高金波，丁倩（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

IDC機房配套節(jié)能措施研究

高金波，丁倩
（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

近期中國移動正在大規(guī)模建設(shè)IDC機房，數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大，但是昂貴的建設(shè)和運維費用降低了IDC業(yè)務(wù)的利潤率，建設(shè)綠色節(jié)能的IDC機房是解決這些問題的途徑，同時也是履行社會責(zé)任的重要部分。本文以配套設(shè)備節(jié)能為研究對象，分析了PUE值的構(gòu)成因子，論述了供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等配套部分的節(jié)能措施及效果。

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機房；PUE值；配套節(jié)能措施

1 概述

隨著Internet應(yīng)用迅速發(fā)展，信息通信業(yè)務(wù)一直保持高速發(fā)展態(tài)勢，“信息通信技術(shù)是21世紀社會發(fā)展的最強有力動力之一，并將迅速成為世界經(jīng)濟增長的重要動力”已經(jīng)成為全球共識。電子商務(wù)和信息技術(shù)成為當(dāng)今社會、政府、企業(yè)以及個人關(guān)注和談?wù)摰慕裹c，用戶的信息通信服務(wù)需求多樣化，社會信息化的進程也急劇熱化。

在這種情況下，產(chǎn)生了IDC（Internet data center， 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）。IDC業(yè)務(wù)主要是向用戶提供：豐富的帶寬資源，電信級安全可靠的機房設(shè)施，高水平的網(wǎng)絡(luò)管理，完善的增值服務(wù)等IT業(yè)務(wù)資源。IDC 的主要發(fā)展方向是創(chuàng)造盡可能多的基于帶寬的增值服務(wù)，使用戶們能夠從復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中擺脫出來，專注自身企業(yè)發(fā)展。IDC 面向的客戶主要是政府機關(guān)、企事業(yè)單位、網(wǎng)絡(luò)公司等，市場容量巨大，業(yè)務(wù)前景廣闊，已經(jīng)處在市場生命周期中的成長期和成熟期。在IDC業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展的同時，傳統(tǒng)的機房建設(shè)面臨不斷追加的機房配套成本及由于飆升的能源價格造成的運營成本增高的問題。能源費用的支出已影響到IDC機房的盈利水平，并且對環(huán)境、社會造成惡劣影響。對于通信運營商，如何建設(shè)綠色節(jié)能的IDC機房，降低運營成本，提高盈利能力，履行社會責(zé)任成為規(guī)劃建設(shè)一個IDC機房必須解決的問題。本文僅從配套設(shè)備角度探討機房節(jié)能，主設(shè)備的節(jié)能不在論述范圍內(nèi)。

2.1 IDC能效評價指標

目前流行的能效評價指標有以下幾種：

PUE(Power Usage Effectiveness)是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比。其計算公式：PUE=數(shù)據(jù)中心的總用電量/IT設(shè)備的總用電量。PUE值越接近于1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高。

EER（Energy Efficiency Ratio)是從空調(diào)制冷效率的概念借鑒而來，即能效比。是實現(xiàn)計算功能有效的電力消耗與維持整個數(shù)據(jù)中心正常運行而消耗的電力之比。

sWap，服務(wù)器性能評價指標，是一個客觀的三維方法，為當(dāng)今服務(wù)器的評估提供了現(xiàn)實而且富有綜合性的標準。它是一個評估服務(wù)器的經(jīng)濟性和環(huán)保性的數(shù)值，其計算公式為：Performance/（Space·Watts）。其數(shù)值越高，則表示了服務(wù)器在一定空間內(nèi)和一定的功率下，性能越高。或者可以表示為性能相同的情況下，占用的空間和使用的能耗越小。此指標主要針對服務(wù)器的能效指標，要考量整個IDC機房的能效，需再考慮配套設(shè)備的能耗。

近期有越來越多的評價指標出現(xiàn)，但應(yīng)用最廣泛的是PUE。PUE值有不科學(xué)的地方，它沒有考慮服務(wù)器本身的能效及機房利用率等方面，但PUE值是最直觀，并且其它能效指標不易測取。PUE也有瞬時PUE和周期PUE的區(qū)別，為了減少不確定因素及季節(jié)性因素的影響，本文按照全年統(tǒng)計平均PUE作為評價指標。

