數(shù)據(jù)中心節(jié)能專項(xiàng)方案分析

數(shù)據(jù)中心節(jié)能方案分析數(shù)據(jù)中心能耗問(wèn)題已越來(lái)越成為大家所關(guān)注，綠色數(shù)據(jù)中心呼聲越來(lái)越高。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心包含專業(yè)很多，研究者往往只從本專業(yè)出發(fā)，而沒(méi)有考慮和其它專業(yè)配合問(wèn)題。伴隨信息技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)中心節(jié)能手段也在不停更新和提升，現(xiàn)在關(guān)鍵使用節(jié)能手段有以下多個(gè)方面。

1.1冷熱通道隔離技術(shù)

經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐和理論證實(shí)，在一個(gè)設(shè)計(jì)不合理數(shù)據(jù)中心內(nèi)，60%空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)因?yàn)闅饬鹘M織不合理而被浪費(fèi)了。傳統(tǒng)開(kāi)放式熱通道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心面臨著兩大氣流管理難題：冷熱空氣相混合現(xiàn)象和空調(diào)冷送風(fēng)浪費(fèi)現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象大大降低了空調(diào)制冷效率。其中，冷熱空氣相混合現(xiàn)象指是由設(shè)備產(chǎn)生熱空氣和空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)相混合從而提升了設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度；空調(diào)冷送風(fēng)浪費(fèi)現(xiàn)象則指是從空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)并未進(jìn)入設(shè)備,并對(duì)設(shè)備冷卻而直接回流到空調(diào)機(jī)現(xiàn)象。冷熱空氣混合現(xiàn)象也是造成數(shù)據(jù)中心溫度不一致關(guān)鍵原因，而且這種現(xiàn)象也大大降低了數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷效率和制冷能力。怎樣處理這兩種現(xiàn)象，其實(shí)最簡(jiǎn)單方法就是機(jī)柜面對(duì)面擺放形成冷風(fēng)通道，背靠背擺放形成熱風(fēng)通道，這么會(huì)有效降低冷熱空氣混流，減低空調(diào)使用效率。以下圖所表示：

冷熱通道完全隔離

隔離冷通道或隔離熱通道哪種方法愈加好呢？這兩種方法全部將空調(diào)冷送風(fēng)和熱回風(fēng)隔離開(kāi)來(lái)，并使空調(diào)機(jī)回風(fēng)溫度提升以此來(lái)提升空調(diào)制冷效率，區(qū)分關(guān)鍵是可擴(kuò)展性，散熱管理和工作環(huán)境適宜性。

隔離冷通道可擴(kuò)展性關(guān)鍵是受地板下送風(fēng)和怎樣將地板下冷風(fēng)送入多個(gè)隔離冷通道制約。大家認(rèn)為只要當(dāng)空調(diào)機(jī)出風(fēng)量能滿足設(shè)備散熱風(fēng)量即可，不過(guò)她們忽略了高架地板下冷送風(fēng)對(duì)于多個(gè)隔離通道壓力降和空間限制。相反隔離熱通道則是使用整個(gè)數(shù)據(jù)中心作為冷風(fēng)區(qū)域來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題，正因?yàn)檫@么擴(kuò)大冷通道空間。隔離熱通道相比于隔離冷通道有著更多空調(diào)冗余性能，多出熱通道空間將會(huì)在空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能多出幾分鐘寶貴維修時(shí)間。而且伴隨服務(wù)器設(shè)備散熱能力提升，服務(wù)器所需散熱風(fēng)量將會(huì)大大降低。現(xiàn)在很多服務(wù)器熱風(fēng)出風(fēng)溫度可抵達(dá)成55℃。隔離冷通道未被隔離部分空間溫度將會(huì)比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心大大提升，這將增加了數(shù)據(jù)中心工作人員舒適度和降低數(shù)據(jù)中心其它設(shè)備使用壽命。

總而言之，即使這兩種方法全部能夠提升空調(diào)使用效率，不過(guò)相比較起來(lái)，隔離熱通道比隔離冷通道效率更高、適用性愈加好。

1.2冷源方案比較

依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)占機(jī)房總功耗40%左右。機(jī)房中制冷關(guān)鍵是由機(jī)房空調(diào)負(fù)責(zé)，所以降低機(jī)房空調(diào)耗電量能夠有效降低機(jī)房PUE值?，F(xiàn)在數(shù)據(jù)中心中較為常見(jiàn)節(jié)能制冷系統(tǒng)有以下四種：

