王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
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,作為信息化基礎設施的數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展。我國數(shù)據(jù)中心建設的數(shù)量多,建設質(zhì)量也在世界上處于靠前,主要采用了世界上較好的IT設備,較好的制冷設備,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)為水冷及風冷兩種精密空調(diào)系統(tǒng),空調(diào)面積約6000㎡。機房內(nèi)未設置冷熱通道。
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。設計狀態(tài)下,水泵的總能耗(含冷卻塔)應當只有主機的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)的風冷空調(diào)可以關(guān)閉,但機房內(nèi)所有風冷精密空調(diào)仍然全部開啟使用。風冷精密空調(diào)的使用補充了部分冷量,卻消耗了大量的電力。
導致風冷空調(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,加大了供應能力需求。同時由于供應到水冷空調(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,沒有設置氣流冷熱通道。送回風溫差小,只有3℃,加大了送風輸送能耗。
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)設有水冷空調(diào)機組,通過靜壓箱送風,共78臺精密空調(diào)機組。機房內(nèi)氣流分設冷熱通道。空調(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)中心基礎設備設施(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,應在電氣管理和設備配置上改進。
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)應無問題。應當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、側(cè)回風的氣流方式。
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、側(cè)回風的氣流方式,其它機房均采用地板式機柜送風,上回風加側(cè)回風的氣流方式。
整套制冷系統(tǒng)無BA自控系統(tǒng),所有制冷設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。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%。
應啟動高壓直流的休眠睡醒功能,根據(jù)最/低、最高值設定,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,導致水質(zhì)較差,影響冷水機組效率。應定期進行水質(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的調(diào)節(jié),送風溫差小,送風效率低,送風能耗高。
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)設計方面
數(shù)據(jù)中心設計在產(chǎn)品選型、系統(tǒng)安全性與可靠性設計上都滿足了國家節(jié)能設計要求和專業(yè)設計要求,但設計的精細化程度不夠。為了保障安全,選用設備時富裕系數(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)設計粗獷,沒有進行細致設計計算,水路流量分配不滿足預期要求。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計,導致送風氣流短路。不僅影響送風效率,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??刂葡到y(tǒng)智能程度低,僅僅支持泛泛的啟??刂频?。在控制策略設計時,缺少空調(diào)專業(yè)的支持。
7)選配的電氣設備容量偏大。UPS的使用容量低,導致?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。實際運行中應把握好安全與節(jié)能的關(guān)系。通過了解安全風險因子,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)的科學認識,在安全可控的前提下,加強節(jié)能運行管理。
1)設備維護不及時
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,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。
臺數(shù)切換時對應閥門也需進行切換,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,大大超出送風系統(tǒng)的能耗標準。
數(shù)據(jù)中心都設計安裝了水系統(tǒng)變頻設備,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*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)溫度設置偏低。強調(diào)運行的安全性后,使機房內(nèi)回風溫度較低,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)中心建設的快速發(fā)展和更高需求,智能小母線系統(tǒng)逐漸被應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。
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