數(shù)據(jù)中心的節(jié)能分析

安 真 （IBM國(guó)際商業(yè)機(jī)器（中國(guó)）有限公司，北京 100101）

1 概述

數(shù)據(jù)中心建筑內(nèi)設(shè)有大量服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等高散熱量IT設(shè)施，耗電量高；另一方面IT服務(wù)器在運(yùn)行過(guò)程中大量散熱，耗冷量也高。因此，在數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)、機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不但要考慮系統(tǒng)的可靠性，還要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)節(jié)能。機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)的能耗在數(shù)據(jù)中心能耗中占據(jù)30%～45%的比例，因此在空調(diào)規(guī)劃中采取節(jié)能措施直接影響到PUE的數(shù)值和運(yùn)行階段的維護(hù)成本，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能有著十分重要的意義。

圖1 PUE定義

圖2 數(shù)據(jù)中心的能源消耗概況

2 PUE概念及數(shù)據(jù)中心能耗分析

2.1 PUE的概念

PUE 是Power Usage Effectiveness的簡(jiǎn)寫(xiě)，是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比，是DCIE(data center infrastructure efficiency )的反比(見(jiàn)圖1)。

PUE = 數(shù)據(jù)中心總設(shè)備能耗/IT設(shè)備能耗，PUE是一個(gè)比率，越接近1表明能效水平越好。在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過(guò)程中，瞬時(shí)PUE會(huì)隨氣象條件、運(yùn)行負(fù)荷、所采用的節(jié)能方式等條件變化而發(fā)生較大的變化，因此，我們通常意義上的PUE需要采用全年能耗的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)中心能耗分析

從圖2可見(jiàn)數(shù)據(jù)中心的能源消耗概況，其主要包括機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩方面。

機(jī)械系統(tǒng)的能源消耗包括數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的所有部件，能耗量取決于機(jī)械系統(tǒng)的類(lèi)型，能耗值將隨數(shù)據(jù)中心具體情況而變化。機(jī)械系統(tǒng)包括向服務(wù)器提供 HVAC 的主系統(tǒng)和向數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)的機(jī)房（例如，活動(dòng)地板區(qū)域、UPS間和開(kāi)關(guān)設(shè)備間等）。這將包括從中壓（MV）到低壓（LV）的電源轉(zhuǎn)換（一般效率為 0.96～0.98）以支持機(jī)械系統(tǒng)，使用備用 UPS電源為那些機(jī)械部件提供機(jī)械 UPS 電源轉(zhuǎn)換。例如，CRAC 風(fēng)扇或冷卻水泵（一般效率為 0.85～0.95）、機(jī)械布線損耗（一般效率為 0.98～0.99）、專(zhuān)用的機(jī)械設(shè)備（包括制冷器、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)扇、干燥或隔熱冷卻風(fēng)扇、補(bǔ)水泵、換氣風(fēng)扇）和 CRAC 單元（包括壓縮機(jī)、內(nèi)部和外部風(fēng)扇和加濕器和再熱器）。各機(jī)械系統(tǒng)通常會(huì)使PUE值增加 0.4，甚至可能使得PUE值高達(dá) 2。

電氣消耗包括 IT 設(shè)備使用UPS、PDU 和 RPP 時(shí)耗費(fèi)的所有電能。電氣系統(tǒng)包括通過(guò) UPS 系統(tǒng)為服務(wù)器提供最終電源的主系統(tǒng)，其中包括通過(guò)靜態(tài)變送開(kāi)關(guān)（STS）和電源配送單元（PDU）向服務(wù)器供電的電源、UPS 電源（通常效率為 0.85～0.96）以及配電損失（通常損失為 1%～1.5%）。各配電系統(tǒng)通常將使PUE值增加0.08～0.5。

