關于數(shù)據中心機房節(jié)能運行現(xiàn)狀與問題分析

時間：2022-02-02作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：842

楊馨

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
 
       摘要：文章分析了位于北京和廣州的3個大型數(shù)據中心的能耗數(shù)據，對數(shù)據中心節(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)據中心普遍存在的共性問題，為數(shù)據中心節(jié)能提供了方向。
       關鍵詞：數(shù)據中心；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)據中心快速發(fā)展。我國數(shù)據中心建設的數(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)。但是衡量運行水平的重要指標PUE卻未達到世界水平，差距還不小。中國制冷學會于2017年對上海市20家擁有500個機架的數(shù)據中心進行了評測，大部分數(shù)據中心的PUE分布在1.6-2.3范圍內。中位值是1.80，平均值為1.97。距離《“十三五”國家信息化規(guī)劃》中提出的到2018年大型數(shù)據中心年PUE不1.5的要求差距較大。
       不同的數(shù)據中心存在不同的問題，也有其共性的問題，這些問題在業(yè)內中已有資料反映。文章結合近期調查的數(shù)據中心為例，總結存在于節(jié)能運行中的共性問題。
 
1北京某IDC數(shù)據中心
1.1工程簡介
      該數(shù)據中心建筑面積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。
為分析數(shù)據中心的能效，文章對數(shù)據中心的能耗和冷水機組的COP進行了一年的監(jiān)測記錄，并同時對運行管理措施及方法進行了訪談，對冷凍水系統(tǒng)的水溫變化進行了全程追蹤測試。
1.2能耗分布與PUE
     根據約一年的實測數(shù)據，該數(shù)據中心的能耗分布和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)據分析
     根據能耗分項數(shù)據，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
     根據能耗數(shù)據、訪談情況以及水系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的測試結果，該數(shù)據中心的問題主要為：
     1）主機效率偏低。主機效率(COP值)小于4.0。2019年7月16日測試期間，冷機冷卻水進出口溫度3O.3℃/32.6℃,冷凍水出水溫度7℃，負載百分比為71%條件下，運行工況與《蒸汽壓縮循環(huán)冷水機組》(GB/T18430.1—2007)規(guī)定的額定條件十分接近。此條件下，主機COP應達到5.5。但主機效率僅為4.0，距離5.5還有不小差距。其原因與冷凍水的水質、機組維護等因素有關。冷卻塔填料結垢嚴重，未及時清洗，使得冷卻水溫度偏高。
     2）水泵的能耗占比過高。設計狀態(tài)下，水泵的總能耗(含冷卻塔)應當只有主機的30%，實際使用中卻達到62%。冷水機組的防凍水溫差、冷卻水溫差均只2℃，說明水流量偏大，水泵應可以減少流量。同時測試得到的水泵效率只有50%。
     3）分水器與集水器之間存在水量旁通。根據現(xiàn)場測試，末端機房內水冷空調的進出口溫度一般為7℃/14℃，溫差達到7℃以上。但冷凍站集水器內的溫度卻為8.8℃。說明分集水之間存在大量的混水，供應到用戶的水量不足。
     4）機房內精密空調能耗過高。精密空調的能耗比冷水機組能耗還高。一般末端空調能耗應控制在空調系統(tǒng)總能耗≤25%以內，現(xiàn)已大大出這一比例。按照冷凍機供冷量能力計算，2臺冷水機組全部開啟時，機房內的風冷空調可以關閉，但機房內所有風冷精密空調仍然全部開啟使用。風冷精密空調的使用補充了部分冷量，卻消耗了大量的電力。
     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)據中心能耗數(shù)據


