數(shù)據(jù)中心能耗分析范文

1、完美WORD格式數(shù)據(jù)中心能耗實例分析前言：本文著重分析了影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素，從數(shù)據(jù)中心的空調(diào)、UPS運(yùn)維等方面對其能耗進(jìn)行了綜合分析。本文認(rèn)為影響數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵因素是 空調(diào)系統(tǒng)，并以2個數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)為例，結(jié)合作者在數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維 中的經(jīng)驗，提出了數(shù)據(jù)中心節(jié)能的建議。1、 數(shù)據(jù)中心節(jié)能的必要性近年國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)快速增長的趨勢，金融、通信、石化、電 力等大型國企、政府機(jī)構(gòu)紛紛建設(shè)自己的數(shù)據(jù)中心及災(zāi)備中心。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算及移動互聯(lián)概念的推出，大批資金投資到商業(yè)IDC的建設(shè)中。數(shù)據(jù)中心對電 力供應(yīng)產(chǎn)生了巨大的影響，已經(jīng)成為一個高耗能的產(chǎn)業(yè)。在北京數(shù)據(jù)中心較集中 的幾個

2、地區(qū)，其電力供應(yīng)都出現(xiàn)飽和的問題，已無法再支撐新的數(shù)據(jù)中心。目前 某些數(shù)據(jù)中心移至西北等煤炭基地， 利用當(dāng)?shù)仉娏?yīng)充足、電價低的優(yōu)勢也不 失為一個明智的選擇。隨著數(shù)據(jù)中心的不斷變大，綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心已經(jīng)由概念走向?qū)嶋H。 越來越 多的數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時將PUEfi列為一個關(guān)鍵指標(biāo)，追求更低的PUEfi,建設(shè)綠 色節(jié)能數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識。例如，微軟公司建在都柏林的數(shù)據(jù)中心其 PUEfi為1.25。據(jù)最新報道Google公司現(xiàn)在已經(jīng)有部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的 PUE降低到 1.11。而我們國內(nèi)的PUE平均值基本在1.82.0 ,中小規(guī)模機(jī)房的PUEfi更高， 大都在2.5以上。我們在數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能設(shè)計

3、方面與國外還存在很大差距，其設(shè)計思想及理念非常值得我們借鑒。根據(jù)對國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的調(diào)查統(tǒng)計，對于未采用顯著節(jié)能措施的數(shù)據(jù)中心， 面 積為1000平方米的機(jī)房，其每年的用電量基本都在 500多萬kWH右。因此對 于新建的大型數(shù)據(jù)中心，節(jié)能的必要性十分重要。從各大數(shù)據(jù)中心對電力的需求來看，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為重要的高耗能產(chǎn)業(yè)而 非“無煙工業(yè)”，建設(shè)綠色、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心急需從概念走向?qū)嶋H。2、 影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素數(shù)據(jù)中心的能耗問題涉及到多個方面，主要因素當(dāng)然是空調(diào)制冷系統(tǒng)，但 UPS機(jī)房裝修、照明等因素同樣影響著數(shù)據(jù)中心的能耗，甚至變壓器、母線等 選型也影響著能耗。例如，對UPSW言，根據(jù)IT設(shè)備的實

4、際負(fù)荷選擇合理的 UPS 容量，避免因UP繳率過低而產(chǎn)生較大的自身損耗。 同時，選擇更加節(jié)能的高頻 ups優(yōu)化upsM卜結(jié)構(gòu)都可起到節(jié)能的效果。1、UPS寸數(shù)據(jù)中心能耗的影響UPSi機(jī)的自身損耗是影響數(shù)據(jù)中心能耗的一項重要因素。提高UPS的工作效率，可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)。下圖為某大型UPS主機(jī)的效率曲線。從該曲線中可以看出，當(dāng)UPS負(fù)荷超過30%寸UPS的效率才接近90%很多數(shù)據(jù)中 心在投運(yùn)初期IT負(fù)荷較少，在相當(dāng)長的時間內(nèi)負(fù)荷不足 20%在此卜#況下UPS 的效率僅僅為80流右,UPS的損耗非常大。因此，在 UPSg已置中盡量選擇多機(jī) 并聯(lián)模式，避免大容量 UPSi|機(jī)運(yùn)行模式。例如

