摘要：文章分析了位于北京和廣州的3個大型數(shù)據(jù)中心的能耗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)中心節(jié)能存在的問題分別進行了分析診斷。從設(shè)計及運行管理兩大方面總結(jié)了目前數(shù)據(jù)中心普遍存在的共性問題，為數(shù)據(jù)中心節(jié)能提供了方向。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；節(jié)能；能效
0引言
近年來隨著國家對于信息化工作的重視,作為信息化基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展。我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)的數(shù)量多，建設(shè)質(zhì)量也在世界上處于靠前，主要采用了世界上較好的IT設(shè)備，較好的制冷設(shè)備，較好的精密空調(diào)，較好的控制系統(tǒng)。但是衡量運行水平的重要指標PUE卻未達到世界先進水平，差距還不小。中國制冷學(xué)會于2017年對上海市20家擁有500個機架的數(shù)據(jù)中心進行了評測，大部分數(shù)據(jù)中心的PUE分布在1.6-2.3范圍內(nèi)。中位值是1.80，平均值為1.97。距離《“十三五”國家信息化規(guī)劃》中提出的到2018年大型數(shù)據(jù)中心年P(guān)UE不高于1.5的要求差距較大。
不同的數(shù)據(jù)中心存在不同的問題，也有其共性的問題，這些問題在業(yè)內(nèi)中已有資料反映。文章結(jié)合近期調(diào)查的數(shù)據(jù)中心為例，總結(jié)存在于節(jié)能運行中的共性問題。
1北京某IDC數(shù)據(jù)中心
1.1工程簡介
該數(shù)據(jù)中心建筑面積20000㎡，在6B#大樓地下室建有冷凍機房。配置4臺離心式冷水機組、4臺冷卻水泵、4臺冷凍水泵，室外地面建有16臺冷卻塔；機房空調(diào)為水冷及風(fēng)冷兩種精密空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)面積約6000㎡。機房內(nèi)未設(shè)置冷熱通道。
為分析數(shù)據(jù)中心的能效，文章對數(shù)據(jù)中心的能耗和冷水機組的COP進行了一年的監(jiān)測記錄，并同時對運行管理措施及方法進行了訪談，對冷凍水系統(tǒng)的水溫變化進行了全程追蹤測試。
1.2能耗分布與PUE
根據(jù)約一年的實測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)中心的能耗分布和PUE見表1,年P(guān)UE為1.8。對處于寒冷地區(qū)的北京，PUE值偏高。
1.3數(shù)據(jù)分析
根據(jù)能耗分項數(shù)據(jù)，可以定量計算出空調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相對關(guān)系，并進行其合理性評價，見表2。
1.4主要存在的問題
根據(jù)能耗數(shù)據(jù)、訪談情況以及水系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的測試結(jié)果，該數(shù)據(jù)中心的問題主要為：
1）主機效率偏低。主機效率(COP值)小于4.0。2019年7月16日測試期間，冷機冷卻水進出口溫度3O.3℃/32.6℃,冷凍水出水溫度7℃，負載百分比為71%條件下，運行工況與《蒸汽壓縮循環(huán)冷水機組》(GB/T18430.1—2007)規(guī)定的額定條件十分接近。此條件下，主機COP應(yīng)達到5.5。但主機效率僅為4.0，距離5.5還有不小差距。其原因與冷凍水的水質(zhì)、機組維護等因素有關(guān)。冷卻塔填料結(jié)垢嚴重，未及時清洗，使得冷卻水溫度偏高。
2）水泵的能耗占比過高。設(shè)計狀態(tài)下，水泵的總能耗(含冷卻塔)應(yīng)當(dāng)只有主機的30%，實際使用中卻達到62%。冷水機組的防凍水溫差、冷卻水溫差均只2℃，說明水流量偏大，水泵應(yīng)可以減少流量。同時測試得到的水泵效率只有50%。