以變壓器輸出斷路器處為數(shù)據(jù)中心輸入總能耗，IDC機房PUE值計算公式如下：

PUE＝(1)/(2)＝[(3)+(4)+(5)]/(2)＝a+b+c其中：（1） 數(shù)據(jù)中心輸入總能耗；

（2） IT設(shè)備總能耗；（3） UPS輸入側(cè)能耗；

（4） 空調(diào)系統(tǒng)輸入側(cè)能耗；（5） 輔助能耗。

a為供電因子，b為制冷因子，c為輔助因子。PUE值是3個因子之和。

2 配套節(jié)能措施

機房配套設(shè)備包含供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、機柜、機房照明、機房監(jiān)控等部分，其中機房監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)機房設(shè)備工況、安全等方面的監(jiān)測、統(tǒng)計等功能，其系統(tǒng)本身能耗較小，不在本文中討論。

2.1 供電系統(tǒng)節(jié)能

目前IDC機房廣泛采用的電源設(shè)備是UPS，但隨著技術(shù)的發(fā)展，高壓直流電源以其較高的轉(zhuǎn)換效率及可靠性應(yīng)用越來越廣泛。

市場上UPS產(chǎn)品轉(zhuǎn)換效率最高的標稱為95%，而高壓直流系統(tǒng)由于減少了逆變環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)換效率可在97%以上。其供電因子可從1.053（1/0.95）降低到1.031（1/0.97）。

由于高壓直流供電系統(tǒng)需要定制直流服務(wù)器才能達到最優(yōu)的效果，大部分IDC機房還是應(yīng)用交流UPS作為不間斷電源。UPS又分為高頻UPS和工頻UPS，其中高頻UPS轉(zhuǎn)換效率最高可到95%，而工頻UPS最高轉(zhuǎn)換效率只有93%左右，其供電因子可從1.075（1/0.93）降低到1.053（1/0.95）。

另外，通過工程實踐，單機容量越大的UPS，其占地面積越小，總投資越小。以IT總負荷為1 700 kW的某IDC機房為例，同樣是單機雙母線配電結(jié)構(gòu)，同樣后備時間，400kVA UPS需要7套（14臺），300 kVA UPS 需要9套（18臺）。400 kVA UPS方案比300 kVA UPS方案總投資減少7.5%，占地面積減少24%。目前400 kVA是移動集采范圍中單機最大容量，若工程中可選用更大容量UPS，比如600 kVA、800 kVA容量UPS，將更加節(jié)省UPS占地面積，提高機房利用率。

2.2 制冷系統(tǒng)節(jié)能

據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)系統(tǒng)耗電已占整個機房耗電的50%，因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是非常重要的部分。制冷系統(tǒng)節(jié)能可分空調(diào)機組本身的節(jié)能和氣流科學(xué)組織的節(jié)能兩部分。

2.2.1 空調(diào)機組本身節(jié)能措施

為滿足工藝要求，IDC主機房的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)采用大風(fēng)量、小焓差的機房專用空調(diào)?？照{(diào)機應(yīng)設(shè)不低于GB/ T14295規(guī)定的粗效2類空氣過濾器。

高熱密度機房（單機架平均運行功率大于5 kW）的空調(diào)系統(tǒng)考慮在原有送風(fēng)方式的基礎(chǔ)上增設(shè)輔助制冷設(shè)備來解決。

機房專用空調(diào)按照換熱介質(zhì)不同，可分為風(fēng)冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、乙二醇系統(tǒng)、雙冷源、自然冷源系統(tǒng)等。

（1）風(fēng)冷系統(tǒng)。制冷劑通過室外冷凝器與室外進行熱量交換，對有充足的室外機平臺時采用，不限制地域。

（2） 水冷系統(tǒng)。制冷劑通過板式換熱器與干冷器（水塔）中冷卻的水進行熱量交換后再與室內(nèi)換熱；在室內(nèi)、外機落差超過允許值時以及無室外機平臺時選用，維護量大；一般適用于冬季溫度高于0℃的地區(qū)。

（3）冷凍水系統(tǒng)。利用中央空調(diào)的冷凍水直接進行熱交換，帶走室內(nèi)熱量；適用于全年具備提供冷凍水條件的機房。

（4）乙二醇系統(tǒng)。冬季氣溫較低時采用（因乙二醇的冰點較低），直接冷卻室內(nèi)溫度；一般適用于冬季溫度低于0℃的地區(qū)。與水冷一起組成雙冷源系統(tǒng)。

