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大型数据中心电气设计的节能减排思考

发布于：2024-06-13 11:21:13 来自：电气工程/电气资料库 [复制转发]

住建部统计数字显示，我国城乡建设新建房屋80%以上为高能耗建筑，而我们的数据中心完全属于高能耗建筑之列，并且属于特高耗能建筑范围。2016年10月9日，中共中央政治局就“实施网络强国战略话题”进行专题学习，会上，习近平总书记提出：要加快建设全国一体化的国家大数据中心。这告诉我们，降低数据中心电气设计的能耗已经成为实施网络强国战略和我国经济生态文明建设的迫切任务和战略目标。

一、数据中心与电气设计

1、数据中心

数据中心( Data Center)是全球协作的特定设备网络，用来在internet 网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。数据中心大部分电子元件都是由低压直流电源驱动运行的。数据中心面临的物理问题是服务器本身和用来连接这些服务器到其他应用环境的电缆。由此可见，数据中心建设中的电气设计是基础中的基础，重点中的重点。

随着互联网+、云计算、物联网的不断发展，由此带来数据的爆发式增长。IBM商业研究院与牛津大学的合作调研报告称，到2020年，全世界所产生的数据规模已达到2013年的44倍。中国工程院院士李德毅认为，各行各业的大数据规模正在从TB到PB到ZB以三个量级发展，这都需要更好的绿色能源解决方案作为支撑。

在此背景下，数据中心如雨后春笋般遍地开花。不过，能耗指数、建设标准、整体布局等仍是横亘在数据中心发展路上的“绊脚石”。

数据中心很大一块的成本来自于电力消耗和设备折旧，当把电力成本进一步细分，可以看到电力成本包括IT设备、空调设备、UPS、PDU(电源分配器）等设备以及照明、应急电源等带来的电量损耗。从分类看，可以把数据中心的电力消耗拆分出来，从而计算出PUE值，即，PUE=数据中心总设备能耗IT设备能耗，PUE是一个比率，基准是2，越接近1表明能效水平越好。

从2006年Christian Belady提出数据中心PUE的概念，到目前PUE值已经成为国际上比较通行的数据中心能源使用效率的衡量指标。PUE是一个比率，通常是一个大于1的数值，PUE值越小，表示一个数据中心的能源利用率越高，绿色化程度越高，越符合低碳、节能的标准。降低PUE的手段就是压缩非IT设备的能耗。我国的大多数数据中心的PUE值大于2.0，平均值在2.5以上，有的高达3。从结果来看，机房供应的电力，大部分不是被IT消化了，而是被别的资源消耗了。所以在这种情况下有效提高PUE值，是能够大幅度降低运营成本的。

随着信息化建设的加速推进以及互联网、云计算等新技术新业务的蓬勃发展，出现了非常多的数据中心基础设施新技术。此外，随着通信网络的快速扩张，信息通信业能源消耗呈现快速增长态势，推动了数据中心基础设施领域节能的新技术发展，以降低整个信息通信领域的能耗。根据对数据中心能耗组成的研究发现，基础设施能耗占整个数据中心能耗的50%左右。因此，研究数据中心基础设施新技术的发展及其在节能领域的应用，在信息通信领域甚至整个工业领域都显得尤其重要。

2、电气设计

以上各项依据可充分说明，未来绿色数据中心规划建设中，电气设计中的节能减排至关重要性将处于突显地位。

在数据中心建设中，电气设计不仅仅是简单的供配电方案考虑，而是一个全方位的、综合性非常强的、强弱电高度集中的学科专业群范围，层层包叠、环环相扣、缺—不可；其中包括了变配电系统、柴油发电系统、UPS配电系统、照明系统、防雷接地系统、综合布线系统、楼宇自控系统、视频监控系统、门禁系统、火灾自动报警系统、背景音乐广播系统、停车场管理系统等，有的先进数据中心还会考虑人脸识别等高科技智能化专业的选用；因此我们通过以上专业群可以看出，在确保安全性、可用性的前提下实施具备可行性的电气设计有多么重要，每个环节、每个专业都和能源挂钩，如何才能实现绿色环保的目标，电气节能设计至关重要。

