尤冰冰

上海嘉定安科瑞电气有限公司

摘要：数据中心的能耗从来没有像今天这样受到行业、国家乃至世界的关注。在未来相当长的一段时间内，数据中心能耗分析与优化将不仅是数据中心的重点研究对象，也是运维管理的重点难点。本文简要介绍数据中心节能的意义，重点介绍数据中心常用的节能措施，并以北方某数据中心为例，说明常用数据中心措施的优势。一、分析数据中心的能耗结构，

关键词：数据中心；节能；暖通空调；能耗优化

一、选题意义

随着我国经济的不断发展，中国将逐渐成为世界上最大的单一市场。由此，不仅国内企业纷纷在我国各地建立数据中心，越来越多的跨国企业也表现出越来越大的兴趣。据外媒报道，截至2017年底，全球超大规模数据中心超过390个。美国以44%的份额相对领先于其他国家，其次是中国，仅占8%。从数据中心增长统计来看，2017年全球数据中心增长18.3%，亚洲增长更快，其中中国以2017年39.57%的增长率位居全球第一。

与数据中心的爆发式增长相比，电力和生产用水供应的相应短缺给数据中心的运营造成了巨大的压力。目前，数据中心正在集聚。以贵州贵阳、内蒙古乌兰察布为代表的非地震区平均气温较低、电力充足，受到众多大数据公司的青睐。

随着数据中心规模的不断增长，数据中心IT设备、电气设备、HVAC设备的耗电量和耗水量快速增长。绿色数据中心的概念正在成为数据中心的条件。PUE是衡量数据中心能耗的关键指标。一个低PUE值的数据中心，不仅为企业节省了大量的运维成本，也体现了数据中心运维人员管理水平和技术水平的高低。目前世界上先进的数据中心PUE值都在1.5以下，而我国很多数据中心标榜PUE值在1.8左右，实际上达到了2.5。这反映出我们在数据中心的能效方面还有很多工作要做。

据我国数据中心行业调查统计，如果不对能耗进行优化，面积较大的机房年耗电量约为1700万千瓦时。

从数据中心用电量来看，数据中心属于高耗能行业。在中国实施数字中国的今天，数据中心逐渐成为城市建设和发展中不可或缺的角色。期待国内行业从业者的努力，将PUE值降低到无限接近1。

2 数据中心主要消耗能源

影响数据中心能耗的因素很多，其中空调和暖通设备是主要因素，也是容易实现能耗优化的领域。但数据中心的其他区域包括供配电设备（UPS不间断电源设备、变压器、汇流排等）、日常照明、消防安全设备、建筑结构本身的热辐射等。

2.1 供配电设备对数据中心能耗的影响

数据中心的电力消耗是巨大的。其中，UPS因电感产生较大的谐波，因此会有较大的功率损耗。提高UPS效率是数据中心在节能方面需要研究的地方[1]。UPS效率不是一个常数值，它随着负载的变化而变化。如图 1 所示，UPS 效率随负载增加而增加。当负载为0%~30%时，UPS效率极低，一般不建议在此范围内运行UPS；当负载为30%~70%时，UPS效率从85%提高到90%。当负载为70%~100%时，UPS效率恒定在90%左右。因此，建议UPS负载稳定在80%左右，效果更佳。现在，大多数在建数据中心使用多台并联的小容量 UPS，而不是单台大容量 UPS。UPS有两个优点：第一，当其中一台UPS出现故障时，可以保证其余UPS能够承担其负载，确保数据中心用电安全。其次，可以使UPS的工作容量提高30%以上，提高了UPS的效率，降低了UPS的损耗。

图1 UPS工作效率-负载率曲线

2.2 空调和HVAC设备对数据中心能耗的影响

根据美国供暖、制冷和空调工程师协会（简称）技术委员会9.9（TC9.9）的统计报告，数据中心各部分的功耗分布大致如图2所示.

图2 数据中心功耗分布

从图2可以看出，空调和制冷系统的能耗占数据中心所有系统的比重第二大，达到31%，约为UPS能耗的三倍。，节省更多的成本。大多数企业将数据中心的能耗分析和优化集中在空调制冷领域。优秀的空调制冷能耗分析和优化解决方案，可大幅降低数据中心能耗和PUE值。

3 案例分析

本研究以北方某数据中心为例，该数据中心于2017年建成并投入使用。该数据中心配备4套制冷系统（冷机、制冷泵、冷却泵、冷却塔）一一对应），采用3+1模式（满载时3用1备），PUE值为2.6。

3.1 数据中心散热方式

由于北方地区全年温差大，昼夜温差大，因此设计了不同的制冷方式。根据室外温度的不同，设计了三种模式来实现数据中心的降温。当温度设计采用水侧自然冷却系统时，随着室外湿球温度的降低，当塔内水温下降到要求值时，经间接后供给空调末端供冷通过热交换器进行热交换。制冷系统全年运行分为冷水机制冷模式、局部自然冷却模式、自然冷却模式三种模式。

(1) 当室外湿球温度t>15.5℃，冷却塔出水温度>19.5℃时，冷水机工作，板式换热器不工作，系统运行方式为冷水机制冷方式.

