数据中心能效诊断及节能改造的技术措施
【摘 要】随着大数据时代发展，原有老旧数据中心的机电系统已落后于时代发展，需进行升级改造使其更加节能高效。以某数据中心为例，研究了数据中心主要系统及能耗组成，并针对性地提出节能改造主要措施，为数据中心绿色高效运行提出了节能降耗优化思路，提高了数据中心的安全性和经济性，项目预估年节能约为300.7万kWh，节水2100t，综合节能率为8.1%。
1 综述
能效诊断是通过对该项目能源数据分析、用能设备及系统能效对标、能源管理等方面进行集中勘察和梳理，采用科学有效的研判和诊断，实现建筑节能目标的方法。如某公司要求对其数据中心进行能效诊断，分析能源利用状况，通过现场调研和资料核查，研究数据中心存在的用能问题，分析挖掘节能潜力，提出可行的节能措施，指导数据中心运维人员提高能源利用水平。
数据中心能效诊断需调研历年能源消耗情况，主要范围涉及空调系统、照明系统、动力系统、数据中心UPS系统等。诊断步骤及方法为：根据建筑能耗数据统计，核实并采集各主要设备能耗，检查设备利用负荷，测试及判断空调系统、配电系统等各类设备的运行工况。通过调研、对比、诊断和审核，研判各用能设备的能耗是否处于合理区间，评价数据中心设备用能及系统使用是否规范，管理是否科学，提出改造措施，完成能效测评报告。
2 建筑用能情况
该数据中心作为灾备中心使用，大楼建筑面积约2.5万㎡，地上四层，地下二层，共16个机房约1万㎡，配电系统采用了2N进线，单线供电容量为10MW，配有8个高压变配电室、8个UPS室及电池室、24个精密空调室机房，配置地下柴油发电机房，年平均用电量约3700万kWh。
数据中心及设备用房占总面积的90%，办公区占地约10%，数据中心供电、供冷要求高，机房温度全年24h保持在22±2℃，湿度45%~55%，制冷系统采用N+1环供冗余方式建设，运行时至少有两台制冷机组及相关配套设施同时运行。
2.1 空调系统
数据中心大楼采用集中空调系统供冷，主要设备有冷水机组（离心机组4 台， 螺杆机组2台），冷却塔（52kW两台、37kW一台、46kW两台），冷冻泵（90kW两台，75kW两台，37kW三台）；冷却泵（90kW四台，75kW三台，37kW三台）。冷冻水通过环形双母管直供132台水冷精密空调；新风机组为办公区域和UPS室、电池室、配电室等机房设备供冷。调研发现空调水系统未完成水力平衡，存在大马拉小车的现象，冷却塔风机运转数量通过人工介入调节。
2.2 照明系统
数据中心照明系统节能灯及筒灯约4100个，照明功率合计140.8kW，公共区域及数据中心区域采用手动控制，大楼照明光源主要采用普通荧光灯和筒灯等，灯具规格品种较多，部分区域照度不满足规范规定的照度要求。
2.3 变配电系统
数据中心共有22台变压器，外线采用2N方式供电，分别来自2个开关站，变配电系统采用双路互备模式接入，UPS系统为16个数据机房服务器供电，地下室配有多组柴油发电机为供电提供应急电源，通过现场对空调机房及变压器低压侧测量发现谐波较为严重，现场未安装主动谐波治理装置。
2.4 IT服务器及UPS系统
数据中心现有5500台IT服务器；共8个UPS机房56台UPS，每层两个UPS机房为该层的4个数据机房供电，数据机房的机柜供电按照数据重要程度分为双路UPS供电和单路UPS加单路市电供电的模式，通过勘测及负荷测量发现部分机房服务器负荷分布不均，机房整体功率密度较低，负载区域分布及负荷原因造成UPS低负载率损耗相对较大。
2.5 设备构成及占比分析