 
表2北京某IDC數(shù)據中心分項能耗情況


 
2廣州某云計算數(shù)據中心
2.1基本情況
     廣州某云計算數(shù)據中心位于廣州市蘿崗區(qū)。數(shù)據中心的空調面積約35000㎡(其中一期15000㎡)。建筑9層，其中數(shù)據機房位于3、4層。
     數(shù)據中心采用集中冷源，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?？照{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)據中心基礎設備設施(暖通空調)的功率總和為1099kW，占數(shù)據中心總耗電的44%，見表3。
2.3PUE評價
     數(shù)據中心的電氣損耗為466kW,達到數(shù)據中心總能耗的13%。變壓器損耗6%，UPS損耗12%、列頭柜配電系統(tǒng)損耗7%，這部分的損耗較大，應在電氣管理和設備配置上改進。
     暖通空調系統(tǒng)中冷機電耗占51%、精密空調為26%、水泵+冷塔為21.4%。暖通空調系統(tǒng)內部占比較為合理。但能耗總體比例仍然較高，具有調節(jié)改善PUE的空間。
2.4存在的主要問題
     1）冷水機組效率未達標?！豆步ㄖ?jié)能設計標準》(GB50189—2015)中4.2.10節(jié)要求電機驅動壓縮機的蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組，在額定制冷工況和規(guī)定條件下變頻離心式冷水機組性能系數(shù)(COP)不應5.5。而現(xiàn)組平均能效系數(shù)為5.10，也未達到5.5。在機組運行工況**額定工況的條件下，仍不滿足節(jié)能要求。根據訪談介紹，機組每年清洗2次，進行機組水質維護，水質應無問題。應當是機組運行工況不合理造成。
     2）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。水泵揚程配置過高，偏差較大。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。
     3）機房精密空調開啟臺數(shù)過多。機房精密空調能耗占暖通系統(tǒng)能耗30%以上，表明精密空調運行不夠合理?，F(xiàn)在精密空調全部開啟，沒有按照回風溫度進行控制。
     4）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。運維人員的主要精力放在保平安運行上，缺少冷水機組、水泵、冷卻塔的節(jié)能運行策略。
 
表3廣州某云計算數(shù)據中心分項耗電情況


 
 
3廣州某數(shù)據中心
3.1基本情況
     該數(shù)據中心位于廣州市內，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)據機房是2至7層的數(shù)據機房；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能耗分布及PUE
     該數(shù)據中心的能耗種類均為電力。通過短期測試獲得1#機樓和2#機樓的電耗分布。表4、表5給出了1#機樓的具體耗電數(shù)據。
3.3PUE評價
     1#機樓和2#機樓的短時PUE為1.76-1.86，由于測試在冬季進行，機組處于有利的運行條件，全年PUE值一定現(xiàn)有PUE值，說明該數(shù)據中心的能效水平較低。
     其中UPS和HVDC的負載率低，損耗過大，達到總能耗的約11%。水泵能耗占冷水機組能耗的50%；精密空調的能耗則與冷水機組的能耗相當。說明整個制冷系統(tǒng)效率較低。
3.4存在問題
     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，根據低、高值設定，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。
     4）末端精密空調開啟過多。機房內精密空調全部開啟，沒有根據機房內的實際熱量進行送風的調節(jié)，送風溫差小，送風效率低，送風能耗高。
     5）水泵未變頻運行。水泵定頻運行，供水量偏大，使得輸送能耗較高。
     6）采用漫灌式氣流組織，氣流旁通率高，冷空氣未送到機柜內部,嚴重影響送風效率。
     7）缺少節(jié)能管理手段及運行策略。缺少對室內外環(huán)境使用條件、設備狀態(tài)和運行效果的監(jiān)測，全靠手工粗放式運行，節(jié)能效果差。
 
表41#機樓總體能耗


 
表51#樓空調系統(tǒng)能耗分布


 
 
