新形势下如何做好数据中心电源及空调节能

新形势下如何做好数据中心电源及空调节能

王琦

珠海格力电器股份有限公司广东珠海519000

摘要：随着电子信息及制造技术的飞速提升，数据中心机房的设备密集度大大提高，耗电巨大，发热量更加集中，机房局部过热现象增多，机房内单位面积空调冷负荷急剧增加，由此引来的主设备运行故障和能耗逐年上升，甚至成为了制约通信业务发展的一大瓶颈。国内外各大运营商及相关研究机构都陆续开展了一系列数据中心节能试点改造，取得了良好效果，本文将就这一话题进行分析和探讨。

关键词：数据中心；电力输配系统；制冷机房；空调末端系统

一、以国内某运营商为案例分析数据中心能耗现状

一般来说，数据中心电源系统包括：外电引入、变压器、发电机、电动机、交流不间断电源系统、直流不间断电源系统、照明系统及输配电线路等。由于数据中心功率密度的提高，所消耗的电功率增加，在电力各环节能量损耗亦随之增大，因此，电源系统各环节均需采取节能措施。据国内某运营商的调研数据相关统计，数据中心能耗呈逐年上升趋势，2014年比2013年增长了约20%左右，到2015年底，数据中心占该运营商全国网络运营总能耗的比例达到了13%，特别是在一些IDC业务发展较好的大城市，该比例远远超出了全国平均水平，比如：广州市2014年数据中心能耗占比超过了25%，北京市则达到了50%以上。从机楼的角度来看，数据中心能耗主要由三个部分构成：数据通信设备、空调（制冷机房、空调末端系统）及电源（电力输配系统、交直流不间断电源），数据通信设备的能耗占比最大。但某种程度上来说，主设备的节能环节是运营商无法真正掌握的。因此，运营商在尽量采购节能减排主产品的同时，需不断加大力度，开展对数据中心空调及电源系统的节能建设及技术改造，以期实现节能降耗。

二、数据中心电源及空调节能设计技术要点

2.1高压直流系统

现代技术快速发展，新技术、新产品层出不穷，HVDC电源供电效率得到显著提升，为数据中心节能设计带来了更多发展机遇。HVDC供电具有无可比拟的优势，其电池能够直接与服务器输入端相连，不需要添加任何逆变设备的处理，实现不间断供电目标。同时，在扩容方面，较传统模式更具便利性，后续维护简便。该项技术的应用，在很大程度上提高了模块功率密度，且整机效率也得到了显著改善。通过在实践中应用的比较，引入HVDC供电模式能够有效降低PUE指标，促进数据中心供电朝着绿色化、现代化方向转变。当市电直供时，系统仅是线路系统与配电损耗，系统效率有了较大的提升。如2016年，上海、北京及天津等电力公司用电客户系统停电时间都在1小时以内，可考虑均在99.9%以上，同时我国江苏省等其他地区停电时间在2小时以内，系统运行效率为99%。

2.2优化空调系统

除了对高压直流系统进行改造，还要加强对空调系统综合节能的调整和优化，以此来提高空调运行有效性。在实践中，可以采取如下措施实现节能目标。如针对大型数据中心，可以设置集中式冷冻水型恒温恒湿空调，架空地板精确下送风，充分利用自然风，提高对资源的优化配置和利用率，以此来减少能源过度消耗。同时，还要合理设定机房温湿度、分区精确供冷，以此来实现节能目标。在系统节能改造中，要充分考虑相关影响因素，如针对部分空调，可以去掉加湿功能，以此来消除空调在加湿过程中产生的过多能耗，提高系统使用针对性和科学性。尽可能考虑应用自适应控制系统，根据数据中心机房负荷变化趋势与特点，自动安排空调数量，以此来达到节能目标。随着技术不断发展，要及时更新和改造数据中心上送风口，提高节能有效性。

2.2模块交流电系统

为了有效突破传统UPS系统存在的负载率低等弊端和问题，在节能改造过程中可以引入模块化概念，将其应用于UPS设计生产领域，对交流电系统整体性能予以优化。通常而言，模块化UPS系统有机架、UPS功率模块等构成，与直接供电系统存在相似之处，能够实现冗余，兼顾多台设备运行需求，且具有较强的灵活性，能够根据实际负载量，坚持针对性原则配置合理的电源容量，使得系统效率及可靠性等均能够得到一定程度的提升，减少对能源的过度消耗。

2.3交、直流不间断电源系统节能

机房制冷系统节能建议如下：1）小型机楼或单个机房采用单元式风冷型恒温恒湿专用空调；2）大型机楼或整片中心机楼建议采用集中式冷冻水型恒温恒湿专用空调；3）冬季可灵活利用户外冷源，提高机房内外热量交互；4）可配备整套加湿节能装置，以减小空调加湿做功，或者完全代替空调加湿功能，节约能耗；5）采用变频或模块化冷水机组，保证空调高效运行

2.4空调末端系统能耗

空调末端系统节能建议如下：1）将电池电力室、设备机房以及辅助作用房间隔开，对于散热量大的主要设备集中房间采用恒温恒湿末端，对于其他辅助房间区域则采用普通空调，节约能耗；2）根据设备机房内的散热情况，对空调送风模式进行准确模拟、设定，最后进行精确定点送风改造；3）考虑采用封闭冷通道，实现各区域精确温控；4）对风柜进行改造，选择带有送、排风通道的机柜，方便对送风轨道进一步控制传统交流不间断电源（塔式UPS）系统应用现状。

可考虑配套独立的节能加湿装置，减少专用空调加湿能耗，采用变频或模块化冷水机组，保证空调高效运行；可通过变频技术提高冷冻泵冷却泵效率。

2.5优化冷热气流路径，减少混合

可考虑采用封闭冷通道，实现精确送风，同时提高机房内空调设定温度，降低空调能耗。在有条件的情况下，使用有送、排风通道的机柜进行精确下送风，自然回风或冷通道设地板风口送风，管道回风的送风方式。架空地板高度应根据单机架功率大小进行合理规划；架空地板下只准通风，严禁布放线缆；架空地板下楼面和接触空调冷风的机房墙面建议采用不燃材料制造的隔热保温层，防止结露，减少冷量损失；新建架空地板下送风机房前期装机容量较小时，可考虑地板下做临时隔断，控制送风空间，减少冷量浪费。

三、结束语

从以上分析可知，互联网时代背景下，数据中心在政府、银行等领域得到了广泛推广和应用，在提高数据集成化处理等方面发挥着积极作用。数据中心运行建立在电源系统基础之上，设备用电负荷高达数千瓦。在环保节能理念下，降低数据中心能耗成为当前其发展亟待解决的问题之一。我们要在实践中不断总结创新，通过采取智能、合理的空调线路、机房布局控制方案，减少输配电线路长度，合理配置电机设备，促进数据中心的电源与空调节能。

参考文献：

[1]数据中心电源系统的节能设计[J].马鑫军,余宁.电子技术与软件工程.2017(07)

[2]安真.数据中心空调系统可靠性研究[J].暖通空调.2015(10)

[3]数据中心空调系统节能评价指标的探讨与分析[J].肖峰.智能建筑.2017(02)

[4]公共建筑和数据中心的能耗分析和节能[J].陈健,常登海.智能建筑.2016(04)