基于变频氟泵热管空调技术的数据中心节能改造效果分析

近些年来,数字经济的蓬勃发展带来了海量的数据中心建设需求。然而,由于早期数据中心能源领域节能技术相对匮乏,许多存量数据中心存在着能耗高、运营成本高等诸多问题。本文针对中国电信山东济南蓝翔路数据中心二楼东和四楼东机房空调系统采用变频氟泵和通道封闭的节能改造技术,能够显著降低数据中心空调系统的能耗。

一、引言

目前，数字经济已经成为带动我国GDP增长的主力军，根据国家网信办发布的《数字中国发展报告(2021年)》显示，2017年到2021年，我国数字经济规模从27.2万亿增至45.5万亿元，年均复合增长率达13.6%，占国内生产总值比重从32.9%升至39.8%。2022年我国数字经济规模已达50.2万亿，占国内生产总值GDP的41.5%。在如此大体量的数字经济背后，是庞大的数据中心基础设施在做支撑。

数据中心是耗能大户,我国数据中心年耗电量超过全社会用电量的1.5%。除IT设备的能耗以外,网络能源基础设施是耗电的主要系统,包括空调制冷系统、供配电系统及照明、消防、监控等辅助系统,其中精密空调系统耗能占网络能源基础设施总能耗的60%左右,供配电系统耗能占30%左右,其他辅助系统耗能占10%左右。山东省人民政府办公厅关于山东省数字基础设施建设的指导意见指出,自2022年年底,新建数据中心PUE值原则上不高于1.3,到2022年年底,存量改造数据中心PUE值不高于1.4。为了贯彻落实推进3060国家双碳战略,数据中心的节能降耗势在必行。

二、数据中心能耗现状

伴随着数字经济的快速增长,近些年我们国家已经建成了大量的数据中心,但是由于早期数据中心能源领域节能技术相对匮乏,已建成的许多数据中心存在着能耗高、运营成本高等诸多问题。

根据中国信通院和开放数据中心委员会发布的中国企业绿色计算与可持续发展研究报告(2019),我国存量数据中心的PUE平均值为1.8。2019年,PUE小于1.5的数据中心占比13%;PUE值在1.5至1.8之间占比39%;PUE值在1.8至2.0之间占比46%;PUE值大于2.0的数据中心占比2%。

中国电子技术标准化研究院发布的《绿色数据中心白皮书2020》指出,近年来,我国数据中心能效水平不断提高,超大型数据中心平均电能利用率(PUE)为1.46,部分优秀绿色数据中心已全球领先,PUE可达1.2-1.3。

由此可见,我国新建数据中心能效值相比存量数据中心有较大提升,存量数据中心存在巨大的节能空间,亟需针对存量数据中心进行节能改造措施,以降低能耗。

三、数据中心节能技术

1、空调节能技术

数据中心空调节能技术路线主要有全变频技术、氟泵技术、蒸发冷却技术以及气流组织优化技术等。在变频技术层面,主流精密空调设备厂商均会使用变频压缩机和变频风机来降低空调的能耗。氟泵技术其核心的工作原理是加大自然冷源的利用,在我国北方过渡季节或者冬季,室外气温足够低的情况下,关闭压缩机,开启低功率的氟泵来驱动制冷循环,减少全年机械制冷的时间,达到节能降耗的目的。蒸发冷却技术是一项利用水蒸发吸热带走热量的制冷方式,此技术同样可以减少全年机械制冷的时间。但是,蒸发冷却技术的应用受制于地理区位,在我们南方尤其是沿海地区,空气相对湿度较大,水自然蒸发能力较弱,蒸发冷却的效果会受较大限制。

目前,数据中心领域内运用较多的空调系统节能措施是运用全变频风冷氟泵技术。尤其在我国北方地区过渡季节和冬季时间跨度长,室外温度低,更有利于氟泵技术的应用。

另外,气流组织同样会影响空调系统的制冷效果。在一些老旧数据中心机房,气流组织规划不合理,出现冷热气流短路的现象,致使冷量损失。因此,规划合理的气流组织或者对气流组织进行优化,同样能够提升空调系统能效。