3）分水器與集水器之間存在水量旁通。根據(jù)現(xiàn)場測試，末端機房內(nèi)水冷空調(diào)的進出口溫度一般為7℃/14℃，溫差達到7℃以上。但冷凍站集水器內(nèi)的溫度卻為8.8℃。說明分集水之間存在大量的混水，供應(yīng)到用戶的水量不足。
4）機房內(nèi)精密空調(diào)能耗過高。精密空調(diào)的能耗比冷水機組能耗還高。一般末端空調(diào)能耗應(yīng)控制在空調(diào)系統(tǒng)總能耗≤25%以內(nèi)，現(xiàn)已大大超出這一比例。按照冷凍機供冷量能力計算，2臺冷水機組全部開啟時，機房內(nèi)的風(fēng)冷空調(diào)可以關(guān)閉，但機房內(nèi)所有風(fēng)冷精密空調(diào)仍然全部開啟使用。風(fēng)冷精密空調(diào)的使用補充了部分冷量，卻消耗了大量的電力。
導(dǎo)致風(fēng)冷空調(diào)開啟的原因包括:機房內(nèi)溫度分布不均，有的機房不同地點溫差相差10℃，存在局部熱點。局部熱點的存在，拉低了房間整體溫度，加大了供應(yīng)能力需求。同時由于供應(yīng)到水冷空調(diào)的水量不足，使得水量空調(diào)的供冷量不足，因而風(fēng)冷空調(diào)不得不開啟。
5）機房內(nèi)采用漫灌式氣流組織，沒有設(shè)置氣流冷熱通道。送回風(fēng)溫差小，只有3℃，加大了送風(fēng)輸送能耗。
6）缺少智能化管理手段。雖然有動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但缺少節(jié)能管理的智能化控制系統(tǒng)，也沒有統(tǒng)一集中的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，使得管理人員對設(shè)備運行狀況無法細致了解。運維人員的主要精力放在保平安運行上。
7）未利用自然冷源。北京地區(qū)冬季自然冷源資源豐富，但未采取任何技術(shù)措施加以利用。
表1北京某IDC數(shù)據(jù)中心能耗數(shù)據(jù)
表2北京某IDC數(shù)據(jù)中心分項能耗情況
2廣州某云計算數(shù)據(jù)中心
2.1基本情況
廣州某云計算數(shù)據(jù)中心位于廣州市蘿崗區(qū)。數(shù)據(jù)中心的空調(diào)面積約35000㎡(其中一期15000㎡)。建筑9層，其中數(shù)據(jù)機房位于3、4層。
數(shù)據(jù)中心采用集中冷源，冷凍站位于大樓1層，設(shè)有4臺離心式冷水機組、1臺螺桿式冷水機組，配有5臺冷卻水泵、5臺冷凍水泵，5臺冷卻塔位于5樓屋面。
機房內(nèi)設(shè)有水冷空調(diào)機組，通過靜壓箱送風(fēng)，共78臺精密空調(diào)機組。機房內(nèi)氣流分設(shè)冷熱通道�？照{(diào)系統(tǒng)日常管理采用手動管理，缺少自動控制平臺。除配電房有主要回路的電能監(jiān)測外，對于能耗監(jiān)管缺少分項計量，不能進行細化分析。
2.2能耗分布及PUE
采用瞬時電量進行PUE計算，其值為1.77。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施(暖通空調(diào))的功率總和為1099kW，占數(shù)據(jù)中心總耗電的44%，見表3。
2.3PUE評價
數(shù)據(jù)中心的電氣損耗為466kW,達到數(shù)據(jù)中心總能耗的13%。變壓器損耗6%，UPS損耗12%、列頭柜配電系統(tǒng)損耗7%，這部分的損耗較大，應(yīng)在電氣管理和設(shè)備配置上改進。
暖通空調(diào)系統(tǒng)中冷機電耗占51%、精密空調(diào)為26%、水泵+冷塔為21.4%。暖通空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部占比較為合理。但能耗總體比例仍然較高，具有調(diào)節(jié)改善PUE的空間。
2.4存在的主要問題