（5）雙冷源系統(tǒng)。即以上系統(tǒng)兩兩結(jié)合使用，冷卻水+風(fēng)冷或者冷卻水+水冷或者乙二醇+風(fēng)冷等。

（6）自然冷源。利用室外季節(jié)性冷空氣，或者進行熱交換，或者經(jīng)過過濾，達到機房環(huán)境標準要求后直接將室外冷空氣引入機房內(nèi)?？沙浞掷檬彝庾匀焕湓矗羌竟?jié)性明顯，還需要配置足夠容量的機房精密空調(diào)，并且對冷源要求較高，適用于發(fā)熱量較小，對空氣潔凈度要求比較低的機房。

不同系統(tǒng)的比較見表1所示。

如在機房樓土建設(shè)計時就考慮冷凍水機組的安裝，則冷凍水機組的全年能效比是最高的，不僅僅是制冷效率比風(fēng)冷機組高，也更方便使用自然冷源，特別適用于北方冬季室外氣溫較低的氣候，提高全年能效比。另外的優(yōu)點是配置蓄冷設(shè)備成本較低，可提高機房可用性。

目前市場上冷凍水機組的能效比可達6.0，考慮20%冷量冗余，即此部分制冷因子可達1.2/6=0.2。

表1 不同系統(tǒng)比較

針對目前機房樓主流的建設(shè)方式，機房樓土建不適合建設(shè)冷凍水機組，主要考慮風(fēng)冷直接膨脹式和風(fēng)冷冷水式機組，兩種制冷系統(tǒng)比較見表2所示。

投資額上看，風(fēng)冷冷水機組投資較高，但運維費用更低，可3年左右收回超出風(fēng)冷直膨空調(diào)部分投資。

風(fēng)冷直膨式機組能效比2.7，考慮20%冷量冗余，此部分制冷因子為1.2/2.7=0.444。風(fēng)冷冷水式機組能效比3.4，考慮20%冷量冗余，此部分制冷因子為1.2/3.4=0.353。

2.2.2 科學(xué)氣流組織措施

為了提高機房空調(diào)制冷效率，減少空調(diào)制冷量浪費?？梢詫DC數(shù)據(jù)中心內(nèi)機柜進行冷通道封閉。封閉冷通道提高空調(diào)進風(fēng)量，可以提高單臺機柜功耗，也就是說單臺機柜可以裝更多的服務(wù)器設(shè)備。

冷氣流封閉有兩種實現(xiàn)方案。

方案1：地板下送風(fēng)+半封閉機柜方式。半封閉機柜前側(cè)有300 mm左右冷通道，冷空氣被封閉在這個空間，與外界沒有氣流交換。

半封閉機柜在標準機柜的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)能保證機柜冷風(fēng)通道四周密封，減少冷風(fēng)損失；保證機柜排出熱風(fēng)通道順暢，使設(shè)備冷卻充分，提高節(jié)能效果。下部可調(diào)節(jié)通風(fēng)。半封閉式機架指標準19英寸機架，即列柱間19英寸寬度，設(shè)備可以直接上架，其標準外型尺寸為：2200(高)mm×600(寬)mm×1 200(深)mm。

空氣的比熱容1000 J/(kg.K)，空氣密度為1.29 kg/m3，空氣流過機柜后溫升按13℃，風(fēng)速1.5 m/s計算，半封閉機柜進風(fēng)口面積不大于0.18 m2，則每秒空氣的吸熱量為：

Q＝CmΔT＝C×V×ρ×ΔT＝1 000×1.29× 0.18×1.5×13＝45 279J/(kg.K)

單機柜功耗超過4.5 kW時，半封閉機柜的通風(fēng)量不足，不建議采用。

如果增加半封閉機柜主動送風(fēng)裝置，可增大進風(fēng)量，可相應(yīng)增大單機柜功耗，目前工程中可實現(xiàn)單機柜7.5 kW。

表2 系統(tǒng)比較表

方案2：地板下送風(fēng)+封閉冷通道方式。機柜面對面，背靠背安裝，對面安裝的兩列機柜間通過玻璃框架封閉維修走道，形成冷池。空調(diào)進風(fēng)從地板通風(fēng)口進風(fēng)，機柜前送風(fēng)，機柜后回風(fēng)，全部空調(diào)冷風(fēng)從機柜服務(wù)器設(shè)備穿過。適用于單機柜功耗較大場合。

