付顯學(xué)

[摘要]數(shù)據(jù)中心是一個(gè)能量密集，高耗能的機(jī)房，隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，降低數(shù)據(jù)中心能耗變得日益重要。重點(diǎn)介紹降低數(shù)據(jù)中心能耗的節(jié)能技術(shù)和措施，探索在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營過程中，降低能耗，節(jié)能減排的具體方法。

[關(guān)鍵詞]數(shù)據(jù)中心機(jī)房；能量密集；高能耗；節(jié)能技術(shù)；節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

[中圖分類號]TU201.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

隨著萬物互聯(lián)時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算已列為國家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略。數(shù)據(jù)中心朝著“大規(guī)?！?、“高密度”、“節(jié)能型”和增值化方向發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)部署和綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)用提出了新的要求。CPU多核、刀片式服務(wù)器、定制化服務(wù)器和虛擬化技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大提升了IDC的計(jì)算密度和功耗密度，數(shù)據(jù)中心是一個(gè)能量密集、高耗能的機(jī)房，隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，降低數(shù)據(jù)中心能耗變得日益重要。本文重點(diǎn)介紹降低數(shù)據(jù)中心能耗的節(jié)能技術(shù)和措施，探索在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營過程中，降低能耗，節(jié)能減排的方法。

1 數(shù)據(jù)中心主要應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)

1.1 電氣節(jié)能技術(shù)

采用高效、低損耗非金合金變壓器，降低渦流損耗；高壓設(shè)備配置的斷路器為真空斷路器，用電功率??；低壓用電設(shè)備的無功損耗在低配室采用集中補(bǔ)償方式。

采用能耗檢測系統(tǒng)，可以有效評估耗電情況，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)采取措施，降低能耗。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房精密空調(diào)采用空調(diào)自適應(yīng)系統(tǒng)，可避免空調(diào)競爭運(yùn)行，可避免機(jī)房出現(xiàn)過冷、過熱現(xiàn)象，達(dá)到有效節(jié)能目的；集中空調(diào)冷凍站采用節(jié)能自控系統(tǒng)，可有效降低冷凍站能耗。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

1.2.1 離心式冷水主機(jī)。機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的冷源采用大制冷量、高能效比的離心式冷水主機(jī)，其COP高達(dá)6.0，其規(guī)模節(jié)能效應(yīng)十分顯著。

1.2.2 變頻技術(shù)。冷水主機(jī)、空調(diào)水泵等均采用變頻技術(shù)，可以將設(shè)計(jì)安裝的富裕量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，改善運(yùn)行工況，提高空調(diào)工作效率，達(dá)到節(jié)能目的。

1.2.3 免費(fèi)制冷技術(shù)。IDC機(jī)房在一年四季中均有穩(wěn)定的設(shè)備發(fā)熱量，即使冬季也需要不間斷供冷，這時(shí)只要室外氣溫足夠低，便可直接或間接作為冷源來消除設(shè)備發(fā)熱量，而不需要開啟冷水主機(jī)，可節(jié)省大量電費(fèi)，所以也被稱為免費(fèi)制冷（Free Cooling）。常見的免費(fèi)制冷有冷卻塔+板式換熱器的間接方式和智能新風(fēng)引入的直接方式。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房，特別是大型IDC機(jī)房，IT系統(tǒng)主機(jī)類機(jī)房，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模塊集成化，耗電量和發(fā)熱量非常大。在高溫、高濕的機(jī)房環(huán)境下，含硫的氣體和顆粒物，會和電路板表面的金屬銅層或鍍層微孔形成硫化物，造成蠕形腐蝕，導(dǎo)致電路短路或斷路和機(jī)房信息信號紊亂的發(fā)生。

國標(biāo)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》DB50174-2008中規(guī)定：A級和B級主機(jī)房的空氣含塵濃度，在靜態(tài)條件下測試，每升空氣中大于或等于0.5μm的塵粒數(shù)應(yīng)少于18000粒。

根據(jù)上述要求，智能新風(fēng)直接引入必須進(jìn)行除塵過濾和化學(xué)過濾，尤其是化學(xué)過濾的濾料消耗量大，費(fèi)用高昂。此外，智能新風(fēng)直接引入還需要在機(jī)房內(nèi)相對的兩面外墻預(yù)留進(jìn)出風(fēng)百葉，而數(shù)據(jù)機(jī)房的機(jī)房布置不具備這樣的條件。

