淺析能耗分析系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗中的應(yīng)用

時(shí)間：2023-12-01作者：安科瑞電子商務(wù)(上海)有限公司瀏覽：16

1課題意義




        隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國將逐漸成為世界較大的單一市場。由此而來，不僅國內(nèi)公司在我國各地建

立數(shù)據(jù)中心，越來越多的跨國公司也表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣。據(jù)SynergyResearch的報(bào)告，截至2017年年底，

****大規(guī)模數(shù)據(jù)中心已**過390座。美國以44%的占有率相對良好其他各國，*二名的中國僅占8%。在數(shù)據(jù)

中心增速的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，2017年內(nèi)**數(shù)據(jù)中心18.3%，亞洲增速較快，其中中國在2017年以39.57%的增速位

列世界**。




        相對于數(shù)據(jù)中心的爆發(fā)式增長，與之相配套的電力、生產(chǎn)用水供應(yīng)短缺造成數(shù)據(jù)中心運(yùn)營壓力大。目前數(shù)

據(jù)中心正在集聚化，以貴州貴陽、內(nèi)蒙古烏蘭察布市為代表的非地震帶、平均氣溫低、電力充沛城市得到許多

大數(shù)據(jù)公司的青睞。




        隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷變大，數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備、電力設(shè)備、暖通設(shè)備耗電量、耗水量在急速增加。綠色

數(shù)據(jù)中心的概念正成為一個(gè)數(shù)據(jù)中心條件。PUE是衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵指標(biāo)，低PUE值得數(shù)據(jù)中心不僅

給企業(yè)節(jié)省大量運(yùn)維成本，同時(shí)也體現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員管理、技術(shù)的高水準(zhǔn)。目前，****數(shù)據(jù)中心PUE

值在1.5以下，而我國許多數(shù)據(jù)中心宣傳PUE值在1.8左右，實(shí)則達(dá)到2.5。這反映出我們在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能方面

還有很多工作要做。




        根據(jù)我國數(shù)據(jù)中心業(yè)內(nèi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，一個(gè)面積在1000m2的機(jī)房，在沒有采取能耗優(yōu)化的情況下，其每年的

用電量基本都在1700多萬kWh左右。




        從數(shù)據(jù)中心電力消耗來看，數(shù)據(jù)中心屬于高耗能產(chǎn)業(yè)。在中國實(shí)行數(shù)字中國的今天，數(shù)據(jù)中心逐漸成為城

市建設(shè)、發(fā)展中不可或缺的角色，我們期待著國內(nèi)**從業(yè)者努力將PUE值降到無限接近1。




2數(shù)據(jù)中心主要耗能源




        影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素有很多，其中空調(diào)暖通設(shè)備是主要的因素，同時(shí)也是*實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化的領(lǐng)域

。但數(shù)據(jù)中心的其他領(lǐng)域例如供配電設(shè)備(UPS電源不間斷設(shè)備、變壓器、母排等)、日常照明、消安防設(shè)備、建

筑結(jié)構(gòu)體本身熱輻射等。




2.1供配電設(shè)備對數(shù)據(jù)中心能耗的影響




        數(shù)據(jù)中心的耗電量巨大，其中以UPS因電感產(chǎn)生很大的諧波，所以會(huì)有較大的電力損耗。提高UPS效率是

數(shù)據(jù)中心在節(jié)約能耗方面需要研究的地方[1]。UPS效率不是一個(gè)恒定值，它隨負(fù)載變化而變化。如圖1所示，

UPS效率隨負(fù)載增加而提高。當(dāng)負(fù)載在0%~30%時(shí)，UPS效率較低，所以一般不建議UPS在此區(qū)間內(nèi)運(yùn)行；當(dāng)負(fù)

載在30%~70%時(shí)，UPS效率由85%上升到90%。當(dāng)負(fù)載在70%~**時(shí)，UPS效率恒定在90%左右。所以建

議UPS負(fù)載穩(wěn)定在80%左右效果較好。目前在建大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心都采用多臺(tái)較小容量UPS并聯(lián)而不是單臺(tái)較大容

量，UPS優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：首先可以確保其中一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障的情況下可以由其余承擔(dān)其負(fù)載，確保了數(shù)據(jù)中心用

電安全。其次，可以使UPS工作容量在30%以上，使得UPS效率增加，減小UPS損耗。












圖1 UPS工作效率－負(fù)載率曲線




2.2空調(diào)暖通設(shè)備對數(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(huì)(ASHRAE)技術(shù)**9.9(簡稱TC9.9)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，數(shù)據(jù)中心各部分的