（1）水冷冷凍水機(jī)組+自由冷卻系統(tǒng)

本方案組成設(shè)備包含：水冷冷水機(jī)組、板式換熱器、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加壓裝置、蓄冷水罐、末端空調(diào)機(jī)組等組成。整個(gè)系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)組成，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

（2）風(fēng)冷冷凍水機(jī)組+自由冷卻系統(tǒng)

本方案組成設(shè)備包含：風(fēng)冷冷水機(jī)組、干盤管、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加壓裝置、蓄冷水罐、末端空調(diào)機(jī)組等組成。本系統(tǒng)做自由冷卻用干盤管可集成于風(fēng)冷冷水機(jī)組內(nèi)，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

（3）自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組+自由冷卻

自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)屬于分散式空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組由室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、干盤管組成。室外機(jī)內(nèi)置壓縮機(jī)，干盤管集中部署于室外，母管連接由水泵分配至各室內(nèi)空調(diào)機(jī)，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

（4）模塊末端全空氣空調(diào)機(jī)組水冷冷凍水

本方案組成設(shè)備包含：水冷冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加藥裝置、蓄冷水罐、全空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)組等組成。過(guò)渡季及冬季直接把室外冷空氣經(jīng)全空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)組處理后送至機(jī)房?jī)?nèi)，以降低冷源部分能耗，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

數(shù)據(jù)中心到底使用哪種制冷系統(tǒng)，需要依據(jù)項(xiàng)目所在地各項(xiàng)條件綜合考慮。在中國(guó)長(zhǎng)江以北地域，假如有條件提議采取水冷冷凍水機(jī)組+自由冷卻系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)，這么在冬季氣溫7-12℃時(shí)能夠采取預(yù)冷方法，使用部分冷凍機(jī)組。在室外溫度小于7℃時(shí)，能夠不開(kāi)啟冷凍水機(jī)組，完全用自由冷卻系統(tǒng)對(duì)機(jī)房降溫，大大降低了能源消耗。1.3采取變頻電機(jī)

空調(diào)系統(tǒng)制冷能力和環(huán)境親密相關(guān)，夏天室外溫度越高，制冷能力越低，所以大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)制冷量全部是按最差(夏天最熱)工況設(shè)計(jì)(空調(diào)制冷量通常要比其在理想工況下額定值低，這時(shí)建筑物本身不僅不散熱，反而吸熱)。這么，整年絕大部分時(shí)間空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在負(fù)荷不飽滿狀態(tài)。另外，大型數(shù)據(jù)中心IT負(fù)荷從零到滿載也需要相當(dāng)初間，通常也在一到三年之間。還有，IT負(fù)載能耗和網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)量或運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，依據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)，天天二十四小時(shí)能耗全部在改變，十二個(gè)月365天能耗也全部在改變。比如，游戲服務(wù)器在早上負(fù)載和能耗全部比較低，但在晚上就比較高；視頻服務(wù)器在碰到重大事件時(shí)負(fù)載和能耗就比較高。

所以，在水冷系統(tǒng)中全部電機(jī)采取變頻系統(tǒng)，這么能夠節(jié)省大量能量，其增加投資通常在十二個(gè)月內(nèi)節(jié)省電費(fèi)中就能夠收回(基礎(chǔ)滿負(fù)荷情況下)。對(duì)于風(fēng)機(jī)和水泵，輸入功率和這些設(shè)備轉(zhuǎn)速三次方成正比。比如，假如風(fēng)機(jī)或水泵轉(zhuǎn)速為正常轉(zhuǎn)速50%，僅需要同一設(shè)備運(yùn)行在100%額定轉(zhuǎn)速時(shí)理論功率12.5%.所以，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在部分負(fù)荷時(shí)，變速裝置節(jié)能潛力十分顯著。

1.4提升冷凍水溫度

冷水機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)冷凍水溫度為7到12℃，水冷空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)工況也是認(rèn)為冷凍水溫度為7到12℃。不過(guò)這個(gè)溫度范圍對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)有點(diǎn)低，帶來(lái)以下兩個(gè)不利原因：