除以上提及的幾種主要數(shù)據(jù)中心能源消耗外，照明用電和數(shù)據(jù)大廳/機(jī)房用電、火警系統(tǒng)（包括氣體滅火系統(tǒng)）、BMS（通常在 UPS上）、EPMS（通常在UPS上）、安全系統(tǒng)（通常在UPS上）以及機(jī)房和控制室的 HVAC（BMS、EPMS、安全、設(shè)備管理和維護(hù)）等少量用電也包括在PUE的定義之內(nèi)。然而用于數(shù)據(jù)中心照明的電能僅占所有電能消耗中的一小部分，節(jié)能在很大程度上取決于數(shù)據(jù)中心無(wú)人時(shí)間的長(zhǎng)短?，F(xiàn)代化的數(shù)據(jù)中心使用“熄燈”理論，即為僅當(dāng)有需要的時(shí)候才為其提供照明。正確的照明控制系統(tǒng)能輕松節(jié)約50%的照明能源。這些系統(tǒng)的損耗，將使PUE值增加0.02～0.05。

因?yàn)閿?shù)值相對(duì)較小，總體評(píng)估某個(gè)數(shù)據(jù)中心時(shí)可將其他各種設(shè)備的PUE包含在電氣方面PUE之內(nèi)計(jì)算。

因此，設(shè)備所有的 PUE 為機(jī)械 PUE 和電氣 PUE的總和。

圖3 不同空調(diào)系統(tǒng)的PUE

2.3 不同空調(diào)系統(tǒng)對(duì)PUE的影響

不同空調(diào)系統(tǒng)的PUE統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖3：由圖3可以看出，風(fēng)冷空調(diào)的PUE值通常＞2.0，特別是大型數(shù)據(jù)中心的體量較大，冷媒管路相對(duì)較長(zhǎng)，室外機(jī)數(shù)量較多，互相干擾，影響散熱，這些都是不利于節(jié)能的因素。此外，管理水平對(duì)PUE也有一定影響，上述各種不利因素使得國(guó)內(nèi)很多數(shù)據(jù)中心的PUE高達(dá)2.5～3.0。

3 數(shù)據(jù)中心優(yōu)選的節(jié)能措施

由于數(shù)據(jù)中心能耗較高，在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中應(yīng)采取多種技術(shù)措施，節(jié)省能耗，降低PUE。節(jié)能包括但不局限于下列內(nèi)容:

3.1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能措施

對(duì)于較大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，可采用冷凍水型精密空調(diào)替代傳統(tǒng)的DXA型直膨型空調(diào)。

● 條件許可時(shí)，可以采用新風(fēng)冷卻等技術(shù)手段，減少使用電制冷的時(shí)間和比例。

● 環(huán)境條件具備時(shí)，可以利用其他能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源。

● 在滿(mǎn)足設(shè)備要求的前提下，盡量提高冷凍水的供水溫度。

傳統(tǒng)的空調(diào)水溫為7～12℃，供回水溫度提高到12～18℃后，可以提高冷水機(jī)組的COP，冷凍水供水溫度及冷卻水供水溫度對(duì)冷水機(jī)組COP的影響見(jiàn)表1。

表1 冷水機(jī)組COP變化趨勢(shì)

完全自然冷卻時(shí)間 部分自然冷卻時(shí)間 無(wú)自然冷卻時(shí)間（小時(shí)數(shù)/百分比） （小時(shí)數(shù)/百分比） （小時(shí)數(shù)/百分比）冷凍水供水溫度7℃ 2825h/32.2% 1080h/12.3% 4855h/55.4%冷凍水供水溫度12℃ 3281 h/37.5% 1070 h/12.2% 4409 h/50.3%

可見(jiàn)，提高冷凍水供水溫度可以有效延長(zhǎng)完全自然冷卻的時(shí)間。

● 采用自然冷卻系統(tǒng)和部分自然冷卻技術(shù)

冬季冷水機(jī)組無(wú)需運(yùn)行，過(guò)渡季節(jié)將減少冷機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，降低能耗。該時(shí)段越長(zhǎng)，能耗下降越明顯，對(duì)PUE的降低影響重大。