(2)当室外湿球温度为8℃<t≤15.5℃时，冷却塔出水温度为13.5℃<t≤19.5℃时，冷水机工作，板式换热器工作，系统运行方式为局部自然冷却方式。

(3)当室外湿球温度t<8℃时，冷却塔出水温度t<13.5℃，冷水机不工作，板式换热器工作，系统运行方式为自然冷却模式。

3.2 冷却水处理

由于冷却水与室外空气直接接触，制冷系统运行时，室外的微生物和灰尘也会被带入管道、冰箱等设备中。长时间运行后，大量的微生物和水垢会附着在管道和冰箱上，影响制冷设备的换热效果。因此，数据中心在冷却水管路接入微晶侧流、自动加药装置等水处理设备，对水质进行物理化学处理。

3.3冷冻水泵、冷却水泵

冷冻水和冷却水的循环由水泵进行。水泵节能除采用变频装置外，还应采用较大直径的管道，尽量减少管道长度和弯头，采用大半径弯头，降低换热器的压降。冷藏室、水泵、冷却塔、板式换热器、精密空调等，尽可能设计安装在相似的高度，减少水泵的扬程。

根据负载的不利压差控制，当负载降低时，二级调节阀的阀门开度变小，检测到的压差设定点的压差值与水泵设定值相同不同的运行频率，这是水泵节能的另一种方式。主要方法。理论上，电机所需的功率根据速度的立方减小 [3]。例如，水泵电机的工作转速为其额定转速的80%，水泵的工作频率为其额定功率的51.2%。水泵频率从空调系统末端开始增加，水泵频率降低，水泵转速降低，从而减少系统的流量，达到调节流量的目的。这一节能措施不仅减少了空调系统的用水量，还节省了用电量。

3.4 室温

在我国的数据中心，A级数据中心机房的温度规定为（23±1）℃，大部分数据中心都是按照A级数据中心的规范设计建造的。一些数据中心机房的温度甚至在20℃左右。在IT设备越来越优化的趋势下，这样的温度无疑会造成电力和水资源的极大浪费。参考国外数据中心，机房温度一般为28℃，既能满足机房温度要求又节约能源。同时，我们把夏天的温度定得比春秋高一些，冬天的温度比春秋低一些是比较合理的。一些。

3.5机房送回风方式

据调查，同类单位机房的制冷耗量相近，送风温度也相近。若采用自下而上的气流组织（见图3），机柜实际获得的散热效果优于自上而下的气流组织。

图3 下送风上回风示意图

冷风从靠近机柜或机柜底部的活动地板出风口送出。送出的低温空气仅在瞬间与机房内的热空气混合，立即从机柜进风口进入机柜，有效提高了送入机柜的冷风。质量好，风量小，提高机柜散热效果。

下送上回风的气流组织具有以下显着优点。

(1)活动地板可作为送风室，灵活布置IT设备。

(2) 机房顶部既可作为回风室，又可作为IT设备电缆敷设空间。有热通道的机房最好密封冷热通道。这种设计可以高效地将冷空气直接输送到指定位置数据中心能耗管理系统，避免冷热空气混合造成空调系统负荷增加，从而浪费更多的水电。

4 安科瑞能耗统计分析（能源管理）解决方案

4.1 概述

建立高效的能耗监测管理系统，实时测量建筑物内各种用能设备的能耗数据，并对采集到的数据进行统计分析。可以合理确定各地区建筑能耗的经济指标和绩效评价指标，发现能源使用和能源浪费的规律，提高人员积极节约能源的意识。

① 构建数据中心智慧能源管理系统的基础框架，对能源消耗的各个环节进行实时监控；

②碳排放数据：通过系统可实现建筑单元人均能耗分析（包括水、电、能），实现低碳办公数据；

③区域能效比：实现建筑单元内区域能耗比较，便于能耗评估；

④同期能效比：实现同年、同期、同区域的能耗对比，方便分析节能数据；

⑤能耗考核管理：根据能耗定额标准约束值、标准值、指导值对单位面积能耗和人均能耗指标进行分析；

⑥ 能耗竞争排名：比较各功能区能耗，实现能耗排名，增强员工节能意识；

⑦ 对能耗数据进行综合分析、统计、打印、查询等功能，并可根据能耗监控管理系统的需要选择打印不同样式的报表。为能耗运行管理部门提供可靠依据；

⑧ 能耗数据采集，随时查询，并根据采集到的数据进行统计分析，监测异常能耗，对能源智能表故障进行报警，提高系统信息化和自动化水平。

4.2 平台部署硬件选择

5 结论

近年来，我国大数据产业保持良好发展势头。利用大数据治企治国，提升了企业和政府的管理能力。大数据的发展和应用已经上升到国家战略的高度。随着大型数据中心的不断发展，其内部结构越来越复杂，设备功率越来越大。因此，无论是从企业管理运营成本还是环境保护的角度，都应该在现有条件下提出一套节能方案，最大限度地节约能源。数据中心节能应该贯穿于数据中心的整个生命周期，

数据中心的节能不是一蹴而就的，需要在运维一线进行摸索和试验。这种节能理念应该渗透到每一个操作和运维人员的每一个角落，这样才能做到真正的节能。

【参考】

［1］李志文，李卫国，王丽丽，数据中心能耗分析与研究，现代盐化工，2018.8.4，36-37。

[2]管海涛，王卫国，秦泽波等．数据中心能耗监控系统的设计与实现[J]．信息系统工程, 2017(4); 144-145。

［3］王燕飞.变频调速节能控制在水泵电机系统中的应用研究[J].机电信息,2016(9); 90-91。

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版。

关于作者：

张品，女，现就职于安科瑞电气有限公司，主要从事数据中心的设计与应用工作。

涉及智慧园区、智慧公安、能源管控、智慧建筑、智慧工厂、智慧校园等。

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