封閉冷通道方案可支持單機柜功耗7.5 kW，在目前功率密度要求越來越高的情況下，有更廣泛的適用性，并且可支持3.5～7.5 kW的升級使用。

封閉冷通道方案時有幾個細節(jié)需要注意：

冷通道內(nèi)開孔地板可根據(jù)需要選擇不同開孔率的地板，最高可達50%的開孔率。

機柜的前后門開孔率盡可能高，目前可達70%的開孔率。

機柜在與地板下底座固定安裝時，盡量不切割地板，而是采用以下方法將機柜與底座固定，增加密封性。

將固定機柜與底座的螺栓處架空地板開孔，此處增加螺母將機柜墊起，墊起高度高于地板4 mm，地板開孔處盡量小，能安裝螺母即可。其安裝示意圖見圖1所示。

密封冷通道的材料需要有良好的密封性，泄漏到外部空間的冷氣越少，節(jié)能率越高。

科學(xué)合理組織機房內(nèi)氣流后，整個機房將不再是“先冷環(huán)境再冷設(shè)備”的制冷模式，而是“直接冷卻設(shè)備”。以某IDC機房為例，面積1 500 m2，IT設(shè)備功耗1 700 kW，冷通道封閉后可認為建筑冷負荷0.12 kW/ m2可以不再考慮，即180 kW，考慮20%冷量冗余，則不封閉冷通道時此部分制冷因子為1.2×180/1 700=0.106，封閉冷通道后，可認為此部分制冷因子為0。

2.2.3 PUE制冷因子計算

PUE值中制冷因子綜合考慮空調(diào)本身能效與氣流組織形式，具體一個機房的PUE制冷因子應(yīng)該是這兩部分的和。

2.3 輔助系統(tǒng)節(jié)能

輔助系統(tǒng)包含了照明、供電系統(tǒng)的線路損耗等部分。

為了控制機房PUE值，機房照明的照度按照機房性質(zhì)進行設(shè)計，在滿足使用的情況下盡量減少每平方米的照明功率。具體按以下標準：

照度標準值：

IT機房：500 Lx；

電力、電池室：200 Lx；

空調(diào)機房：100 Lx；

發(fā)電機房： 200 Lx；

走廊：50 Lx。

另外機房照明光源采用高效節(jié)能的熒光燈作為主要照明光源；照明種類分為：正常照明、應(yīng)急備用照明、應(yīng)急疏散照明。備用照明利用正常照明設(shè)備的一部分，達到正常照明照度的30%。在人員安全疏散的出口和通道上設(shè)置疏散照明，疏散照明燈具自帶電池。設(shè)智能照明控制系統(tǒng)，機房照明的控制采用場景控制模式。

機房照明功率密度控制在15 W/ m2，還是500 m2機房，IT功耗800 kW為例，照明功耗為7.5 kW，照明因子為7.5/800=0.01。

供電線路的損耗按照供電功率的5%估算，線路損耗因子為0.05。

圖1 安裝防靜電地板時設(shè)備機柜固定安裝示意圖

由于機房照明不是長時間開啟，只是在有人操作時才會開啟，所以修正輔助因子為0.052。

2.4 總結(jié)

綜上所述，各種節(jié)能措施匯總見表3所示。

PUE值雖然有其不合理的地方，但可以直觀的體現(xiàn)IDC機房能源利用情況。除了追求PUE值之外，也應(yīng)從節(jié)省投資，節(jié)省機房面積等角度考慮。

表3 各種節(jié)能措施效果匯總表

3 結(jié)束語

本文從配套設(shè)備的角度描述了IDC機房節(jié)能減排可采取的措施及其適用范圍。通過將PUE值分解成多個因子之和，而每個因子都代表某系統(tǒng)能效的形式來描述PUE的構(gòu)成及各種不同措施帶來的影響。在各個配套系統(tǒng)中選擇適合的節(jié)能技術(shù)，組合起來就是整個IDC機房配套節(jié)能體系，其對PUE值的影響也可直觀的體現(xiàn)出來。

本文PUE值都是理論上的計算得來，將來需繼續(xù)完善，應(yīng)在實際機房中通過掛表測量的方式來統(tǒng)計和計算機房PUE值，再與理論值的對比來分析挖掘各種節(jié)能措施，提高節(jié)能效果。

Research for energy conservation of auxiliary facilities technologies in IDC

GAO Jin-bo, DING Qian
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Ji'nan 250101, China)

Recently, China Mobile is a large-scale construction of IDC room, a growing number of increasingly large scale, but expensive construction and maintenance costs of the IDC business prof i t margins, the construction of green energy saving IDC room is the way to solve these problems, but also an important part of social responsibility. In this paper, the supporting equipment energy saving as the research object, analyzes the PUE value of the composition factor, discusses the power supply system, refrigeration system and other parts of the energy saving measures and effect.

IDC; PUE; energy conservation of auxiliary facilities

TN915

A

1008-5599（2017）01-0015-06

2016-09-08