4數(shù)據中心節(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)據中心中。
4.1系統(tǒng)設計方面
     數(shù)據中心設計在產品選型、系統(tǒng)安全性與可靠性設計上都滿足了國家節(jié)能設計要求和專業(yè)設計要求，但設計的精細化程度不夠。為了**安全，選用設備時富裕系數(shù)較大，但運行效率偏低。
     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?？刂葡到y(tǒng)智能程度低，僅僅支持泛泛的啟?？刂频?。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。
4.2運行管理方面
     調研結果表明，運行管理方面存在的問題多，在每一個環(huán)節(jié)都會出現(xiàn)問題。
     運行管理部門始終把數(shù)據中心的安全運行擺在一位，往往強調安全，而忽視了節(jié)能，導致許多節(jié)能措施不敢使用，這是阻礙節(jié)能管理水平提高的重要原因之一。實際運行中應把握好安全與節(jié)能的關系。通過了解安全風險因子，了解節(jié)能措施的影響程度，可以加深對安全生產和節(jié)能技術的科學認識，在安全可控的前提下，加強節(jié)能運行管理。
     1）設備維護不及時
     冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)的水質沒有嚴格的質量管理。盡管多數(shù)單位有專業(yè)的水質維護，但水質的質量管理形同虛設，沒有明確的考核檢查標準。冷卻塔填料結垢十分普遍，也沒有及時清洗。
     冷水機組的實際運行效率與機組標稱值之間相差較大，冷水機組運行效率有待提高。風冷精密空調系統(tǒng)也需要及時維護保養(yǎng)，但許多數(shù)據中心缺少對精密空調的專業(yè)養(yǎng)護，使得運行效率逐年下降。
     2）管路及附件維護不到位，疏于操作
     水路上的閥門不管是手動還是自動模式，普遍存在關閉不嚴現(xiàn)象，導致水流旁通。不僅浪費水泵功耗，還降低了機房精密空調制冷量。溫度與壓力計量儀表多數(shù)不能使用，形同虛設。
     臺數(shù)切換時對應閥門也需進行切換，但由于加大了操作人員的工作量，一般不會落實這項操作。
3）粗放式運行管理
     無論是否需要，機房內精密空調全部開啟運行，使得精愛空調的能耗與冷水機組能耗相當，大大出送風系統(tǒng)的能耗標準。
     數(shù)據中心都設計安裝了水系統(tǒng)變頻設備，但是實際運行未落實，不能根據水系統(tǒng)溫度的變化進行變流量運行。水系統(tǒng)輸送能耗約占冷水機組能耗的50%以上，不能隨主機負荷隨動調節(jié)。
     冷水機組的啟停數(shù)量也是完全經驗化運行，機組臺數(shù)的選擇缺乏依據，機組不能在高效區(qū)運行，使得機組運行效率不高。冷水機組的供水溫度沒有隨著室內負荷變化進行調節(jié)，基本全年恒定溫度運行。
     機房內溫度設置偏低。強調運行的安全性后，使機房內回風溫度較低，如有的機房要求保持在22℃左右，這樣冷水機組出水溫度一直壓低在7℃，自然冷卻的空間也大大壓縮。
     以上這些因素交織在一起，往往造成數(shù)據中心的能耗居高不下。
 
 
5安科瑞為數(shù)據中心提供的電力監(jiān)控解決方案
5.1精密配電管理解決方案
     AMC系列數(shù)據中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據的智能系統(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)據上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據機房的實時監(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）
 
產品規(guī)格






 
說明：■為標配功能。
 
配套附件




 
配套附件
 
5.2AMB智能小母線管理系統(tǒng)
     數(shù)據中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據中心建設的快速發(fā)展和高需求，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；
產品介紹


 
說明：■為標配功能。
 
 
參考文獻：
【1】張晟，李，梁剛強，顧砒，龔延風.數(shù)據中心機房節(jié)能運行現(xiàn)狀與問題分析
【2】鐘聰睿.互聯(lián)網數(shù)據中心(IDC)機房總體規(guī)劃中的節(jié)能設計研究信息通信，2016(8):241-242
【3】卜東潔，王克勇，潘俊等.數(shù)據中心機房升溫的研究[J].建筑節(jié)能，2015(5):31-33
【4】安科瑞數(shù)據中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版
 
 
筆者簡介：
     楊馨，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據中心智能小母線監(jiān)控的應用。

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