杜 東

(五冶集團(tuán)上海有限公司，上海 201900)

0 引言

伴隨著智慧政務(wù)的政策，政府機(jī)關(guān)單位自建數(shù)據(jù)中心的建設(shè)速度和規(guī)模不斷增長(zhǎng)，但高能耗的現(xiàn)狀一直困擾著用戶(hù)。 為控制不斷投建的數(shù)據(jù)中心能耗，近年來(lái)國(guó)家和地方相關(guān)部門(mén)發(fā)布了眾多政策文件，要求必須夯實(shí)“互聯(lián)網(wǎng)＋政務(wù)服務(wù)”的支撐基礎(chǔ)，為構(gòu)建統(tǒng)一、規(guī)范、多級(jí)聯(lián)動(dòng)的“互聯(lián)網(wǎng)＋政務(wù)服務(wù)”技術(shù)和服務(wù)體系提供保障。 根據(jù)等級(jí)保護(hù)相關(guān)要求和智慧政務(wù)建設(shè)規(guī)劃要求，未來(lái)區(qū)政務(wù)外網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)出口、市電子政務(wù)外網(wǎng)出口、區(qū)政務(wù)外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核心等都將部署在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心內(nèi)。 根據(jù)《關(guān)于研究新行政服務(wù)中心內(nèi)部布局和擬建規(guī)劃歷史博物館功能調(diào)整相關(guān)工作的會(huì)議紀(jì)要》區(qū)政府會(huì)議內(nèi)容:原定在新行政服務(wù)中心的區(qū)信息中心功能用房保持不變，且同意區(qū)聯(lián)勤網(wǎng)格化中心入駐新行政服務(wù)中心。

某行政服務(wù)中心數(shù)據(jù)機(jī)房IDC 及城市運(yùn)行綜合管理中心EPC 工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本工程”)在立項(xiàng)審批時(shí)，區(qū)發(fā)改委審批時(shí)的節(jié)能審查意見(jiàn)中明確提出本工程的PUE 值設(shè)計(jì)目標(biāo)值為1.5，用戶(hù)需求文件中明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展及云計(jì)算需求的提高，數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)量和處理能力、對(duì)服務(wù)器的性能要求也越來(lái)越高，服務(wù)器的功耗會(huì)隨著運(yùn)算能力及存儲(chǔ)能力的提高而增加。 本工程屬于在已有建筑預(yù)留空間內(nèi)建設(shè)數(shù)據(jù)中心，無(wú)法采用水冷精密空調(diào)，主機(jī)房位于建筑物的頂層及使用功能需求對(duì)于數(shù)據(jù)中心的綜合設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要既適應(yīng)建筑物本身的自然環(huán)境又綠色節(jié)能，本文將圍繞綠色節(jié)能設(shè)計(jì)方案及最佳實(shí)踐進(jìn)行論述。

1 項(xiàng)目概述

本工程設(shè)計(jì)理念:服務(wù)于智慧政務(wù)，突出綠色節(jié)能性、規(guī)范性、自主化、適度安全性等為特點(diǎn)。 根據(jù)業(yè)務(wù)需求及管理需要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)主機(jī)房，共布置9 組封閉冷通道144 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。 數(shù)據(jù)中心的環(huán)境必須滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)等各種微電子設(shè)備和工作人員對(duì)溫度、濕度、潔凈度、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、噪音干擾、安全保安、防漏、電源質(zhì)量、震動(dòng)、防雷和接地等的要求。本數(shù)據(jù)中心使用功能分區(qū)劃分如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心功能分區(qū)劃分

2 本數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則

需要充分考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求，統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一布局、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際需要及投資金額，突出重點(diǎn)、分步實(shí)施，保證系統(tǒng)建設(shè)的完整性和投資的有效性。 在方案設(shè)計(jì)和項(xiàng)目建設(shè)中應(yīng)當(dāng)遵循以下的原則:節(jié)能原則、規(guī)范性原則、自主化原則、適度安全性原則、先進(jìn)性和成熟性原則、保密原則。 本方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖2。