根据经验可以总结出，通常在电气方案的设计上存在的主要问题有：负荷计算存在问题，主机选型过大；空调水系统水力失调；控制设计不详或与实际脱节。

负荷计算存在问题，就不可能实现节能减排的需求；主要机器设备选型过大或者过小都会直接影响到能源的合理使用及无功消耗；空调水系统水力失调将直接导致冷源的浪费及无序状态；控制设计不详并与实际脱钩，整个数据中心的电力监测、能源消耗监测与控制等刚需将属于空谈。当然还有很多其他方面的问题，综合因素我们也必须考虑进来。

现在的行业模式往往都是依靠以往项目经验，参考其他大型项目案例，列举行业典型案例，都是现在电气供应商、设计院、咨询公司惯用的思维方式，其实最正确的做法是根据每一个客户的IT需求，项目所在地区的地理天文、气候环境、商业条件、城市实力等入手，认真地进行所有设计数据上的计算与分析，依据国家建设规范及标准，完全进行落地式服务，方能给出一份好的解决方案。

二、绿色数据中心中的节能化电气设计

根据国内外的经验介绍和笔者个人几十年的设计经历，笔者认为实现数据中心节能化设计可从以下几个方面着手。

1、科学确定冷源方案

根据统计数据表明，数据中心的制冷系统占机房总功耗的40%左右。机房中的制冷主要是由机房空调负责，所以降低机房空调的耗电量可以有效地降低机房的PUE值。数据中心到底使用哪种制冷系统，需要根据项目所在地的各项条件综合考虑。在我国西北地区，如果有条件建议采用水冷冷冻水机组＋自由冷却系统的方式设计制冷系统，这样在冬季气温7℃ ~12℃时可以采用预冷的方式，使用部分冷冻机组，在室外温度小于7℃时，可以不启动冷冻水机组，完全用自由冷却系统对机房降温，大大减少了能源的消耗。那么这样的方案适不适合南方及中部地区，从理论上分析，中部及南方地区也是适用这样的冷源防范，特别是中部，室外温度小于7℃的时间通常都有100天以上，这样的话，也就能充分实现节能减排的需求和要求。

2、创新空调设备制热制冷技术

空调系统的制冷能力和环境密切相关，夏天室外温度越高，制冷能力越低，因此大型数据中心空调系统的制冷量都是按最差（夏天最热）工况设计的（空调的制冷量一般要比其在理想工况下的额定值低，这时建筑物本身不但不散热，反而吸热)。这样，全年绝大部分时间空调系统运行在负荷不饱满状态。另外，大型数据中心的IT负荷从零到满载也需要相当长的时间，一般在1到3年之间。还有，IT负载的能耗和网络访问量或运行状态相关，根据其应用的特点，每天24小时的能耗都在变化，—年365天的能耗也都在变化。因此，在水冷系统中所有电机采用变频系统，这样可以节约大量的能量，其增加的投资一般在一年内节省的电费中就可以收回（基本满负荷情况下）。对于风机和水泵，输入功率和这些设备的转速的三次方成正比。例如，如果风机或水泵的转速为正常转速的50%，仅需要同一设备运行在100%额定转速时理论功率的12.5%。因此，当设备运行在部分负荷时，变速装置的节能潜力十分明显。

3、提高冷冻水的适用范围

冷水机组标准的冷冻水温度为7℃到12℃，水冷空调的标准工况也是认为冷冻水温度为7℃到12℃。该数据温度范围对于数据中心实际运用需求上来说就浪费能源了；因为7℃到12℃的温度大大低于数据中心正常运行在40%左右相对湿度的露点温度，将在风机盘管上形成大量的冷凝水，需要进一步加湿才能保持机房的环境湿度。众所周知的是除湿和加湿过程都是非常消耗能量的过程。冷冻水的温度和冷水机组的效率呈正比关系，也就是说冷冻水的温度越高，冷水机组的效率也就越高。根据相关厂商数据，冷冻水温度每提高一度，冷水机组的效率就可以提高大约3%‰。

