(shù)據(jù)中心
2.1基本情況
廣州某云計算數(shù)據(jù)中心位于廣州市蘿崗區(qū)。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)面積約35000㎡(其中一期15000㎡)。建筑9層，其中數(shù)據(jù)機(jī)房位于3、4層。
數(shù)據(jù)中心采用集中冷源，冷凍站位于大樓1層，設(shè)有4臺離心式冷水機(jī)組、1臺螺桿式冷水機(jī)組，配有5臺冷卻水泵、5臺冷凍水泵，5臺冷卻塔位于5樓屋面。
機(jī)房內(nèi)設(shè)有水冷空調(diào)機(jī)組，通過靜壓箱送風(fēng)，共78臺精密空調(diào)機(jī)組。機(jī)房內(nèi)氣流分設(shè)冷熱通道?？照{(diào)系統(tǒng)日常管理采用手動管理，缺少自動控制平臺。除配電房有主要回路的電能監(jiān)測外，對于能耗監(jiān)管缺少分項(xiàng)計量，不能進(jìn)行細(xì)化分析。
2.2能耗分布及PUE
采用瞬時電量進(jìn)行PUE計算，其值為1.77。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施(暖通空調(diào))的功率總和為1099kW，占數(shù)據(jù)中心總耗電的44%，見表3。
2.3存在的主要問題
1）冷卻水泵的效率低。冷卻水泵的效率只有約45%，與設(shè)計要求的70%差距較大。冷卻水泵的額定揚(yáng)程30mH?O,但實(shí)際揚(yáng)程只有15mH?O。冷卻塔投入使用時間為2017年,設(shè)備狀態(tài)良好。冷卻水出口溫度與空氣濕球溫度差值約為2.3℃。冷卻塔效率較高。
2）機(jī)房精密空調(diào)開啟臺數(shù)過多。
3）缺少智能化管理手段。雖然有動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但缺少節(jié)能管理的智能化控制系統(tǒng)，也沒有統(tǒng)一集中的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，使得管理人員對設(shè)備運(yùn)行狀況無迭細(xì)致了解。
表3廣州某云計算數(shù)據(jù)中心分項(xiàng)耗電情況
3廣州某數(shù)據(jù)中心
3.1基本情況
該數(shù)據(jù)中心位于廣州市內(nèi)，分為1#樓和2#樓，于2009年建成使用。均采用集中式冷水機(jī)組進(jìn)行供冷。
1#機(jī)樓：該數(shù)據(jù)中心1層冷凍站設(shè)有2臺特靈螺桿式冷水機(jī)組，配有3臺冷卻水泵、3臺冷凍水泵，屋頂天臺設(shè)有1臺蒸發(fā)式冷凝螺桿機(jī)、2臺冷凍水泵、2組冷卻塔；機(jī)房均采用上送風(fēng)、側(cè)回風(fēng)的氣流方式。
2#機(jī)樓：該數(shù)據(jù)中心1層冷凍站由1期及2期合并組成，1期制冷設(shè)備為2臺約克螺桿機(jī)組及配套的3臺冷凍水泵、3臺冷卻水泵、1組冷卻水塔；2期制冷設(shè)備為2臺約克離心式冷水機(jī)組及配套的3臺冷凍水泵、3臺冷卻水泵、2組冷卻水塔；2#機(jī)樓調(diào)研的數(shù)據(jù)機(jī)房是2至7層的數(shù)據(jù)機(jī)房；其中4層401/402機(jī)房采用上送風(fēng)、側(cè)回風(fēng)的氣流方式，其它機(jī)房均采用地板式機(jī)柜送風(fēng)，上回風(fēng)加側(cè)回風(fēng)的氣流方式。
整套制冷系統(tǒng)無BA自控系統(tǒng)，所有制冷設(shè)備運(yùn)行模式需人工操作，也缺少能耗計量系統(tǒng)。
3.2
1）UPS和HVDC的負(fù)載率低，造成損耗過大。UPS和HVDC的損耗達(dá)到總能耗的約11%。HVDC普遍負(fù)荷率平均在35.50%，UPS平均負(fù)荷率為24.86%。
應(yīng)啟動高壓直流的休眠睡醒功能，讓HVDC整流模塊關(guān)閉休眠不必要開啟的整流模塊，可以大大降低HVDC的損耗。建議在80%~90%啟動模塊睡醒功能,30%~40%啟動模塊休眠功能，設(shè)置48h休眠模塊與運(yùn)行模塊輪換一次。
減低UPS損耗，若UPS的負(fù)荷量低于25%時，可以關(guān)閉1臺UPS，這樣就可以降低1臺UPS的損耗量。
2）冷卻塔冷卻效果不佳。冷卻塔的逼近度過大，在冬季室外濕球溫度13℃時，逼近度達(dá)到12.5℃，冷卻水塔的填料有損壞以及表面結(jié)垢現(xiàn)象較為嚴(yán)重，應(yīng)更換及定期清洗，可提高冷塔冷卻能力。