這個(gè)溫度大大低于數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行在40%左右相對(duì)濕度露點(diǎn)溫度，將在風(fēng)機(jī)盤管上形成大量冷凝水，需要深入加濕才能保持機(jī)房環(huán)境濕度。這個(gè)除濕和加濕過(guò)程全部是很消耗能量過(guò)程。

冷凍水溫度和冷水機(jī)組效率成正比關(guān)系，也就是說(shuō)冷凍水溫度越高，冷水機(jī)組效率也就越高。依據(jù)YORK企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)上公布材料，冷凍水溫度每提升一度，冷水機(jī)組效率就能夠提升大約3%.

現(xiàn)在，在集裝箱數(shù)據(jù)中心和高功率密度冷水背板制冷技術(shù)中全部把冷凍水溫度設(shè)計(jì)為12到18℃，已經(jīng)高于露點(diǎn)溫度，完全不會(huì)除濕，也就不需要加濕。冷凍水溫度提升后，水冷精密空調(diào)制冷能力會(huì)下降，實(shí)際制冷能力需要廠家提供電腦選型軟件來(lái)確定，通常會(huì)下降10%到15%.不過(guò)因?yàn)槔鋬鏊疁囟忍嵘髽O少或基礎(chǔ)不除濕和加濕，加上采取EC調(diào)速風(fēng)機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生熱量降低，整個(gè)水冷精密空調(diào)實(shí)際制冷能力(顯冷)下降并不多。

1.5供配電系統(tǒng)節(jié)能

1.5.1正確計(jì)算供電功率：使用用電管理軟件正確計(jì)算用電功率和智能化控制系統(tǒng)用電，提升電源利用率。為機(jī)房建設(shè)計(jì)劃提供更正確數(shù)據(jù)，智能控制整體用電量。

1.5.2供配電系統(tǒng)節(jié)省電能技術(shù)方法，關(guān)鍵是配電電壓深入負(fù)荷中心、配電變壓器正確選擇和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、配電線路合理選擇和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、電壓調(diào)整和無(wú)功賠償?shù)燃夹g(shù)和方法采取。配電系統(tǒng)降損節(jié)能技術(shù)方法以下：

（1）合理使用變壓器

依據(jù)用電特點(diǎn)選擇較為靈活結(jié)線方法，并能隨各變壓器負(fù)載率立即進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，以確保變壓器運(yùn)行在最好負(fù)載狀態(tài)。變壓器三相負(fù)載努力爭(zhēng)取平衡，不平衡運(yùn)行不僅降低出力，而且增加損耗。

（2）重視和合理進(jìn)行無(wú)功賠償

合理地選擇無(wú)功賠償方法、賠償點(diǎn)及賠償容量，能有效地穩(wěn)定系統(tǒng)電壓水平，避免大量無(wú)功經(jīng)過(guò)線路遠(yuǎn)距離傳輸而造成有功網(wǎng)損。對(duì)配電網(wǎng)電容器無(wú)功賠償，通常采取集中、分散、就地相結(jié)合方法；電容器自動(dòng)投切方法可按母線電壓高低、無(wú)功功率方向、功率因數(shù)大小、負(fù)載電流大小、晝夜時(shí)間劃分進(jìn)行。

（3）對(duì)低壓配電線路改造，擴(kuò)大導(dǎo)線載流水平

按導(dǎo)線截面選擇標(biāo)準(zhǔn)，能夠確定滿足要求最小截面導(dǎo)線；但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，選擇最小截面導(dǎo)線并不經(jīng)濟(jì)。假如把理論最小截面導(dǎo)線加大一到二級(jí)，線損下降所節(jié)省費(fèi)用，足能夠在較短時(shí)間內(nèi)把增加投資收回。

（4）降低接點(diǎn)數(shù)量，降低接觸電阻

在配電系統(tǒng)中，導(dǎo)體之間連接普遍存在，連接點(diǎn)數(shù)量眾多，不僅成為系統(tǒng)中安全微弱步驟，而且還是造成線損增加關(guān)鍵原因。必需重視搭接處施工工藝，確保導(dǎo)體接觸緊密，并可采取降阻劑，進(jìn)一小降低接觸電阻。不一樣材料間搭接尤其要注意。