5、，可以用兩臺 300kVA UPS聯(lián) 運(yùn)行的模式代替一臺600kVAUPSi|機(jī)運(yùn)行模式。具優(yōu)點在于IT負(fù)荷較少時只將 一臺300kVA UPS&入運(yùn)行，另一臺UPS工作，待IT負(fù)荷增加后再投入運(yùn)行。 這種UPS配置方案及運(yùn)行模式可以提高 UP繳率，降低機(jī)房能耗。2、供配電系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心能耗的影響數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷非常巨大，并且有很多變頻設(shè)備例如冷水機(jī)組、水泵、 冷卻塔、照明燈具等，這些變頻設(shè)備會產(chǎn)生很大的諧波。止匕外，UPS IT設(shè)備等也會產(chǎn)生很大的諧波。諧波對數(shù)據(jù)中心有非常大的危害， 而且會增加能耗。對于 用電負(fù)荷為1000kW勺數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行諧波VB理后，每年可節(jié)能 100多萬度

6、電。3、空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心能耗的影響據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會 （ASHRAE技術(shù)委員會9.9 （簡稱TC9.9） 統(tǒng)計報告顯示，數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如下圖所示：服務(wù)器 空調(diào)制冷 UPS損桶 照明 其他從上圖可看出，空調(diào)制冷系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總電量的近三分之一， 是影響機(jī)房 能耗的關(guān)鍵指標(biāo)。每個數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷的能耗存在很大差異， 好的空調(diào)制冷方 案可以極大降低能耗，降低PUE值。因此，本文以2個數(shù)據(jù)中心為例，著重分析 空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心能耗的影響。數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)實例分析1、小型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗分析以南方某數(shù)據(jù)中心為例，說明小型數(shù)據(jù)中心的能耗。該數(shù)據(jù)中心2007年建成，IT機(jī)房

7、總面積為530平方米，220個機(jī)柜。4臺120kVA UPS 3用1備，每 個機(jī)柜的平均功率為1.3kW。采用風(fēng)冷式精密空調(diào)制冷，配置10臺80kW顯冷量 空調(diào)，8用2備。經(jīng)多年運(yùn)行，目前該機(jī)房負(fù)荷已接近滿載。該機(jī)房是在廠房基 礎(chǔ)上改建而成，幾乎沒有采用任何節(jié)能措施，僅在改建過程中對樓板、墻壁、門 窗等進(jìn)行加固、封閉及保溫處理。該機(jī)房的年P(guān)UEffi為2.68。每天的用電量約為1.3萬kWH該機(jī)房原配置8臺精密空調(diào)，6用2備。機(jī)房建成后出現(xiàn)局部熱點，經(jīng)分析 后，確定由3個因素所致。其一，因機(jī)房層高較低，機(jī)房架空地板僅為350mm扣除地板下的強(qiáng)度電纜線槽，有效靜壓箱高度很低，不利于氣流流動。其二

8、，該 機(jī)房存在空調(diào)死角，氣流無法有效流動。具三，空調(diào)室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)的高度較大， 超過20米，對額定制冷量有折減。為解決上述三個問題，只能通過增加空調(diào)數(shù) 量來解決。因此該機(jī)房的PUEffi較高。在這類機(jī)房中，機(jī)房風(fēng)冷式精密空調(diào)的能耗是影響該數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵指 標(biāo)，因其房間結(jié)構(gòu)所限，造成精密空調(diào)的效率較低，也影響到數(shù)據(jù)中心的整體能 耗較高。2、大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗分析該數(shù)據(jù)中心總面積約為3000多平方米，2009年初開始正式投入運(yùn)行。在本項目中空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用了 “ Free Cooling ”技術(shù)，在過渡季節(jié)利用壓縮機(jī)+ 自然風(fēng)冷卻運(yùn)行模式。在冬季則完全利用自然風(fēng)冷卻進(jìn)行板式換熱。在冬季

9、及過渡季節(jié)，外界濕球溫度小于4c時，采用“ Free Cooling ”運(yùn)行模式，即冷水機(jī) 組停止運(yùn)行，經(jīng)冷卻塔散熱后的冷卻水和從精密空調(diào)來的冷凍水在板式換熱器內(nèi) 進(jìn)行熱交換，將機(jī)房內(nèi)的熱量帶走，此時冷卻塔起到冷水機(jī)組的作用。 在此過程 中僅冷卻塔的風(fēng)扇、水泵及精密空調(diào)等設(shè)備在耗電，冷水機(jī)組完全沒有耗電。在 夏季及過渡季節(jié)當(dāng)外界濕球溫度高于4c時，“Free Cooling ”運(yùn)行模式已無法滿足數(shù)據(jù)中心制冷需求，此時冷水機(jī)組開始制冷，回到傳統(tǒng)的空調(diào)壓縮機(jī)制冷模 式運(yùn)行。系統(tǒng)示意圖如下圖所示：冷水機(jī)組作為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，冷凍站的設(shè)計是最重要環(huán)節(jié)。本項目設(shè)置 2 個相對獨立的制冷機(jī)房，每個