綜上所述，根據(jù)自然氣候條件，針對冷凍水系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心采用冷卻塔+板式換熱器的間接方式來實(shí)現(xiàn)自由冷卻免費(fèi)供冷，此系統(tǒng)配有相應(yīng)的板換、冷卻塔、一次水側(cè)循環(huán)泵、二次水側(cè)循環(huán)泵，自由冷卻系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)并聯(lián)，便于控制、維修、切換，功能劃分清晰。同時(shí)在夏季高溫季，冷卻塔可與主機(jī)配備冷卻塔一并使用，以此降低冷卻水溫，提高主機(jī)COP 值。

1.2.4 余熱回收技術(shù)。冷水主機(jī)的冷凝排熱一般是通過冷卻塔排入大氣，而熱收回技術(shù)就是將這部分排熱進(jìn)行回收，加以有效利用，可滿足相鄰辦公及生活用建筑內(nèi)的生活熱水及供暖需求。

1.2.5 機(jī)房集中加濕。傳統(tǒng)機(jī)房采用精密空調(diào)機(jī)組自帶的加濕器機(jī)對機(jī)房進(jìn)行加濕，主要有電極式和紅外加濕兩種。由于兩種方式都是對水進(jìn)行加溫，使得水蒸發(fā)后經(jīng)由精密空調(diào)風(fēng)機(jī)送入機(jī)房完成加濕，因此消耗電能較大，并且過程中產(chǎn)生熱量，會消耗精密空調(diào)的部分制冷量。而集中加濕采用的是濕膜加濕，經(jīng)過過濾的水由加濕器頂部淋下，被濕膜材料吸收后形成均勻的水膜，干熱的機(jī)房回風(fēng)空氣通過濕膜材料和水分子吸收其中的熱量而汽化、蒸發(fā)，使得空氣的濕度增加同時(shí)溫度下降。因此整個(gè)過程沒有加熱的過程，消耗的電能僅為加濕器中的循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)，根據(jù)測算，在加濕能力相同的情況下，取消精密空調(diào)機(jī)組中的加濕器，在機(jī)房空調(diào)間內(nèi)安裝集中濕膜加濕機(jī)，可節(jié)省加濕能耗90%以上。

1.2.6 EC風(fēng)機(jī)。機(jī)房空調(diào)末端設(shè)備采用采用直聯(lián)的EC電機(jī)，該電機(jī)采用電子換向技術(shù)，控制電路集成于一體，具有效率高、體積小、可靠、功率因素高、低振動(dòng)、無級調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)節(jié)能。

1.2.7 空調(diào)群控系統(tǒng)。采用空調(diào)群控系統(tǒng)，可自動(dòng)控制空調(diào)溫、濕度數(shù)據(jù)的設(shè)置值，自動(dòng)優(yōu)化空調(diào)工作性能和狀態(tài)，控制空調(diào)群的組合使用效率，減少空調(diào)不合理的耗電量部分，達(dá)到節(jié)能目的。

2 數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 某數(shù)據(jù)中心能耗占比統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)圖3統(tǒng)計(jì)分析，某數(shù)據(jù)中心IT能耗占比61.6%，空調(diào)暖通占比30%、電源設(shè)備能耗占比5.6%，其他能耗如機(jī)房照明、消防設(shè)備占比2.9%。在非IT設(shè)備中，暖通空調(diào)能耗占比遠(yuǎn)大于電源、其它類設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)運(yùn)行模式分析

某數(shù)據(jù)中心位于湖北省襄陽市，地上2層，建筑面積23909m2，一期工程空調(diào)設(shè)計(jì)容量6332kW，末端采用24臺雙冷源機(jī)組和7臺冷凍水機(jī)組，制冷主機(jī)采用水冷離心式冷水機(jī)組。數(shù)據(jù)中心作為高濕熱大型IDC機(jī)房，要求全年供冷，全年具有穩(wěn)定的冷負(fù)荷，能耗巨大，優(yōu)化運(yùn)行模式，節(jié)能減排尤為重要。

用建筑節(jié)能軟件dest模擬襄陽地區(qū)氣象情況見圖4、圖5。

根據(jù)圖4、圖5不同的季節(jié)襄陽自然氣候條件，采用不同的空調(diào)運(yùn)行模式：

（1）在冬季12月、1月、2月、3月，室外濕球溫度低于5℃，冷卻塔出水溫度低于12.5℃時(shí)，關(guān)閉制冷主機(jī)，利用冷卻塔+板式換熱器的工作方式實(shí)現(xiàn)自由冷卻免費(fèi)向空調(diào)未端提供冷源。單臺板換制冷量3200kW，2臺可達(dá)到6400kW。該工作模式主要運(yùn)行設(shè)備有冷卻水泵1臺（75kW）、冷凍水泵1臺（90kW）、冷卻塔1臺（90kW）、18臺空調(diào)末端（18×8.4kW），按制冷量1808kW計(jì)算，冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔取值54%（按設(shè)計(jì)制冷量60%、共用系統(tǒng)0.9計(jì)算）、空調(diào)未端按90%取值，共計(jì)電功率273.78kW。