● 改善精密空調(diào)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的精密空調(diào)回風(fēng)溫度為24℃，RH為50%，配有加濕段和加熱段方能滿(mǎn)足IT設(shè)備運(yùn)行?，F(xiàn)有方案取消了加濕段、加熱段，設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用都會(huì)下降。

● 改善加濕方式

傳統(tǒng)的精密空調(diào)配有加濕段，通常采用電極加濕，現(xiàn)有方案采用濕膜加濕，可以降低能耗。

● 冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)，在低負(fù)荷時(shí)節(jié)省能源。

本文以柔爆索爆炸加載為研究對(duì)象，通過(guò)發(fā)展理論模型，探索了在小裝藥比情況下內(nèi)爆引起雙層殼體碎片飛散的速度計(jì)算方法，得到以下結(jié)論：

● 機(jī)房用精密空調(diào)采用變頻風(fēng)扇，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速，降低能耗。

● 盡可能減少旁通氣流，如減少地板出線，必須出線的孔洞也應(yīng)在穿線后嚴(yán)密封堵；利用盲板密接服務(wù)器柜內(nèi)各服務(wù)器之間的未安裝服務(wù)器處。

● 地板開(kāi)孔格柵采用可調(diào)節(jié)型，關(guān)閉無(wú)用的開(kāi)孔。

3.2電氣系統(tǒng)節(jié)能措施

● 變電站靠近負(fù)荷中心，特別是模塊化變電站就近設(shè)在模塊旁邊，大大減少了低壓線路損耗，節(jié)省了線路造價(jià)。

● 采用中壓柴油發(fā)電機(jī)組，減少了低壓線路損耗，節(jié)省了中間環(huán)節(jié)，節(jié)省了造價(jià)。

● 采用高功效UPS，增加了UPS效率，降低了損耗。

● 采用新型干式變壓器，減少了變壓器的損耗。

● 照明燈具采用高效節(jié)能型熒光燈，采用的智能化照明控制，節(jié)省了能耗。

3.3 建筑設(shè)計(jì)節(jié)能措施

● 外墻盡量不要設(shè)外窗,對(duì)于設(shè)外窗的IT機(jī)房?jī)?nèi)采取封堵；最大限度降低室外輻射的熱，節(jié)約空調(diào)能耗。

● 建筑結(jié)構(gòu)墻體做外保溫；降低建筑冷負(fù)荷。

● 機(jī)房區(qū)與非機(jī)房區(qū)之間做保溫；降低建筑冷負(fù)荷。

● 機(jī)房區(qū)之間的樓板進(jìn)行保溫處理；降低建筑冷負(fù)荷。

● 主機(jī)房區(qū)內(nèi)做防潮處理保持房間內(nèi)濕度，降低濕負(fù)荷。

3.4 給排水設(shè)計(jì)節(jié)能措施

● 使用節(jié)水型衛(wèi)生器具,減少用水量及加壓設(shè)備能耗；

● 合理配置減壓裝置，將水壓控制在限值要求內(nèi)、減少超壓出流，節(jié)約用水；

● 合理設(shè)置和使用水表，水表前加裝過(guò)濾器，提高水表壽命及計(jì)量的準(zhǔn)確性，節(jié)約用水；

● 合理利用市政管網(wǎng)余壓，采用分區(qū)供水方式，減少二次加壓能耗；

● 開(kāi)發(fā)第二資源——中水，節(jié)約水資源；

● 精密空調(diào)加濕采用濕膜法直接排放方式時(shí)，將此部分水收集至室外雨水收集池，用于綠化澆灑，充分節(jié)約水資源。

4 小結(jié)

可見(jiàn)，數(shù)據(jù)中心各系統(tǒng)的節(jié)能包含許多內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況選用適宜的節(jié)能措施，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低能源消耗，并改善數(shù)據(jù)中心的PUE值。

[1] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. GB50174-2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:人民出版社, 2009.

[2] Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers（TIA/EIA-942）[S].

[3] UPTIME INSTITUTE, LLC. Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology[S].