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關于數(shù)據(jù)中心機房節(jié)能運行現(xiàn)狀與問題分析

更新時間： 2022-02-09 　　點擊次數(shù)： 1290次

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行了分析診斷。從設計及運行管理兩大方面總結了目前數(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,作為信息化基礎設施的數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展。我國數(shù)據(jù)中心建設的數(shù)量多，建設質量也在世界上處于靠前，主要采用了世界上較好的IT設備，較好的制冷設備，較好的精密空調，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房。配置4臺離心式冷水機組、4臺冷卻水泵、4臺冷凍水泵，室外地面建有16臺冷卻塔；機房空調為水冷及風冷兩種精密空調系統(tǒng)，空調面積約6000㎡。機房內未設置冷熱通道。

1.2能耗分布與PUE

根據(jù)約一年的實測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)中心的能耗分布和PUE見表1,年PUE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)能耗分項數(shù)據(jù)，可以定量計算出空調系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相對關系，并進行其合理性評價，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)的測試結果，該數(shù)據(jù)中心的問題主要為：

1）主機效率偏低。

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）機房內精密空調能耗過高。導致風冷空調開啟的原因包括:機房內溫度分布不均，有的機房不同地點溫差相差10℃，存在局部熱點。局部熱點的存在，拉低了房間整體溫度，加大了供應能力需求。同時由于供應到水冷空調的水量不足，使得水量空調的供冷量不足，因而風冷空調不得不開啟。

5）機房內采用漫灌式氣流組織，沒有設置氣流冷熱通道。送回風溫差小，只有3℃，加大了送風輸送能耗。

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)，使得管理人員對設備運行狀況無法細致了解。運維人員的主要精力放在保平安運行上。

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)中心的空調面積約35000㎡(其中一期15000㎡)。建筑9層，其中數(shù)據(jù)機房位于3、4層。

數(shù)據(jù)中心采用集中冷源，冷凍站位于大樓1層，設有4臺離心式冷水機組、1臺螺桿式冷水機組，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。

機房內設有水冷空調機組，通過靜壓箱送風，共78臺精密空調機組。機房內氣流分設冷熱通道。空調系統(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)管缺少分項計量，不能進行細化分析。

2.2能耗分布及PUE

采用瞬時電量進行PUE計算，其值為1.77。數(shù)據(jù)中心基礎設備設施(暖通空調)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%，與設計要求的70%差距較大。冷卻水泵的額定揚程30mH?O,但實際揚程只有15mH?O。冷卻塔投入使用時間為2017年,設備狀態(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）機房精密空調開啟臺數(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)，使得管理人員對設備運行狀況無迭細致了解。

表3廣州某云計算數(shù)據(jù)中心分項耗電情況

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，分為1#樓和2#樓，于2009年建成使用。均采用集中式冷水機組進行供冷。

1#機樓：該數(shù)據(jù)中心1層冷凍站設有2臺特靈螺桿式冷水機組，配有3臺冷卻水泵、3臺冷凍水泵，屋頂天臺設有1臺蒸發(fā)式冷凝螺桿機、2臺冷凍水泵、2組冷卻塔；機房均采用上送風、側回風的氣流方式。

2#機樓：該數(shù)據(jù)中心1層冷凍站由1期及2期合并組成，1期制冷設備為2臺約克螺桿機組及配套的3臺冷凍水泵、3臺冷卻水泵、1組冷卻水塔；2期制冷設備為2臺約克離心式冷水機組及配套的3臺冷凍水泵、3臺冷卻水泵、2組冷卻水塔；2#機樓調研的數(shù)據(jù)機房是2至7層的數(shù)據(jù)機房；其中4層401/402機房采用上送風、側回風的氣流方式，其它機房均采用地板式機柜送風，上回風加側回風的氣流方式。

整套制冷系統(tǒng)無BA自控系統(tǒng)，所有制冷設備運行模式需人工操作，也缺少能耗計量系統(tǒng)。

3.2

1）UPS和HVDC的負載率低，造成損耗過大。UPS和HVDC的損耗達到總能耗的約11%。HVDC普遍負荷率平均在35.50%，UPS平均負荷率為24.86%。

應啟動高壓直流的休眠睡醒功能，讓HVDC整流模塊關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，設置48h休眠模塊與運行模塊輪換一次。

減低UPS損耗，若UPS的負荷量低于25%時，可以關閉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，逼近度達到12.5℃，冷卻水塔的填料有損壞以及表面結垢現(xiàn)象較為嚴重，應更換及定期清洗，可提高冷塔冷卻能力。

3）水系統(tǒng)水質較差。水系統(tǒng)維護不及時，導致水質較差，影響冷水機組效率。應定期進行水質的清洗和維護。

表41#機樓總體能耗

表51#樓空調系統(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)設計方面

1）水泵的選型普遍偏大，導致水泵實際工作狀態(tài)點偏離高效區(qū)，水泵運行效率較低。大多數(shù)只在50%左右。

2）水管路系統(tǒng)設計粗獷，沒有進行細致設計計算，水路流量分配不滿足預期要求。有些精密空調的水流量嚴重不足，水溫差達到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格分開設計，導致送風氣流短路。不僅影響送風效率，也影響了機房空氣溫度，惡化了運行環(huán)境。

4）多數(shù)數(shù)據(jù)中心沒有設計自然冷卻系統(tǒng)，沒有充分利用自然資源。實際上由于數(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。在控制策略設計時，缺少空調專業(yè)的支持。

7）選配的電氣設備容量偏大。UPS的使用容量低，導致?lián)p耗多。變壓器也存在同樣問題，使得使用效率低，損耗嚴重，電氣設備損耗占總能耗的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)機房末端設計的，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)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC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狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(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

開關電源SBD-30（48V）

產(chǎn)品規(guī)格

說明：■為標配功能。

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)中心建設的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監(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、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(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，開關狀態(tài)、開關跳閘；

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、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(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，開關狀態(tài)、開關跳閘；

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