數(shù)據(jù)中心能源利用效率的優(yōu)化方法研究

1概述

隨著新一輪信息技術革命和產(chǎn)業(yè)變革快速發(fā)展，數(shù)字經(jīng)濟異軍突起，成為推動全球經(jīng)濟迅速恢復和穩(wěn)健增長的“發(fā)動機"。作為數(shù)字經(jīng)濟的“底座"，數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達5,952億元。

圖12014—2025年我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模與增速預測

我國數(shù)據(jù)中心將成為未來為數(shù)不多能源消耗占社會總用電量和碳排放量比例持續(xù)增長的行業(yè)，給全社會能源供應和環(huán)保帶來了巨大壓力。

圖22015-2018年中國數(shù)據(jù)中心機柜數(shù)量

2021年工信部發(fā)布的《“十四五"信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》專門設置了“綠色節(jié)能"類別的發(fā)展指標。工信部指出，到2025年底，我國新建大型和超大型數(shù)據(jù)中心有較大的節(jié)能改造空間。

2數(shù)據(jù)中心能耗分析

數(shù)據(jù)中心一般由電網(wǎng)為其提供穩(wěn)定電源，能源消耗主要可分為以下4個部分，能耗情況如圖3所示。

（1）IT設備：包括服務器、存儲設備和網(wǎng)絡通信設備等，為用戶提供信息處理和存儲、通訊等服務系統(tǒng)，耗能占45%。

（2）制冷系統(tǒng)：為IT設備運行需要提供穩(wěn)定的溫、濕度環(huán)境，主要包括：空調(diào)、冷源設備，送回、風系統(tǒng)，耗能占40%。

（3）電氣系統(tǒng)：主要為UPS系統(tǒng)及其他輔助照明等，耗能占5%。

（4）其他：主要為供配電系統(tǒng)等，耗能占10%。

圖3數(shù)據(jù)中心主要能耗構(gòu)成

3數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施

由于數(shù)據(jù)中心能耗高，因此，在技術選擇上，可采取多種技術措施，目的是能夠有效的提高能源利用效率，降低能耗。

3.1電力供應

數(shù)據(jù)中心尋求替代傳統(tǒng)供電模式。

3.2數(shù)據(jù)中心電氣節(jié)能技術

3.2.1節(jié)能設備

制冷主機采用高效變頻水冷離心冷水機組，有效節(jié)約運行費用，降低能耗。變頻機組在過渡季節(jié)、部分負荷時提高運行效率，可顯著達到降低系統(tǒng)運行費用。

定頻泵無法根據(jù)負載變化動態(tài)調(diào)整水量，從而無法節(jié)能，如果采用變頻調(diào)速控制的水泵，將可以根據(jù)不同負荷和工況進行調(diào)整，從而實現(xiàn)節(jié)能?？刂扑玫妮斔湍芎?，關鍵是控制水泵的變頻，滿足循環(huán)流量的情況下，盡量減少不必要的耗電。

水泵變頻節(jié)能的理論依據(jù)：

P2＝P1(n2/n1)3＝P1(f2/f1)3

P1＝電機額定功率kW

P2＝實際工作頻率下的輸出功率kW

n1＝額定轉(zhuǎn)速

n2＝實際轉(zhuǎn)速

f1＝額定工作頻率，一般為50Hz

f2＝實際工作頻率Hz

由上式可知，水泵耗電功率與頻率成三次方關系，節(jié)能空間巨大。

變頻變流量控制是針對數(shù)據(jù)中心中節(jié)能效果更為明顯。

3.2.2分布式儲能UPS系統(tǒng)

UPS的作用是在市電電源中斷、柴油發(fā)電機組啟動前，確保負載持續(xù)供電，因此，UPS系統(tǒng)包含了儲能設備，如蓄電池或飛輪。此外，還具有隔離市電側(cè)浪涌、電壓驟升驟降等作用。

在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心，UPS系統(tǒng)損耗可占IT設備能耗10%以上。UPS系統(tǒng)按照系統(tǒng)大負載功率設計。實際上，大部分時間的真實負載功率達不到大負載功率的需要，真實負載與額定負載的比例越小，UPS能效越低。因此，提高UPS系統(tǒng)可靠性，降低其損耗，就成為UPS系統(tǒng)架構(gòu)演變的主旋律。