1）冷水機組效率未達標�！豆步ㄖ�(jié)能設(shè)計標準》(GB50189—2015)中4.2.10節(jié)要求電機驅(qū)動壓縮機的蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組，在額定制冷工況和規(guī)定條件下變頻離心式冷水機組性能系數(shù)(COP)不應(yīng)低于5.5。而現(xiàn)有機組平均能效系數(shù)為5.10，也未達到5.5。在機組運行工況優(yōu)于額定工況的條件下，仍不滿足節(jié)能要求。根據(jù)訪談介紹，機組每年清洗2次，進行機組水質(zhì)維護，水質(zhì)應(yīng)無問題。應(yīng)當(dāng)是機組運行工況不合理造成。
2）冷卻水泵的效率低。冷卻水泵的效率只有約45%，與設(shè)計要求的70%差距較大。冷卻水泵的額定揚程30mH?O,但實際揚程只有15mH?O。水泵揚程配置過高，偏差較大。冷卻塔投入使用時間為2017年,設(shè)備狀態(tài)良好。冷卻水出口溫度與空氣濕球溫度差值約為2.3℃。冷卻塔效率較高。
3）機房精密空調(diào)開啟臺數(shù)過多。機房精密空調(diào)能耗占暖通系統(tǒng)能耗30%以上，表明精密空調(diào)運行不夠合理�，F(xiàn)在精密空調(diào)全部開啟，沒有按照回風(fēng)溫度進行控制。
4）缺少智能化管理手段。雖然有動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但缺少節(jié)能管理的智能化控制系統(tǒng)，也沒有統(tǒng)一集中的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，使得管理人員對設(shè)備運行狀況無迭細致了解。運維人員的主要精力放在保平安運行上，缺少冷水機組、水泵、冷卻塔的節(jié)能運行策略。
表3廣州某云計算數(shù)據(jù)中心分項耗電情況
3廣州某數(shù)據(jù)中心
3.1基本情況
該數(shù)據(jù)中心位于廣州市內(nèi)，分為1#樓和2#樓，于2009年建成使用。均采用集中式冷水機組進行供冷。
1#機樓：該數(shù)據(jù)中心1層冷凍站設(shè)有2臺特靈螺桿式冷水機組，配有3臺冷卻水泵、3臺冷凍水泵，屋頂天臺設(shè)有1臺蒸發(fā)式冷凝螺桿機、2臺冷凍水泵、2組冷卻塔；機房均采用上送風(fēng)、側(cè)回風(fēng)的氣流方式。
2#機樓：該數(shù)據(jù)中心1層冷凍站由1期及2期合并組成，1期制冷設(shè)備為2臺約克螺桿機組及配套的3臺冷凍水泵、3臺冷卻水泵、1組冷卻水塔；2期制冷設(shè)備為2臺約克離心式冷水機組及配套的3臺冷凍水泵、3臺冷卻水泵、2組冷卻水塔；2#機樓調(diào)研的數(shù)據(jù)機房是2至7層的數(shù)據(jù)機房；其中4層401/402機房采用上送風(fēng)、側(cè)回風(fēng)的氣流方式，其它機房均采用地板式機柜送風(fēng)，上回風(fēng)加側(cè)回風(fēng)的氣流方式。
整套制冷系統(tǒng)無BA自控系統(tǒng)，所有制冷設(shè)備運行模式需人工操作，也缺少能耗計量系統(tǒng)。
3.2能耗分布及PUE
該數(shù)據(jù)中心的能耗種類均為電力。通過短期測試獲得1#機樓和2#機樓的電耗分布。表4、表5給出了1#機樓的具體耗電數(shù)據(jù)。
3.3PUE評價
1#機樓和2#機樓的短時PUE為1.76-1.86，由于測試在冬季進行，機組處于有利的運行條件，全年P(guān)UE值一定高于現(xiàn)有PUE值，說明該數(shù)據(jù)中心的能效水平較低。
其中UPS和HVDC的負載率低，損耗過大，達到總能耗的約11%。水泵能耗占冷水機組能耗的50%；精密空調(diào)的能耗則與冷水機組的能耗相當(dāng)。說明整個制冷系統(tǒng)效率較低。
3.4存在問題
1）UPS和HVDC的負載率低，造成損耗過大。UPS和HVDC的損耗達到總能耗的約11%。HVDC普遍負荷率平均在35.50%，UPS平均負荷率為24.86%。
應(yīng)啟動高壓直流的休眠睡醒功能，根據(jù)、值設(shè)定，讓HVDC整流模塊關(guān)閉休眠不必要開啟的整流模塊，可以大大降低HVDC的損耗。建議在80%~90%啟動模塊睡醒功能,30%~40%啟動模塊休眠功能，設(shè)置48h休眠模塊與運行模塊輪換一次。
減低UPS損耗，若UPS的負荷量低于25%時，可以關(guān)閉1臺UPS，這樣就可以降低1臺UPS的損耗量。