用電量分布大致如圖2所示。















圖2 數(shù)據(jù)中心用電量分布

 

        由圖2可知，空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗在數(shù)據(jù)中心所有系統(tǒng)中占比*二，達(dá)到31%，是UPS能耗占比的約3倍，因

此，空調(diào)制冷能耗優(yōu)化空間較大、成效較快、節(jié)約成本較多。大部分企業(yè)將數(shù)據(jù)中心的能耗分析優(yōu)化集中在了

空調(diào)制冷這一領(lǐng)域，優(yōu)秀的空調(diào)制冷能耗分析優(yōu)化方案可以很大降低數(shù)據(jù)中心能耗和PUE值。




3實(shí)例分析




        本研究以北方某數(shù)據(jù)中心為例，該數(shù)據(jù)中心2017年建成并投入使用。數(shù)據(jù)中心配有4套制冷系統(tǒng)(冷機(jī)、冷

凍泵、冷卻泵、冷塔一一對應(yīng))，采用3+1模式(滿載時(shí)3用1備)在不采用任何節(jié)能措施的情況下PUE值為2.6。




3.1數(shù)據(jù)中心制冷模式




        由于北方地區(qū)全年溫差大、晝夜溫差大的特點(diǎn)所以設(shè)計(jì)了不同的制冷模式。根據(jù)室外溫度的不同設(shè)計(jì)了3

種模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的制冷。當(dāng)溫度設(shè)計(jì)采用了水側(cè)自然冷卻系統(tǒng)，隨著室外濕球溫度的降低，出塔水溫度

降到所需的值時(shí)，通過換熱交換器間接換熱后供給空調(diào)末端制冷。制冷系統(tǒng)全年運(yùn)行分為3種模式：冷機(jī)制冷模

式、部分自然冷卻模式、自然冷卻模式。




        (1)當(dāng)室外濕球溫度t＞15.5℃時(shí)，冷卻塔出水溫度＞19.5℃，冷機(jī)工作，板式換熱器不工作，系統(tǒng)運(yùn)行模

式為冷機(jī)制冷模式。




        (2)當(dāng)室外濕球溫度8℃＜t≤15.5℃時(shí)，冷卻塔出水溫度13.5℃＜t≤19.5℃，冷機(jī)工作，板式換熱器工作，

系統(tǒng)運(yùn)行模式為部分自然制冷模式。




        (3)當(dāng)室外濕球溫度t＜8℃時(shí)，冷卻塔出水溫度t＜13.5℃，冷機(jī)不工作，板式換熱器工作，系統(tǒng)運(yùn)行模式

為自然制冷模式。




3.2冷卻水處理




        因?yàn)槔鋮s水直接與室外空氣接觸，在制冷系統(tǒng)運(yùn)行制冷的同時(shí)也會(huì)將室外微生物、塵土帶入到管道、冷機(jī)

等設(shè)備中。經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，管道、冷機(jī)中會(huì)附著大量的微生物、水垢，從而會(huì)影響制冷設(shè)備的換熱效果。

所以該數(shù)據(jù)中心在冷卻水管道接入微晶旁流、自動(dòng)加藥裝置等水處理設(shè)備用于物理和化學(xué)處理水質(zhì)。




3.3冷凍水泵、冷卻水泵




        冷凍水和冷卻水的循環(huán)都是通過水泵進(jìn)行的。水泵的節(jié)能除采用變頻裝置外，應(yīng)采用較大直徑的管道、盡

量減少管道長度和彎頭、采用大半徑彎頭、減少換熱器的壓降等。冷凍機(jī)房、水泵、冷卻塔、板式換熱器和精

密空調(diào)盡量設(shè)計(jì)安裝在相近的高度以減少水泵揚(yáng)程。




        根據(jù)負(fù)載的不利壓差控制，當(dāng)負(fù)載減少時(shí)，二度調(diào)節(jié)閥閥門開度變小，檢測的壓差設(shè)**壓差值同將水泵

設(shè)置為不同的運(yùn)行頻率是水泵節(jié)能的另一個(gè)方法也是主要的方法。電機(jī)所需功率理論上按轉(zhuǎn)速的三次方下降

[3]。例如，某一水泵電機(jī)工作轉(zhuǎn)速是其額定轉(zhuǎn)速的80%，水泵的工作頻率是其額定功率的51.2%。水泵的頻率

由空調(diào)系統(tǒng)末端的變大，泵的頻率在下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，使系統(tǒng)流量減少，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。這種節(jié)能