（5）采取節(jié)能型照明電器

依據(jù)建筑布局和照明場(chǎng)所合理部署光源、選擇照明方法、光源類型是降損節(jié)能有效方法。推廣高效節(jié)能電光源，以電子鎮(zhèn)流器替換電感鎮(zhèn)流器；應(yīng)用電子調(diào)光器、延時(shí)開(kāi)關(guān)、光控開(kāi)關(guān)、聲控開(kāi)關(guān)、感應(yīng)式開(kāi)關(guān)替換蹺板式開(kāi)關(guān)，將大幅降低照明能耗和線損。

1.6UPS不間斷電源節(jié)能

UPS節(jié)能必需從方案、UPS、電池、配電等方面全方位進(jìn)行。

（1）按需擴(kuò)容柔性計(jì)劃

現(xiàn)在，數(shù)據(jù)中心大多是分期分模塊進(jìn)行建設(shè),考慮以后未來(lái)幾年擴(kuò)容,在設(shè)計(jì)時(shí)UPS容量通常全部考慮容量比較大些,一次就安裝了幾套大功率UPS并機(jī)，早期負(fù)載量只有計(jì)劃容量10%～20%，使UPS利用率很低，造成電能浪費(fèi)，為了避免這種情況發(fā)生，需要采取模塊化UPS，逐步擴(kuò)容。

（2）提升UPS能效

現(xiàn)在UPS均為在線式雙變換構(gòu)架，在其工作時(shí)整流器、逆變器均存在功率損耗。提升UPS工作效率，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)，可見(jiàn)提升UPS效率是降低整個(gè)機(jī)房能耗最直接方法。所以采購(gòu)UPS，盡可能采購(gòu)效率更高UPS。

當(dāng)然UPS效率高不僅僅是滿載時(shí)效率高,同時(shí)也必需含有一個(gè)較高效率曲線,尤其是在“1+1”并機(jī)系統(tǒng)時(shí),依據(jù)系統(tǒng)計(jì)劃,每臺(tái)UPS容量不得大于50%,假如此次效率僅為90%以下,就算滿載效率達(dá)成95%以上,也是沒(méi)有意義,所以要求UPS必需采取方法優(yōu)化效率曲線,使UPS效率在較低負(fù)載時(shí)也能達(dá)成較高效率。

（3）降低輸入電流諧波，提升功率因數(shù)

諧波產(chǎn)生根本原因是因?yàn)殡娏€路展現(xiàn)一定阻抗，等效為電阻、電感和電容組成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榉蔷€性負(fù)載產(chǎn)生非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變，稱為諧波。諧波危害包含:引發(fā)電氣組件附加損耗和發(fā)燒(如電容、變壓器、電機(jī)等)；電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命；干擾設(shè)備正常工作；無(wú)功功率增加，電力設(shè)備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設(shè)備)；供電效率低；出現(xiàn)諧振，尤其是柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)更嚴(yán)重；空開(kāi)跳閘、熔絲熔斷、設(shè)備無(wú)故損壞。處理方法關(guān)鍵有以下四種：

·采取12脈沖整流器

·采取無(wú)源濾波器

·采取有源濾波器

·采取高頻IGBT整流及PFC功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)整流器

1.7高壓直流供電技術(shù)

和傳統(tǒng)48V供電系統(tǒng)類似，高壓直流供電系統(tǒng)是由多個(gè)并聯(lián)冗余整流器和蓄電池組成。在正常情況下，整流器將市電交流電源變換為270V、350V或420V等直流電源，供給電信設(shè)備，同時(shí)給蓄電池充電。電信設(shè)備需要其它電壓等級(jí)直流電源，采取DC/DC變換器變換得到。市電停電時(shí)，由蓄電池放電為電信設(shè)備供電；長(zhǎng)時(shí)間市電停電時(shí)，由備用發(fā)電機(jī)組替換市電，提供交流輸入電源。高壓直流供電優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）可靠性