3）水系統(tǒng)水質(zhì)較差。水系統(tǒng)維護(hù)不及時，導(dǎo)致水質(zhì)較差，影響冷水機(jī)組效率。應(yīng)定期進(jìn)行水質(zhì)的清洗和維護(hù)。
表41#機(jī)樓總體能耗
表51#樓空調(diào)系統(tǒng)能耗分布
4數(shù)據(jù)中心節(jié)能存在的主要問題
通過以上案例及各地其它數(shù)據(jù)中心的能耗情況，可以看到有些問題普遍存在于目前的數(shù)據(jù)中心中。
4.1系統(tǒng)設(shè)計方面
1）水泵的選型普遍偏大，導(dǎo)致水泵實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)偏離高效區(qū)，水泵運(yùn)行效率較低。大多數(shù)只在50%左右。
2）水管路系統(tǒng)設(shè)計粗獷，沒有進(jìn)行細(xì)致設(shè)計計算，水路流量分配不滿足預(yù)期要求。有些精密空調(diào)的水流量嚴(yán)重不足，水溫差達(dá)到6℃~8℃以上。
3）一些早年建成的數(shù)據(jù)中心的冷熱通道沒有嚴(yán)格分開設(shè)計，導(dǎo)致送風(fēng)氣流短路。不僅影響送風(fēng)效率，也影響了機(jī)房空氣溫度，惡化了運(yùn)行環(huán)境。
4）多數(shù)數(shù)據(jù)中心沒有設(shè)計自然冷卻系統(tǒng)，沒有充分利用自然資源。實(shí)際上由于數(shù)據(jù)中心需要全年冷卻，在我國大部分地區(qū)(除廣東、福建等少數(shù)地區(qū))都可使用自然冷源。而利用自然冷源是目前降低能耗的有效措施。
5）沒有建成能耗分項(xiàng)計量系統(tǒng)。使用者對于能耗的分布不清楚，對能源效率無從知曉。
6）控制系統(tǒng)缺乏有效的調(diào)節(jié)策略。控制系統(tǒng)智能程度低，僅僅支持泛泛的啟停控制等。在控制策略設(shè)計時，缺少空調(diào)專業(yè)的支持。
7）選配的電氣設(shè)備容量偏大。UPS的使用容量低，導(dǎo)致?lián)p耗多。變壓器也存在同樣問題，使得使用效率低，損耗嚴(yán)重，電氣設(shè)備損耗占總能耗的10%左右。
以上這些因素交織在一起，往往造成數(shù)據(jù)中心的能耗居高不下。
5安科瑞為數(shù)據(jù)中心提供的電力監(jiān)控解決方案
5.1精密配電管理解決方案
AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時監(jiān)控和有效管理，為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。
5.1.1交流系統(tǒng)
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-E4
電流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
5.1.2直流系統(tǒng)
1)功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-DE
霍爾傳感器AHKC-F-XXA/5V
開關(guān)電源SBD-30（48V）
產(chǎn)品規(guī)格
說明：■為標(biāo)配功能。
配套附件
配套附件
5.2AMB智能小母線管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。
1）交流系統(tǒng)功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
2）直流系統(tǒng)功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
產(chǎn)品介紹
說明：■為標(biāo)配功能。
參考文獻(xiàn)：
【1】張晟，李超，梁剛強(qiáng)，顧砒，龔延風(fēng).數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)能運(yùn)行現(xiàn)狀與問題分析
【2】鐘聰睿.互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)機(jī)房總體規(guī)劃中的節(jié)能設(shè)計研究信息通信，2016(8):241-242
【3】卜東潔，王克勇，潘俊等.數(shù)據(jù)中心機(jī)房升溫的研究[J].建筑節(jié)能，2015(5):31-33
【4】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版
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