措施不但減少了空調(diào)系統(tǒng)的用水量，同時(shí)也節(jié)約了電的使用量。




3.4機(jī)房溫度




        在我國數(shù)據(jù)中心A級數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度規(guī)定在(23±1)℃，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心按照A類數(shù)據(jù)中心規(guī)格設(shè)計(jì)建

造。個(gè)別數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度甚至在20℃左右。在IT設(shè)備越來越優(yōu)化的趨勢下，此溫度無疑造成了電力、水資源

很大浪費(fèi)。參照國外數(shù)據(jù)中心機(jī)房溫度一般在28℃可以滿足機(jī)房對溫度的需求且節(jié)能，同時(shí)我們比較合理的做

法是在夏季將溫度設(shè)定比春秋兩季偏高些，冬季設(shè)定比春秋兩季偏低些。




3.5機(jī)房送回風(fēng)方式




        根據(jù)調(diào)查，相近的單位機(jī)房的耗冷量相近，送風(fēng)溫度相近，采用下送上回(見圖3)的氣流組織，機(jī)柜實(shí)際

獲得的冷卻效果**上送下回方式。


















圖3下送風(fēng)上回風(fēng)示意

        冷卻空氣從設(shè)在機(jī)柜近側(cè)或機(jī)柜底部的活動(dòng)地板風(fēng)口送出，送出的低溫空氣只在瞬間與機(jī)房內(nèi)的熱空氣混

合，即刻從機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)柜，有效地提高了送入機(jī)柜冷卻空氣的質(zhì)量，用較少的風(fēng)量，提高了機(jī)柜的冷

卻效果。




        下送風(fēng)上回風(fēng)的氣流組織有以下顯著優(yōu)點(diǎn)。




        (1)活動(dòng)地板下可以作為送風(fēng)靜壓箱，可以靈活布置IT設(shè)備。




        (2)機(jī)房頂部既可以作為回風(fēng)靜壓箱同時(shí)又可以作為IT設(shè)備鋪設(shè)電纜的空間。機(jī)房冷熱通道采用熱通道封閉

為佳，這樣的設(shè)計(jì)使得可以高效地將冷空氣直接輸送到*位置，避免冷空氣與熱空氣混合造成空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷

增加從而浪費(fèi)更多的水與電。




4安科瑞能耗統(tǒng)計(jì)分析（能源管理）解決方案




4.1概述




        建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分

析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績效考核指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況，提高人員

主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)。




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(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；




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




③　區(qū)域能效比：實(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo)；




⑥　能耗競爭排名：各個(gè)功能區(qū)能耗對比，實(shí)現(xiàn)能耗排名，增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識(shí)；




⑦　對能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、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(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營管理部門提供可靠的依據(jù)；




⑧　能耗數(shù)據(jù)采集，隨時(shí)查詢，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測異常能源用量，對能源智能儀表故障進(jìn)行




報(bào)警，提高系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化水平。




4.2平臺(tái)部署硬件選型

















5結(jié)語




        近年來，我國大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)保持著良好的發(fā)展勢頭。運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理企業(yè)、治理國家提升了企業(yè)、**的管

理能力，大數(shù)據(jù)的發(fā)展、應(yīng)用已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略高度。隨著大型數(shù)據(jù)中心不斷地發(fā)展，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)

雜、設(shè)備功率越來越大。因此，無論從企業(yè)管理運(yùn)營成本還是環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，我們都應(yīng)該在現(xiàn)有條件下提

出一套節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)較大化節(jié)約能源。數(shù)據(jù)中心節(jié)能應(yīng)該貫穿數(shù)據(jù)中心的整個(gè)生命周期，應(yīng)該根據(jù)不同階

段、不同設(shè)備狀況提出不同方案。




        數(shù)據(jù)中心節(jié)能不是一蹴而就的，而是經(jīng)過在運(yùn)維*摸索、實(shí)驗(yàn)才可以得到的。這種節(jié)能的思想應(yīng)該滲透

到運(yùn)維人員每一次操作、每一個(gè)角落，才能做到真正的節(jié)能。




【參考文獻(xiàn)】 




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［3］王燕飛.變頻調(diào)速節(jié)能控制在水泵電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電信息，2016(9)；90-91.




［4］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.5版.





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