（2）每年6月、7月、8月、9月，屬于夏季高溫季節(jié)，冷卻塔出水溫度高于18.5℃時(shí)，開啟冷水機(jī)組向空調(diào)末端提供冷量，離心式制冷機(jī)組COP 值為5.6，制冷效率較高。 該工作模式主要運(yùn)行設(shè)備有冷卻水泵1臺（75kW）、冷凍水泵1臺（90kW）、冷卻塔1臺（90kW）、18臺空調(diào)末端（18×8.4kW）、主機(jī)583.9kW；按制冷量1808kW計(jì)算，冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔、主機(jī)取值54%（按設(shè)計(jì)制冷量60%、共用系統(tǒng)0.9計(jì)算）、空調(diào)末端按90%取值，共計(jì)電功率589.086kW。

（3）每年4月、5月、10月、11月，屬于過渡季節(jié)，當(dāng)冷卻塔出水溫度高于12.5℃且低于18.5℃時(shí)，采用冷卻塔預(yù)冷模式，即冷卻水在進(jìn)入制冷主機(jī)前與空調(diào)冷水回水通過板式換熱器換熱，換熱后再進(jìn)入制冷主機(jī)的冷凝器，可減少主機(jī)運(yùn)行時(shí)間。通過對襄陽地區(qū)的氣象參數(shù)進(jìn)行分析，室外濕球溫度高于5℃且低于或等于11.5℃的時(shí)間段是4月、5月、10月、11月。該工況下，系統(tǒng)的主要能耗設(shè)備為冷卻塔、冷卻水泵、制冷主機(jī)、冷水泵及空調(diào)末端。

2.3 某數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)分析

評價(jià)數(shù)據(jù)中心能耗關(guān)鍵指標(biāo)為數(shù)據(jù)中心PUE值，即數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗的比值。PUE值越小，說明IT設(shè)備能耗占比較大，數(shù)據(jù)中心越綠色節(jié)能。

根據(jù)表3可知：（1） 冬季2016年12月至2017年3月，用電1032489.02kW·h，比夏季2017年6月至9月（用電量1945248.87 kW·h，減少877426.08kW·h）。（2）春、秋四個(gè)月（2017年4月、5月、10月、11月）用電1771931.98kW·h，與夏季四個(gè)月（2017年6月至9月）用電量1945248.87kW·h相比，節(jié)約電量173316.89kW·h。合計(jì)全年節(jié)約電能1086076kW·h。

通過優(yōu)化數(shù)據(jù)中心空調(diào)運(yùn)行模式，冬季使用冷卻塔+板式換熱器的間接方式免費(fèi)冷卻，春秋采用冷卻塔+板式換熱器預(yù)制冷和制冷機(jī)組并行使用，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，每年可節(jié)約電能1086076度，按大工業(yè)用電每度折合電價(jià)0.78元（包含變壓器容量費(fèi)），全年可節(jié)約運(yùn)行成本84.71萬元。

3 結(jié)論

通過對數(shù)據(jù)中心運(yùn)行情況的觀察分析，數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用是非常重要的，特別是空調(diào)系統(tǒng)，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)通運(yùn)行模式是必要的，效果是顯著的。

（1）數(shù)據(jù)中心冬季使用冷卻塔+板式換熱器的間接方式免費(fèi)冷卻，春秋兩季采用冷卻塔+板式換熱器預(yù)制冷和制冷機(jī)組并行使用，該運(yùn)行模式運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足數(shù)據(jù)中心制冷需求，節(jié)能減排效果顯著。

（2）數(shù)據(jù)中心制冷主機(jī)能耗較大，采用COP值達(dá)6.0以上的大型水冷機(jī)組較普通的專用機(jī)房精密空調(diào)節(jié)能效果顯著。

（3）采用余熱回收技術(shù)，降低冷卻水進(jìn)水溫度，提高冷水機(jī)組效率。同時(shí)，為數(shù)據(jù)中心附屬樓常年提供生活用熱水，為生產(chǎn)辦公樓提供冬季供暖。項(xiàng)目運(yùn)行可靠，真正實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能環(huán)保。

（4）采水泵變頻技術(shù)節(jié)能效果明顯，是數(shù)據(jù)中心重要的節(jié)能技術(shù)之一。

（5）節(jié)能電氣設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)一步降低了電源設(shè)備自損，為進(jìn)一步節(jié)能減排，降低數(shù)據(jù)中心PUE值，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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