傳統(tǒng)集中式UPS系統(tǒng)弊端明顯，單點失效、備用UPS增加了系統(tǒng)成本、能效差。分布式儲能UPS系統(tǒng)由電源模塊、控制模塊和鋰電池模塊組成的數(shù)千瓦至50MW的小型模塊，不但增加了系統(tǒng)可靠性、可擴展性和電源管理靈活性。同時根據(jù)用戶設備進入時間，分批建造，減少空載或輕載時間。

3.3數(shù)據(jù)中心制冷節(jié)能技術

3.3.1提高冷凍水供回水溫度及溫差

提高冷凍水供回水溫度，可以提高冷凍機的運行效率，同時可以增加自然冷卻時間。制冷機組冷凍水出水溫度每提升1℃可節(jié)能3%～5%，變頻離心機組冷凍水出水溫度每提升1℃可節(jié)能4%～6%，節(jié)能效果明顯。

圖4為在不同的出水溫度條件下，冷水機組的制冷量與用電功率的典型關系。

圖4不同出水溫度，冷水機組制冷量與用電功率關系

可以看出，隨著冷水機組的出水溫度的提升，對應著的制冷量和用電功率都在增加，但發(fā)現(xiàn)制冷量的增幅更大，簡單來說，隨著冷水機組出水溫度提升，將可以用更少的電力消耗提供更多的制冷量。提高冷水機組的出水溫度即提高末端空調(diào)的供水溫度，它引申出的另一個好處是能夠大限度利用室外冷源進行自然冷卻。

3.3.2提高空調(diào)機組的送回風溫度

提高空調(diào)機組的送回風溫度，可以通過精密空調(diào)機組設定，保證精密空調(diào)的運行效率，降低不必要的過度制冷的能源浪費。

3.3.3間接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)

目前數(shù)據(jù)中心能耗，如何應對大型制冷系統(tǒng)復雜化、提升交付速度，存在非常廣闊的研究空間和研究價值。

目前，自然冷卻技術一般有水側(cè)自然冷卻、風側(cè)自然冷卻等。風側(cè)自然冷卻與水側(cè)自然冷卻相比，效率更高、運行天數(shù)更長。風側(cè)自然冷卻系統(tǒng)換熱更直接，可利用的環(huán)境氣溫更高，故全年可利用天數(shù)更多。以間接蒸發(fā)供冷技術為例，機房25℃送風情況下，環(huán)境溫度小于19.4℃即可進行自然冷卻，而水側(cè)自然冷卻環(huán)境溫度至少要降到12℃以下。

在中國東部地區(qū)采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)，自然冷卻時間可達6000小時，而在西北地區(qū)能達8000小時以上。與傳統(tǒng)空調(diào)水側(cè)自然冷卻相比，間接蒸發(fā)制冷效率更高、可利用自然溫度的時間更長。

在中國東部地區(qū)采用傳統(tǒng)水側(cè)自然冷卻，自然冷卻時間一般小于4000小時。故在中國東部地區(qū)，采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的自然冷卻時間比傳統(tǒng)空調(diào)水側(cè)自然冷卻的時間全年多出大約2000h小時左右，節(jié)能效果可觀，對降低全年平均PUE值意義重大。

3.3.4采用液冷技術

液體技術是采用液體作為工質(zhì)，為發(fā)熱元件換熱。液冷分為非接觸式液冷、接觸液冷兩大類，服務器液冷分為冷板、浸沒、噴淋三大液冷技術方向。冷板式液冷是采用冷板組件與高熱流密度元件接觸，發(fā)熱量經(jīng)由冷板組件中的冷卻介質(zhì)導出，再經(jīng)由一個或多個冷卻回路熱交換傳遞，終將設備熱量散發(fā)到外環(huán)境或進行回收利用的一種液冷實現(xiàn)方式。浸沒式液冷是將服務器浸沒在冷媒（冷卻液）中，依靠液體流動循環(huán)帶走熱量。