依据设备能耗基础数据对主要设备能耗构成进行能源拆分，参照数据中心制冷系统正常开启工况，IT系统耗能占整体用电量的56.7%，制冷系统耗能约占29.7%，UPS损耗约占8.5%，变压器损耗约占2%，照明弱电及其他用电约占3.1%。通过计算得出夏季工况PUE为1.7~1.8，冬季工况PUE为1.4~1.6。能源占比分析图如图1所示。
图1 能源占比分析图
通过能源占比分析图1得出，在保障IT设备业务量的前提下，空调系统、配电系统是本次节能改造的重点。针对以上数据中心存在的能耗问题，进行设备构成能效分析后，制定如下技术改造方案。
3 技术方案
3.1 措施一：自然冷源系统
供冷站负荷分为数据中心冷负荷和办公楼负荷，系统配备冷冻水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔。
新增数据中心楼顶微型气象站，接入天气预报系统，通过实时了解天气变化优化供冷模式进行相对应的工况调整，新增一套自然冷源供冷系统，在冬季和过渡季节室外温度较低时，开启板式换热器进行热量交换，充分利用自然冷源，实现冷却塔免费为机房供冷，从而减少离心机组开机数量，自然冷源供冷在北方寒冷地区使用节能效果尤为明显，该措施预估年节约125.2万kWh。自然冷源系统原理图如图2所示。
图2 自然冷源系统原理图
3.2 措施二：机房群控系统
升级机房群控系统，对原有冷水机组、冷却塔、水泵等设备实现远程监制，根据实际制冷量、机房温度等实测参数，通过PID调节，优化制冷机组的运行负荷。区分夏季、春秋、冬季工况分别编程，调升冷水机组在夏季冷冻水5℃出水春秋季节7.5℃出水温度，在匹配末端温度不变的情况下，有效提高制冷机组的效能。研究表明通过优化制冷机组运行模式，使定频制冷机组运行在80%~90%负荷区间，变频制冷机组运行在60%~70%负荷区间系统可达到最高系统能效状态，测量得到两项措施使冷水机组能效提高约8%，该项节能措施预估年节能20万kWh。
3.3 措施三：优化水泵运行逻辑
在初期设计水泵系统时，设计院考虑到冗余通常会超配，如果控制策略不理想会使水泵工作在冗余状态造成大马拉小车。在满足流量情况下，变频水泵可在部分负荷时通过降低水泵运行频率来实现节能，通过群控软件升级，制定符合实际工况的控制程序，将制冷系统的制冷量与循环水泵流量进行匹配，提高水泵效能，通过变频电机及工频电机的逻辑组合降低水泵系统的冗余能耗，使系统工作在最佳水力平衡状态，通过以上措施可降低水泵耗能约5%，该项措施预估年节能8万kWh。
3.4 措施四：冷却塔逻辑控制
完善冷却塔逻辑控制，采用自动控制技术提升冷却塔节能效率，安装防冻传感器预防冬季管盘结冰，当室外温度降低达到零度阈值前开启相关冷却塔，优先利用冷却水水温进行接水盘升温避免填料结冰，进而降低冷却管路电伴热使用时长，节约电能。在夏季可通过增加冷却塔开启数量增加换热面积，降低冷却塔风扇运转频率，增加风扇开启数量以降低整体能耗，协同冷却水泵变频控制达到冷却管道的水力平衡，通过逻辑控制提高系统的安全性。该项措施预估年节能5万kWh。
3.5 措施五：机房冷通道系统
根据服务器安装密度及数据业务量分区推进机房冷通道系统的实施，机房冷通道系统区别于常规开放式机柜布局。即，它利用在机房内将机柜独立隔离空间，利用“先冷设备，再冷环境”的理念，让冷风通过前进后出方式进行冷热空气交换，冷通道系统可有效提高系统的换热效率，较敞开式空调系统降低了冷风离散度，使冷热空气各行其道，避免了二次混合。按照机房1/4区域布置冷通道系统，该项措施预计年节约空调耗能约53.7万kWh。