直流電源模塊化輸出和電池直接并聯(lián)給負(fù)載供電,后備電池和電源后段并聯(lián)給服務(wù)器組成2路冗余供電，可靠性高，真正不間斷；假如UPS后備電池只是和電源前段并聯(lián)給DC/DC供電，整個(gè)系統(tǒng)供電對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)備不是冗余供電模式。在某種原因下UPS系統(tǒng)瓦解,電池不能直接應(yīng)用,造成后端設(shè)備斷電。而采取直流供電，杜絕系統(tǒng)瓦解帶來(lái)斷電風(fēng)險(xiǎn)。

（2）可操作、維護(hù)性

并機(jī)輕易，而且能夠做成系統(tǒng)處理方案，做到安全不間斷割接，功率部分采取模塊化,支持帶電熱插拔,可快速更換，功率部分和監(jiān)控功效模塊CSU之間正常工作是監(jiān)控單元CSU控制,故障時(shí)各自獨(dú)立控制,避免故障擴(kuò)散。更換模塊和監(jiān)控單元CSU是互不影響，便于維護(hù)。

（3）提升負(fù)載可靠性

計(jì)算機(jī)等開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部橋式整流變?yōu)橹绷麟娬?fù)極防接反電路,即使計(jì)算機(jī)輸入電源正負(fù)極接反,不影響計(jì)算機(jī)正常工作。影響設(shè)備壽命和故障一個(gè)關(guān)鍵原因是電容元件失效問(wèn)題,交流電經(jīng)過(guò)整流橋以后是一個(gè)脈動(dòng)直流電，使后面電容元件不停充放電，壽命縮短。采取直流供電,元器件壽命延長(zhǎng)。延長(zhǎng)了負(fù)載設(shè)備壽命，提升了其可靠性。

（4）智能化管理

直流高壓開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)和傳統(tǒng)48V直流電源系統(tǒng)一樣，能夠很方便對(duì)電池進(jìn)行全方面智能化管理,含有完備電池管理系統(tǒng)，有效延長(zhǎng)了電池使用壽命，降低了運(yùn)行成本，提升了供電可靠性；UPS電池管理簡(jiǎn)單、不全方面，電池容量損失速度快。

（5）降低諧波干擾

對(duì)于計(jì)算機(jī)和服務(wù)器來(lái)說(shuō)，采取直流輸入，不再存在相位和頻率問(wèn)題，多機(jī)并聯(lián)變得簡(jiǎn)單易行。無(wú)諧波干擾，UPS存在輸出功率因數(shù)，通常在0。6～0。8。

（6）安全性

直流高壓電源系統(tǒng)，是標(biāo)準(zhǔn)電氣柜，安全性高，而且對(duì)分路輸出和母線絕緣情況實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)人身傷害預(yù)警大大提升；UPS非標(biāo)一體柜，安全性低。

（7）高效節(jié)能

因?yàn)槭〉袅四孀儾糠?直流開(kāi)關(guān)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)2次變流，電源效率達(dá)成92%以上，UPS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)4次變流效率通常70%左右，這么大大節(jié)省能源，降低運(yùn)行成本。

1.8提升機(jī)房溫度

依據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》，A類和B類機(jī)房主機(jī)房溫度要求保持在23±1℃，也就是22到24℃。ANSI/TIA-942-《TelecommunicationsInfrastructureStandardforDataCenters》中要求冷通道溫度為華氏68-77度，也就是20到25℃。美國(guó)采暖制冷和空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)新機(jī)房冷通道溫度已經(jīng)從20到25℃提升到18到27℃。因?yàn)閲?guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求主機(jī)房溫度沒(méi)有指定是機(jī)柜前進(jìn)風(fēng)溫度，傳統(tǒng)機(jī)房存在以下兩方面不足：

·因?yàn)闆](méi)有冷通道或熱通道封閉，機(jī)房溫度尤其低，設(shè)備內(nèi)部溫度并不低，大量冷氣短路自循環(huán)。

·機(jī)房溫度往往低于24℃，處于過(guò)分制冷狀態(tài)。

現(xiàn)代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等并非傳統(tǒng)觀念（或20年前）中認(rèn)為那么嬌貴，大部分服務(wù)器在溫度10-35℃，相對(duì)濕度20%-80%全部能夠正常運(yùn)行（ASHRAE認(rèn)