3 綠色節(jié)能設(shè)計(jì)中采取的技術(shù)措施

提升數(shù)據(jù)中心能源效率的第一步是評(píng)估能源使用效率(PUE)。 PUE ＝數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備總能耗，或PUE ＝數(shù)據(jù)中心總設(shè)施消耗的能源/IT 設(shè)備消耗的能源；PUE 是一個(gè)比率，基準(zhǔn)是2，越接近1 表明能效水平越好。 綠色節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)措施詳見(jiàn)如圖3。

圖2 方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

圖3 綠色節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)措施

3.1 建筑節(jié)能技術(shù)措施

建筑節(jié)能措施主要是規(guī)劃選址時(shí)要參考《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》，從機(jī)房選址、設(shè)備布置、機(jī)房裝修方面等入手，充分考慮到既要滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心使用功能，又要考慮到利于節(jié)能而采取的方法。

(1)建筑結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì):應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，主機(jī)房與外維護(hù)結(jié)構(gòu)相鄰時(shí)，對(duì)應(yīng)部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能應(yīng)根據(jù)全年動(dòng)態(tài)能耗分析情況確定最優(yōu)值。 并結(jié)合《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》選擇利于節(jié)能的建筑部位建設(shè)數(shù)據(jù)中心，充分利用自然條件降低數(shù)據(jù)中心的能耗水平，在初步設(shè)計(jì)階段就應(yīng)與建筑設(shè)計(jì)充分溝通做好選址工作。

(2)裝飾材料的選擇:裝飾材料應(yīng)選用保溫、隔熱、防火、防潮、少產(chǎn)塵的產(chǎn)品，如吊頂選擇內(nèi)襯吸音保溫棉的鋁合金微孔吊頂、地面及吊頂面敷設(shè)帶鋁箔的橡塑保溫棉、墻面采用保溫耐火的巖棉填充后再貼含防火防潮石膏板的專(zhuān)用機(jī)房彩鋼板等措施，充分隔絕機(jī)房與外界環(huán)境的冷熱自然交換，避免主機(jī)房空調(diào)冷量的流失。 所選材料除考慮隔熱保溫外還應(yīng)防止結(jié)露現(xiàn)象。

(3)機(jī)房密閉性:主機(jī)房除消防要求的防火窗戶(hù)外全部用砌塊磚進(jìn)行封堵，靠走廊側(cè)采用實(shí)體墻結(jié)構(gòu)，機(jī)房值班室的觀察玻璃隔斷選擇雙層中空隔熱玻璃，減少因夏季太陽(yáng)輻射或冬季寒冷產(chǎn)生的額外空調(diào)能耗。

3.2 空調(diào)及新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施

(1)采用CFD 仿真軟件模擬熱負(fù)荷分布:對(duì)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備按設(shè)計(jì)滿(mǎn)用電功率及管理需求進(jìn)行合理性分配，采用CFD 仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算封閉熱通道及封閉冷通道方案，并指導(dǎo)IT 設(shè)備安裝布置。

下面以主機(jī)房一為例，利用Ansysicem 建立物理模型，為了研究該機(jī)房的氣流組織情況，將機(jī)房一簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，機(jī)柜簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，共6排，每排8 個(gè)，機(jī)柜之間形成的冷熱通道寬度都為1.20 m。

本次模擬的模型選用針對(duì)高雷諾數(shù)的湍流計(jì)算模型標(biāo)準(zhǔn)k－ε 模型。 數(shù)值模擬基于連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程。 其控制方程公式為:

連續(xù)性方程:

能量方程:

動(dòng)量方程:

利用Ansysicem 劃分網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，相鄰網(wǎng)格之間的最大變化率為2，封閉熱通道和封閉冷通道計(jì)算后的數(shù)據(jù)代入建好的數(shù)據(jù)中心物理模型導(dǎo)入Ansys fluent 中，采用SIMPLE 壓力連接方程的半隱式求解離散方程組。

通過(guò)借助CFD 軟件分別對(duì)封閉熱通道和封閉冷通道的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，綜合對(duì)比分析得到了以下結(jié)論:封閉冷通道基本解決了本項(xiàng)目換熱不充分和冷熱混流的現(xiàn)象，并對(duì)大熱量的IT 服務(wù)器安裝位置進(jìn)行優(yōu)化。 本項(xiàng)目經(jīng)CFD 仿真調(diào)整后布局如圖4。