10、冷凍機(jī)房有 2臺3500KW（合1000RT的離心式冷 水機(jī)組，3用1備。冷凍水供回水溫度設(shè)定為11C/17C。考慮前期負(fù)荷較小， 為避免離心式冷水機(jī)組在低負(fù)荷時發(fā)生 “喘振”現(xiàn)象，系統(tǒng)配置2臺400RT的螺 桿式冷水機(jī)組。板式換熱器按冷凍水 11C/17C ,冷卻水9 C/14 c進(jìn)行設(shè)計。為實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式，冷凍水泵選擇了 2種不同揚(yáng)程的變頻水泵 以適應(yīng)“Free Cooling ”運(yùn)行模式和冷水機(jī)組制冷模式。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯?？刂七壿嫷膬?yōu)劣直接關(guān)系的空調(diào) 系統(tǒng)的能耗及系統(tǒng)安全。在制定空調(diào)系統(tǒng)控制邏輯時，首先基于冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔的能耗數(shù)據(jù) 及本地區(qū)的氣象

11、條件，提出了合理的節(jié)能系統(tǒng)流程圖，并與假定冷水機(jī)組全年運(yùn) 行的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在理論上做出節(jié)能運(yùn)行分析。其次，為了保證空調(diào)系統(tǒng)安全、節(jié)能運(yùn)行，控制邏輯分為夏季和冬季2種模 式。在由冷水機(jī)組轉(zhuǎn)換到自然冷卻時， 為了避免冷水機(jī)組發(fā)生低溫保護(hù)， 必須首 先開啟冷卻水管道的旁通閥，將冷卻水水溫提高，以便順利開啟冷水機(jī)組。冬季自然冷卻時，冷卻塔處于低溫環(huán)境，而冷卻塔又必須供應(yīng)低于冷凍水溫 的冷卻水（比如6-8 C的冷卻水），控制邏輯必須防止冷卻塔結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)近幾年的實際運(yùn)行經(jīng)驗，本數(shù)據(jù)中心最遲從每年的11月下旬就可啟用“Free Cooling”運(yùn)行模式，一直可持續(xù)到第二年的 3月底至4月中旬

12、，即每年 至少可使用44.5個月的免費(fèi)冷源，節(jié)能效果非常顯著。下表是該某數(shù)據(jù)中心的2010年7月份至12月份的用電量統(tǒng)計及相應(yīng)的 PUE值時間7月8月9月10月11月12月天數(shù)313130313031總用 電量 （度）408,300482,400492,240545,580555,180650,040平均用電/天（度）13,17115,56116,40817,59918,50620,969辦公用電、空 調(diào)、UPS損耗 及照明用電/天（度）4,8816,0525,9576,8444,8295,186UPS用電/天 （度）7,4879,50910,45111,30413,67715,783PUE值

13、/天1.761.641.571.561.351.33從上表可知，8月份IT設(shè)備的負(fù)荷比7月份有所增加，因此8月份的PUE值比7月份略有降低。9、10月份平均氣溫低，此時冷卻水溫度較低，冷水機(jī)組 效率得以提高，因此9、10月份的PUEffi比7、8月份PUEfi明顯偏低。因當(dāng)年 11、12月份的氣溫較低，該系統(tǒng)已完全具備FREE-COOLING行模式所需的條件， 冷水機(jī)組壓縮機(jī)已停止工作不再耗電。因此，此時雖然UPS的用電量在逐步加大， 但空調(diào)的用電量卻比7、8、9、10月份的用電量還要低，PUE值從1.76降低到 1.33,節(jié)能效果非常巨大。3、數(shù)據(jù)中心水處理系統(tǒng)與能耗的關(guān)系大型數(shù)據(jù)中心通常采

14、用冷水機(jī)組作為機(jī)房冷源，因此數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)（冷卻水及冷凍水）對于數(shù)據(jù)中心而言極為重要，其安全可靠性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心 的運(yùn)行。不僅如此，水質(zhì)也直接關(guān)系到節(jié)能的問題，例如北京地區(qū)水質(zhì)較硬，當(dāng) 水系統(tǒng)中的結(jié)垢現(xiàn)象很嚴(yán)重時，空調(diào)系統(tǒng)的能耗也隨之增加。冷卻水與空氣接觸進(jìn)行熱交換的同時也將空氣中的污染物帶入系統(tǒng)，進(jìn)而會影響設(shè)備的正常運(yùn)行?？照{(diào)的冷卻水系統(tǒng)易受到結(jié)垢，腐蝕，污垢，微生物等問 題的困擾。其主要原因是冷卻塔在通過水的蒸發(fā)將熱量帶走的同時，水中的離子濃度會不斷升高，進(jìn)而會加劇系統(tǒng)設(shè)備和管道的結(jié)垢、腐蝕。另外，在滿足一定 的溫度、陽光、空氣等條件時，水中會滋生很多微生物，微生物的存在會影響系統(tǒng)設(shè)