2）冷卻塔冷卻效果不佳。冷卻塔的逼近度過大，在冬季室外濕球溫度13℃時，逼近度達到12.5℃，冷卻水塔的填料有損壞以及表面結(jié)垢現(xiàn)象較為嚴重，應(yīng)更換及定期清洗，可提高冷塔冷卻能力。
3）水系統(tǒng)水質(zhì)較差。水系統(tǒng)維護不及時，導(dǎo)致水質(zhì)較差，影響冷水機組效率。應(yīng)定期進行水質(zhì)的清洗和維護。
4）末端精密空調(diào)開啟過多。機房內(nèi)精密空調(diào)全部開啟，沒有根據(jù)機房內(nèi)的實際熱量進行送風(fēng)的調(diào)節(jié)，送風(fēng)溫差小，送風(fēng)效率低，送風(fēng)能耗高。
5）水泵未變頻運行。水泵定頻運行，供水量偏大，使得輸送能耗較高。
6）采用漫灌式氣流組織，氣流旁通率高，冷空氣未送到機柜內(nèi)部,嚴重影響送風(fēng)效率。
7）缺少節(jié)能管理手段及運行策略。缺少對室內(nèi)外環(huán)境使用條件、設(shè)備狀態(tài)和運行效果的監(jiān)測，全靠手工粗放式運行，節(jié)能效果差。
表41#機樓總體能耗
表51#樓空調(diào)系統(tǒng)能耗分布
4數(shù)據(jù)中心節(jié)能存在的主要問題
通過以上案例及各地其它數(shù)據(jù)中心的能耗情況，可以看到有些問題普遍存在于目前的數(shù)據(jù)中心中。
4.1系統(tǒng)設(shè)計方面
數(shù)據(jù)中心設(shè)計在產(chǎn)品選型、系統(tǒng)安全性與可靠性設(shè)計上都滿足了國家節(jié)能設(shè)計要求和專業(yè)設(shè)計要求，但設(shè)計的精細化程度不夠。為了保障安全，選用設(shè)備時富裕系數(shù)較大，但運行效率偏低。
1）水泵的選型普遍偏大，導(dǎo)致水泵實際工作狀態(tài)點偏離高效區(qū)，水泵運行效率較低。大多數(shù)只在50%左右。
2）水管路系統(tǒng)設(shè)計粗獷，沒有進行細致設(shè)計計算，水路流量分配不滿足預(yù)期要求。有些精密空調(diào)的水流量嚴重不足，水溫差達到6℃~8℃以上。
3）一些早年建成的數(shù)據(jù)中心的冷熱通道沒有嚴格分開設(shè)計，導(dǎo)致送風(fēng)氣流短路。不僅影響送風(fēng)效率，也影響了機房空氣溫度，惡化了運行環(huán)境。
4）多數(shù)數(shù)據(jù)中心沒有設(shè)計自然冷卻系統(tǒng)，沒有充分利用自然資源。實際上由于數(shù)據(jù)中心需要全年冷卻，在我國大部分地區(qū)(除廣東、福建等少數(shù)地區(qū))都可使用自然冷源。而利用自然冷源是目前降低能耗的有效措施。
5）沒有建成能耗分項計量系統(tǒng)。使用者對于能耗的分布不清楚，對能源效率無從知曉。
6）控制系統(tǒng)缺乏有效的調(diào)節(jié)策略。控制系統(tǒng)智能程度低，僅僅支持泛泛的啟�？刂频�。在控制策略設(shè)計時，缺少空調(diào)專業(yè)的支持。
7）選配的電氣設(shè)備容量偏大。UPS的使用容量低，導(dǎo)致?lián)p耗多。變壓器也存在同樣問題，使得使用效率低，損耗嚴重，電氣設(shè)備損耗占總能耗的10%左右。
4.2運行管理方面
調(diào)研結(jié)果表明，運行管理方面存在的問題更多，在每一個環(huán)節(jié)都會出現(xiàn)問題。
運行管理部門始終把數(shù)據(jù)中心的安全運行擺在第一位，往往強調(diào)安全，而忽視了節(jié)能，導(dǎo)致許多節(jié)能措施不敢使用，這是阻礙節(jié)能管理水平提高的重要原因之一。實際運行中應(yīng)把握好安全與節(jié)能的關(guān)系。通過了解安全風(fēng)險因子，了解節(jié)能措施的影響程度，可以加深對安全生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的科學(xué)認識，在安全可控的前提下，加強節(jié)能運行管理。
1）設(shè)備維護不及時
冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)的水質(zhì)沒有嚴格的質(zhì)量管理。盡管多數(shù)單位有專業(yè)的水質(zhì)維護，但水質(zhì)的質(zhì)量管理形同虛設(shè)，沒有明確的考核檢查標準。冷卻塔填料結(jié)垢十分普遍，也沒有及時清洗。