圖4 精密空調(diào)調(diào)整后布置

(2)選用高能效比的精密空調(diào)設(shè)備:選擇能效比大于4 以上的EC 變?nèi)萘繅嚎s機(jī)精密空調(diào)，且風(fēng)機(jī)采用EC 電機(jī)，而且采用帶噴淋降溫功能及集中式的室外冷凝器等先進(jìn)技術(shù)從設(shè)備選型上降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

(3)采用適當(dāng)調(diào)高回風(fēng)溫度值:當(dāng)機(jī)房需要降溫時(shí)，空調(diào)工作在制冷狀態(tài)，此時(shí)若將回風(fēng)溫度值設(shè)高些(在滿(mǎn)足機(jī)房溫度要求的條件下)，會(huì)使壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間縮短起到節(jié)能作用。

(4)采用溫度預(yù)處理新風(fēng)系統(tǒng):特別是在春冬季節(jié)時(shí)能充分利用外界的溫度較低的新風(fēng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行換熱，通過(guò)DCIM 集成系統(tǒng)的計(jì)算及機(jī)房?jī)?nèi)實(shí)時(shí)溫濕度的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)自主研發(fā)的算法軟件來(lái)自動(dòng)啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)，利用外界的冷空氣對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行換風(fēng)及降溫，并與精密空調(diào)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)協(xié)同工作，達(dá)到充分降低能耗的目的。

(5)采用高效的動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng):通過(guò)能效管理模塊就可以實(shí)時(shí)顯示每個(gè)封閉冷通道當(dāng)前的耗電情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心總能耗、IT 設(shè)備能耗、空調(diào)設(shè)備能耗等。 通過(guò)能耗分析引擎，迅速找出能耗使用突破點(diǎn)，根據(jù)匹配的能耗知識(shí)庫(kù)，關(guān)聯(lián)出相應(yīng)的節(jié)能改進(jìn)建議。

3.3 電氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施

(1)能源效率指標(biāo)PUE 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):該指標(biāo)用于評(píng)估一個(gè)數(shù)據(jù)中心使用的能源中有多少用于IT 設(shè)備。 PUE ＝數(shù)據(jù)中心的總用電量/IT 設(shè)備的總用電量。 數(shù)據(jù)中心電能利用率的含義是在用戶(hù)總輸入的電能中，到底有多少電能消耗到IT 設(shè)備上。 PUE值的公式非常簡(jiǎn)單但影響因素非常多，需要結(jié)合每個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行全面考慮和精心設(shè)計(jì)才能達(dá)到理想的指標(biāo)。

(2)供電負(fù)載的三相平衡措施:IT 用電設(shè)備及照明燈具一般為單相，如三相電流不平衡時(shí)會(huì)產(chǎn)生中性線(xiàn)電流，造成電能損耗及損壞設(shè)備。 本工程設(shè)計(jì)采用精密小母線(xiàn)始端箱及配置智能換相系統(tǒng)，采用“極速換相＋相角追蹤"的換相方法，配合針對(duì)電容類(lèi)負(fù)載的相角追蹤換相策略，最大限度保證了用電設(shè)備在切換過(guò)程中不掉電。 智能換相開(kāi)關(guān)采用獨(dú)創(chuàng)的智能工裝＋動(dòng)態(tài)行為識(shí)別技術(shù)，能自適應(yīng)繼電器固有動(dòng)作時(shí)間的變化，從而保證其全生命周期內(nèi)都能精準(zhǔn)過(guò)零切換，對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，使電網(wǎng)和用電設(shè)備更安全。

(3)UPS 電源諧波的治理: UPS 主機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)向電網(wǎng)輸送大量諧波電源，為維護(hù)電網(wǎng)供電環(huán)境，保護(hù)電能質(zhì)量，需選用具備IGBT 整流技術(shù)的模塊化UPS 主機(jī)，超低輸入電流諧波，消除對(duì)電網(wǎng)污染；減少功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波治理成本，降低線(xiàn)纜損耗。 同時(shí)既保護(hù)負(fù)載，也保護(hù)電網(wǎng)輸入功率因數(shù)接近單位功率因數(shù)，提高電能利用率的同時(shí)，減少UPS 前端配電費(fèi)用，降低諧波影響。