液冷技術相比傳統(tǒng)風冷技術在散熱效率、能源利用率等方面具備顯著優(yōu)勢，而隨著數(shù)據(jù)中心向著高密高電的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的風冷技術已經(jīng)不能滿足其散熱需求。采用液冷技術也將成為大的趨勢。

3.4其他節(jié)能技術

3.4.1余熱利用

數(shù)據(jù)中心遵循密度越來越高的趨勢，產(chǎn)生的熱量也越來越多。

如果利用熱泵技術將數(shù)據(jù)中心PUE，還能有效幫助用戶降低用熱成本。

3.4.2能源管控平臺

通過構(gòu)建能源管控平臺，實現(xiàn)多能流，多時空的能源數(shù)據(jù)監(jiān)測和統(tǒng)計，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定、供需匹配為前提，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接入、能效分析、能源監(jiān)控與調(diào)度優(yōu)化，保證能源系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，通過能源系統(tǒng)的分級調(diào)度與控制，降低能源成本、提高能源的綜合利用水平，大限度的節(jié)能運行。

綜合能源管控系統(tǒng)從不同維度實現(xiàn)統(tǒng)一集中監(jiān)控、能源運行管理、能源系統(tǒng)運行優(yōu)化的功能。具體內(nèi)容可為：

（1）能源系統(tǒng)集中監(jiān)控：包括數(shù)據(jù)采集與處理、事件及報警處理、實時運行監(jiān)控和專題場景監(jiān)控；（2）能源運行管理：包括能源指標分析、供能質(zhì)量分析、綜合指標報表、綜合調(diào)度運行；（3）能源系統(tǒng)運行優(yōu)化：包括網(wǎng)絡化建模、供需平衡分析等協(xié)同優(yōu)化。綜合能源管控平臺的建設，將對數(shù)據(jù)中心帶來以下效益：

①降低能源成本

數(shù)字化綜合能源管控平臺，基于輸入的能源系統(tǒng)子模塊歷史數(shù)據(jù)，以及運行時實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，利用經(jīng)過訓練的模型，根據(jù)經(jīng)濟性佳的優(yōu)化目標進行仿真分析，終得到綜合能源系統(tǒng)設計方案及各機組容量，及運行期間響應實時能源需求的實時策略，大精度地保證整體系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)，將能源成本從數(shù)學模型分析的角度，降低。

②提高能源效率

在獲得大量的能源系統(tǒng)模塊負荷數(shù)據(jù)的基礎上，充分發(fā)揮能源系統(tǒng)內(nèi)各模塊的作用，根據(jù)消耗對電、熱、冷等供能質(zhì)量的需求，生成關鍵能源質(zhì)量指標。

通過調(diào)度，耦合，在保證匹配各種能源實時負荷的前提下，通過調(diào)度不同的能源模塊，從系統(tǒng)層次提高整體能源使用效率，增加能源供應管理，避免能源浪費。

③提高能源系統(tǒng)可靠性

可以根據(jù)系統(tǒng)運行的動態(tài)情況，進行運行集中監(jiān)控，對可能出現(xiàn)的異常進行預警，及時下發(fā)新系統(tǒng)運行策略，保證用戶端負荷匹配。同時可設計專題場景，便于運維管理人員可以便捷、容易獲取相關監(jiān)控信息，分析結(jié)果。

4安科瑞能耗統(tǒng)計分析（能源管理）解決方案

4.1能效管理解決方案介紹

建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量，對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標及績效考核指標，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況，提高人員主動節(jié)能的意識。

①　搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架，對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測；

②　排碳數(shù)據(jù)化：通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析（包括水、電、能量），實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化；

③　區(qū)域能效比：實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比，方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個功能區(qū)能耗對比，實現(xiàn)能耗排名，增強工作人員的節(jié)能意識；

⑦　對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能，并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據(jù)；

⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

4.2能源管理系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)語

隨著低碳減排的持續(xù)推進，特別是在我國“雙碳"目標已確立的大背景下，數(shù)據(jù)中心行業(yè)更早實現(xiàn)碳中和及綠色節(jié)能的目標。

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