冷水機組的實際運行效率與機組標稱值之間相差較大，冷水機組運行效率有待提高。風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)也需要及時維護保養(yǎng)，但許多數(shù)據(jù)中心缺少對精密空調(diào)的專業(yè)養(yǎng)護，使得運行效率逐年下降。
2）管路及附件維護不到位，疏于操作
水路上的閥門不管是手動還是自動模式，普遍存在關(guān)閉不嚴現(xiàn)象，導(dǎo)致水流旁通。不僅浪費水泵功耗，還降低了機房精密空調(diào)制冷量。溫度與壓力計量儀表多數(shù)不能使用，形同虛設(shè)。
臺數(shù)切換時對應(yīng)閥門也需進行切換，但由于加大了操作人員的工作量，一般不會落實這項操作。
3）粗放式運行管理
無論是否需要，機房內(nèi)精密空調(diào)全部開啟運行，使得精愛空調(diào)的能耗與冷水機組能耗相當(dāng)，大大超出送風(fēng)系統(tǒng)的能耗標準。
數(shù)據(jù)中心都設(shè)計安裝了水系統(tǒng)變頻設(shè)備，但是實際運行未落實，不能根據(jù)水系統(tǒng)溫度的變化進行變流量運行。水系統(tǒng)輸送能耗約占冷水機組能耗的50%以上，不能隨主機負荷隨動調(diào)節(jié)。
冷水機組的啟停數(shù)量也是完全經(jīng)驗化運行，機組臺數(shù)的選擇缺乏依據(jù)，機組不能在高效區(qū)運行，使得機組運行效率不高。冷水機組的供水溫度沒有隨著室內(nèi)負荷變化進行調(diào)節(jié)，基本全年恒定溫度運行。
機房內(nèi)溫度設(shè)置偏低。強調(diào)運行的安全性后，使機房內(nèi)回風(fēng)溫度較低，如有的機房要求保持在22℃左右，這樣冷水機組出水溫度一直壓低在7℃，自然冷卻的空間也大大壓縮。
以上這些因素交織在一起，往往造成數(shù)據(jù)中心的能耗居高不下。
5安科瑞為數(shù)據(jù)中心提供的電力監(jiān)控解決方案
5.1精密配電管理解決方案
AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設(shè)計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。
5.1.1交流系統(tǒng)
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-E4
電流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
5.1.2直流系統(tǒng)
1)功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-DE
霍爾傳感器AHKC-F-XXA/5V
開關(guān)電源SBD-30（48V）
產(chǎn)品規(guī)格
說明：■為標配功能。
配套附件
配套附件
5.2AMB智能小母線管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。
1）交流系統(tǒng)功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
2）直流系統(tǒng)功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；
產(chǎn)品介紹
說明：■為標配功能。
參考文獻：
【1】張晟，李超，梁剛強，顧砒，龔延風(fēng).數(shù)據(jù)中心機房節(jié)能運行現(xiàn)狀與問題分析
【2】鐘聰睿.互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)機房總體規(guī)劃中的節(jié)能設(shè)計研究信息通信，2016(8):241-242
【3】卜東潔，王克勇，潘俊等.數(shù)據(jù)中心機房升溫的研究[J].建筑節(jié)能，2015(5):31-33
【4】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版