(4)其他節(jié)能措施:例如采用LED 節(jié)能型的照明燈具、減少線(xiàn)路上接頭及規(guī)范接頭的做法，以及通過(guò)合理的配電箱位置及小母線(xiàn)供電等縮短傳輸線(xiàn)路的距離等措施也對(duì)節(jié)能有一定的作用。

3.4 電源管理軟件技術(shù)措施

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能源的運(yùn)營(yíng)中動(dòng)態(tài)管理，可以選擇相關(guān)電源管理軟件。 如惠普動(dòng)態(tài)功率調(diào)整技術(shù)(Dynamic Power Saver)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)箱內(nèi)的電源消耗，并根據(jù)需求自動(dòng)調(diào)節(jié)電源的供應(yīng)；IBM(Provisioning)軟件可在服務(wù)器不被使用時(shí)將其置于待機(jī)狀態(tài)，使得服務(wù)器功耗減少80%；德迅公司的電源管理軟件(Dsview 3 Power Manager)可以讓用戶(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備的能耗和能源使用情況。 本工程選用了德迅公司的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心的用電及PUE 值的三維實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及分析，便于用戶(hù)能針對(duì)性的解決能耗問(wèn)題。

4 整體PUE 值分析計(jì)算

本工程整體PUE 值依據(jù)《電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)的能耗測(cè)評(píng)方法》(YD/T 2543)中對(duì)PUE 值的定義及測(cè)量方法。 數(shù)據(jù)中心在實(shí)際運(yùn)行中的PUE 值會(huì)根據(jù)不同的季節(jié)、節(jié)假日、每天的忙閑時(shí)段動(dòng)態(tài)變化，因此全面準(zhǔn)確地測(cè)量數(shù)據(jù)中心的PUE值應(yīng)通過(guò)安裝數(shù)字電表進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，然后利用管理軟件自動(dòng)計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示。 而本工程在設(shè)計(jì)階段為驗(yàn)證復(fù)核設(shè)計(jì)選型設(shè)備情況，采用估算方法為:IT 設(shè)備滿(mǎn)載(不考慮UPS 輸出配電柜到PDU線(xiàn)路上的損耗)，精密空調(diào)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的最大功率，照明、新風(fēng)機(jī)、加濕機(jī)全開(kāi)的情況下進(jìn)行計(jì)算，操作間的管理設(shè)備最大功率等為計(jì)算模型。 市電負(fù)荷計(jì)算表如表1 所示。 IT 最大負(fù)荷計(jì)算表如表2所示。

表1 本工程市電最大負(fù)荷計(jì)算表

續(xù)表1

表2 本工程IT 最大負(fù)荷計(jì)算表

計(jì)算結(jié)果:PUE ＝機(jī)房總設(shè)備能耗/IT 設(shè)備能耗＝(496.9 ＋178.6)/496.9 ＝1.36，所以本工程整體PUE 值符合設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的目標(biāo)值要求，滿(mǎn)足用戶(hù)提出的目標(biāo)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)涉及到建筑、暖通、電氣、管理軟件等多個(gè)方面，需要對(duì)精密空調(diào)布局進(jìn)行CFD 仿真軟件計(jì)算、重視設(shè)備選型及先進(jìn)節(jié)能技術(shù)措施的應(yīng)用。 而PUE 值可以作為一個(gè)能效指標(biāo)來(lái)看，對(duì)于綠色數(shù)據(jù)中心使用中低能耗的控制非常直觀有效。 除對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中重視能耗指標(biāo)外還必須全面審查IT 基礎(chǔ)設(shè)施以提升數(shù)據(jù)中心的效率，用戶(hù)可通過(guò)動(dòng)環(huán)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PUE 值，以及利用電源管理軟件模塊找出并修正IT 低效率的部分，減少碳排放，提高IT 設(shè)備的使用率，最終達(dá)到PUE 及ROI 優(yōu)化的目標(biāo)。