2、供配电节能技术

数据中心供配电系统的节能技术路线相对比较有限,可采取的手段包括:供电架构的优化,增加对市电的直接利用,进一步提高变压器、UPS等电源转换设备的转换效率,以及优化供电布局,让电源深入到负荷中心,并通过电力模组整合并缩短整个供电链路。

3、建筑节能技术

建筑节能的技术路线包括建筑外墙保温材料的选择和应用、节能型照明的使用。保温材料是建筑节能的重要手段之一,通过选择热导率低的材料,可以最大程度地减少热量的散失和能源的浪费,可以有效降低建筑整体能耗,抵消热量传导对室内环境造成的影响。通过选择LED节能型照明灯具,并且加以人体感应智能控制,能够有效降低照明系统的能耗。

四、运营商数据中心节能改造措施及节能效果分析

山东电信济南数据中心二楼东侧原机房和四楼东侧原机房采用传统的建设模式,未做封闭通道设计,气流组织较为混乱,存在南北冷量分布失衡和局部热点的现象。原机房精密空调系统采用定频技术,能效比低,导致制冷系统能耗较高。

由于二楼东侧机房负载功耗较低,故本次针对二楼东机房空调设备进行改造,更换原定频空调,采用维谛技术PEX4S变频氟泵热管机房精密空调对设备进行散热。

由于四楼东侧机房负载相对较高,故本次针对四楼东机房在气流组织优化层面采用了封闭通道隔离技术,在设备层面同样采用维谛技术PEX4S变频氟泵热管机房精密空调。

能耗测试方法:根据GB40879-2021《数据中心能效限定值及能效等级》中数据采样点位置。选取IT配电柜输入端位置测点，测量IT负载用电量；选取空调输入端位置测点，测量空调系统用电量。

1、二楼东侧机房改造前后能耗指标分析

根据上述能耗测试方法,改造前和改造后二楼东数据中心机房能耗指标如表1和表2所示:

经实测数据分析,节能改造前2022年1-6月期间,二楼东机房空调系统的pPUE为1.4538;改造后2023年1-6月期间,空调系统的pPUE为1.2331,相较于2022年同期,空调系统能耗因子大幅降低。在同等IT负载工况下,空调系统能耗降低48.6%,改造后节能效果良好。

2、四楼东侧机房改造前后能耗指标分析

根据上述能耗测试方法,改造后四楼东数据中心机房能耗指标如表3和表4所示:

经实测数据分析,节能改造前2022年1-6月期间,四楼东机房空调系统的pPUE为1.4584;改造后2023年1-6月期间,空调系统的pPUE为1.3311,相较于2022年同期,空调系统能耗因子同样得到大幅降低。在同等IT负载工况下,空调系统能耗降低27.8%,改造后节能效果良好。

经对比分析,通过对二楼东机房和四楼东机房的空调系统进行节能改造后,空调系统pPUE值得到明显降低，二楼东空调系统的pPUE为1.2331,四楼东空调系统的pPUE为1.3311，节能效果明显，且均能够满足山东省对于存量数据中心能耗指标要求。

五、结语

中国电信济南蓝翔路数据中心采用变频氟泵热管空调技术和通道封闭技术能够显著降低数据中心能耗。经实际测试与计算分析,同等IT负载工况下,二楼东机房空调系统能耗降低48.6%,四楼东机房空调系统能耗降低27.8%。

由此可见,对于传统建设模式的运营商老旧机房节能改造场景,变频氟泵热管空调技术和通道封闭技术特别适用,这两种技术措施能够降低空调系统能耗,从而有效降低数据中心机房整体能耗。除此之外,蒸发冷却作为自然冷却技术亦可在改造场景中发挥巨大作用,尤其是在炎热的夏季,室外温度高,给空调室外机进行喷淋处理,利用喷淋水蒸发吸热,降低室外机周围的空气温度可提高空调机组的能效比,降低能耗。针对运营商老旧机房节能改造场景,可采取的技术与措施还有很多,需要在今后的工作中逐步探索与实践。

参考文献

[1]张嘉毅.国家网信办发布《数字中国发展报告(2021年)》[J].科技中国,2022(09):103.

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[4]中国信息通信研究院,开放数据中心委员会.数据中心白皮书(2020)[R],2020.

[5]GB40879-2021,数据中心能效限定值及能效等级[S].

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本文标题：基于变频氟泵热管空调技术的数据中心节能改造效果分析

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