15、備和管道的正常運(yùn)行。在空調(diào)專業(yè)上將冷卻水出水溫度與制冷劑的冷凝溫度之差稱之為冷凍機(jī)趨 近溫度。當(dāng)冷水機(jī)組內(nèi)的銅管干凈時，該差值小也即趨近溫度低；反之，當(dāng)銅管 有水垢粘附時，差值大也即趨近溫度高。趨近溫度越高，空調(diào)壓縮機(jī)需要額外多 做功壓縮制冷劑，產(chǎn)生額外的電耗。根據(jù)實際運(yùn)行中的統(tǒng)計，趨近溫度每增加 1C,冷水機(jī)組即增加3%勺能耗。此外，當(dāng)趨近溫度達(dá)到 7c時，會對冷水機(jī)組 的運(yùn)行造成非常大的危險。因此實時的檢測水系統(tǒng)的水質(zhì)并自動進(jìn)行加藥處理對 數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)尤為重要。水系統(tǒng)自動檢測及自動加藥設(shè)備通過在線的、實時的控制，可以嚴(yán)格地控制水的電導(dǎo)率，控制電導(dǎo)率在合理范圍內(nèi)，根據(jù)電導(dǎo)率大小自動控制排

16、污閥的開或 關(guān)，使補(bǔ)水量更精確，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。下面以實例說明自動水處理系 統(tǒng)在節(jié)電、節(jié)水方面所取得的效果。某數(shù)據(jù)中心在采用自動水處理系統(tǒng)前遭遇冷凍機(jī)組結(jié)垢、微生物滋生等問題困擾，造成趨近溫度升高，最高時達(dá)到 6.5 C,產(chǎn)生了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和運(yùn)行風(fēng) 險。經(jīng)過自動處理系統(tǒng)后，現(xiàn)趨近溫度穩(wěn)定在1C以下。在處理前，冷水機(jī)組耗電量為202kw。處理后，在相同的負(fù)荷下，耗電量降為170kw。在采用“ Freecooling ”技術(shù)的前提下，冷水機(jī)組每年運(yùn)行7.5個月計算，則一年節(jié)約用電為：(202-165) kW * 24h * 225d =199800 kWh 。四、數(shù)據(jù)中心運(yùn)維能耗分析1、

17、提高機(jī)房環(huán)境溫度。國內(nèi)機(jī)房運(yùn)行溫度普遍偏低。我國關(guān)于機(jī)房的國標(biāo) 規(guī)定，A級機(jī)房的溫度為23C24Co通常情況下機(jī)房管理人員將此溫度設(shè)為機(jī) 房精密空調(diào)的回風(fēng)溫度。那么，精密空調(diào)的出風(fēng)溫度通常是18C19Co但隨著芯片技術(shù)的不斷提高，芯片耐高溫性能也在不斷更新，IT設(shè)備可正常運(yùn)行的溫度也在不斷地提高。國外有越來越多的數(shù)據(jù)中心設(shè)計和管理人員將機(jī)房精密空調(diào) 的出風(fēng)溫度設(shè)置到27C。據(jù)估算，制冷參數(shù)變化1C,可能會產(chǎn)生5%10的能 耗變化。止匕外，提高機(jī)房環(huán)境溫度還可以延長節(jié)能裝置(例如“Free Cooling ”免費(fèi)冷源)的使用時間，提高精密空調(diào)送風(fēng)溫度和提高冷凍水出水溫度。2008年ASHRAE出

18、了推薦的機(jī)房環(huán)境溫度，如下圖所示。圖中紅色線條區(qū) 域為推薦的環(huán)境溫度。在最新的白皮書數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南(thermalguidelines for data processing environments )中，該溫度又有了提高。ASHRAE 所給出機(jī)房環(huán)境溫度是經(jīng)過國際上主流 IT設(shè)備供應(yīng)商確認(rèn)的，也就是說該機(jī)房 環(huán)境溫度并不與IT設(shè)備供應(yīng)商的要求相抵觸。專業(yè)整理分享The 2008 recommended environmental envelope is show in red in the figure befow.These environmental envelopes pertainto air entering the IT equipment6 J SUlt'口引卜- -I'M扇山對不Tam國國臼旭尸 Max通Genially accjlsdtelecom prac