3.6 措施六：智能照明系统
对数据中心机房选用高光效、寿命长、显色指数好的LED光源灯管进行替换，增加智能照明控制系统。在走廊、电梯前室、洗手间等公共照明区域安装人体感应传感器，通过直接数位控制器DDC进行控制，结合灯具分区调整布线，做到人来灯亮、人走灯灭，通过人体感应及定时控制措施预计年节能约6.5万kWh。
3.7 措施七：UPS电池监控系统
机房管理上通过优化服务器布局、虚拟化等技术降低冗余服务器能耗，数据中心多采用铅酸蓄电池系统，当组串中的一只电池因过充、过放等原因造成电池性能下降，电池内阻增大，会导致电池出现发热、鼓包等现象，将造成供电系统安全性的整体下降。建议增加储能电池在线监控系统，通过电池管理系统进行组串管理，实时监控电池组串的总电压、分体电压、内阻等，对电池在充电过程中进行脉冲活化，改善蓄电池的硫化现象，延长蓄电池使用寿命，降低蓄电池每年的报废率。电池管理系统图如图3所示。
图3 电池管理系统图
通过更换不良电池降低充放电热损耗。该项措施预计年节能27.8万kWh。
3.8 措施八：有源滤波器系统
根据IEC60364-5-52要求进行谐波测量，因数据中心所用的电源多为开关电源，其在工作过程中会对低压电网侧造成谐波反馈，影响网侧电能质量，谐波会导致线路损耗增大，并影响配电系统的功率因数，为降低谐波影响，提高电能质量，研究通过在数据中心变压器低压侧加装电流互感器及有源滤波器系统APF（Active power filter）来滤除3~50次的奇次谐波，改善电流总谐波畸变率THDi。APF除了能够进行谐波治理外，对原有无源LC滤波器也具有动态补偿及三相平衡调节功能，有源滤波器系统可提高IT设备运行的稳定性，降低线路损耗、减少控制系统失灵机率、降低继电保护装置误动作等作用。该项措施预估年节能42万kWh。
3.9 措施九：中水回用系统
中水回用系统是把外排废水、冷凝水等经过多级过滤及膜反应等处理，去除水中各种杂质及有害成分，使其达到清澈、无色、无味的可用状态，收集中水并重复利用。数据中心内精密空调和风机较多，设备制冷后集水盘会产生大量冷凝水，通过在制冷设备冷凝管道处安装PPR管引至中水水箱，将冷凝水转化为可重复利用的回用中水供卫生间便池冲厕及绿化浇灌使用，以减少市政供水量达到节水效果。
本项成效预估年节水2100t。按当地水价6元/t计算，该项措施预计年节约费用为1.3万元。
3.10 措施十：光伏发电系统
经勘测，该数据中心楼顶具有1000㎡空置面积，通过增加光伏太阳能组件及逆变器，采用自发自用、余电上网模式低压入网，为大楼照明等系统提供清洁能源供电，光伏发电系统配置装机容量约100kWp，根据该项目所处的北京昌平地区年日照小时约1482h，光伏发电系统预计年发电量12.7万kWh。
4 结束语
以某数据中心为例，研究了数据中心能效诊断的主要系统，阐述各系统工作原理并提出了数据中心建筑节能改造的主要方向，通过以上节能改造措施使数据中心PUE有效降低。该数据中心预估年节能约300.7万kWh，节水2100t，按照当地电价及水价估算，年节约费用约为271.9万元，总投资估算约为1250万元，静态回收期约为4.6年，项目综合节能率为8.1%，本研究为数据中心类建筑提供了节能降耗的多种思路，节能降耗的同时也提高了数据中心机电系统运行的安全性。
本文标题：数据中心能效诊断及节能改造的技术措施
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