4、优化供配电系统

精确计算供电功率：使用用电管理软件精确计算用电功率和智能化控制系统用电，提高电源利用率。为机房建设规划提供更精确的数据，智能控制整体用电量。供配电系统节约电能的技术方法，主要是配电电压深入负荷中心、配电变压器的正确选择和经济运行、配电线路的合理选择和经济运行、电压调节和无功补偿等技术和方法的采用。配电系统的降损节能重要并集中体现在合理使用变压器、重视和合理进行无功补偿、低压配电线路改造，扩大导线的载流水平、减少接点数量，降低接触电阻。

5、设计模块化不间断电源系统

按实际需求规划设计，目前，数据中心大多是IDC用途或者分期分模块的自用机房，考虑未来几年的扩容，在设计时UPS容量一般都考虑容量比较大些，一次就安装了几套大功率的UPS 并机，初期负载量只有规划容量的10%~20%，使UPS的利用率很低，这样就会造成电能的极大浪费，由此可见提高UPS工作效率是降低整个机房能耗的最直接的方法之一。建议采用国内目前比较先进的模块化UPS方案，逐步扩容，就可以极大程度地控制能源消耗，起到节能减排作用。

模块化 UPS由各个模块组成，可实现热插拔功能，且各模块机架可完全分离，便于用户以后的扩容或减容，使用方便，可实现在线更换、在线维护。各模块之间的并联控制采用了分散式逻辑控制方式，没有主机与从机之分，任何一个模块拔出或插入均不会影响其他模块的正常工作。

要尽可能地提高UPS能效。目前UPS均为在线式双变换构架，在其工作时整流器、逆变器均存在明显的功率损耗，增加了能源损耗。因此选用高功效的UPS，可以节约很大一部分电源的消耗。

6、采取高压直流供电

与传统48V供电系统类似，数据中心机房的高压直流供电系统是由多个并联冗余整流器和蓄电池组成的。在正常情况下，整流器将市电交流电源变换为270V、350V或420V等直流电源，供给电信设备，同时给蓄电池充电。电信设备需要的其他电压等级的直流电源，采用DC/DC变换器变换得到。这样的设计方案就能具备安全性、实用性、提高负载的可靠性；实现智能化管理，对电池进行全面的智能化管理，具有完备的电池管理系统，有效延长了电池的使用寿命，降低了运营成本，提高了能源节约；由于省掉了逆变部分，直流开关系统经过2次变流，电源效率达到92%以上，UPS系统经过4次变流效率一般在70%左右，这样大大节省能源，可直接降低PUE数值-。

7、采用智能照明系统

根据建筑布局和照明场所合理布置光源、选择照明方式、光源类型是降损节能的有效方法。推广高效节能电光源，以电子镇流器取代电感镇流器；应用电子调光部、延时开关、光控开关、声控开关、感应式开关取代跷板式开关，将大幅降低照明能耗和线损。智能照明的设计与选用还可以同时解决消防、访客、维护等日常管理工作中的实际需求，能避免后期重复投资与增加系统设备所产生的能源消耗。

8、巧妙设计机柜冷热通道

实践证明，在一个设计不合理的数据中心内，60%的空调机冷送风由于气流组织的不合理而被浪费了。传统的开放式热通道结构数据中心存在着冷热空气相混合现象和空调冷送风浪费现象。这两种现象大大降低了空调制冷的效率。解决这两种能耗浪费现象，最简单的方式就是机柜面对面摆放形成冷风通道，背靠背摆放形成热风通道，这样会有效地降低冷热空气混流，减低空调使用效率。

9、适当提高机房温度

根据我国《数据中心设计规范》，数据中心机房的主机房温度要求保持在23±1℃。实际情况是，现在机房的服务器和网络设备大部分在10℃ ~35℃，相对湿度20%~80%都可以正常运行（ASHRAE认为的设备环境要求，也是绝大部分商用服务器的工作环境要求范围)。因此可以提高空调送风温度的设计，保证IT设备的运行温度即可。当空调系统的送风和回风温度提高1℃时，空调系统节电约2.5%。同时空调系统的制冷能力提高约5%。因此，在用户认可的条件下，适当提高机房的温度是节约能源的措施之一。

10、创建集约型智能化解决方案及大综合性管理平台

用户和使用单位根据以往经验，对各种系统设备进行不同厂商的选型比对，这只是考虑了价格成本，但却忽略了最终数据中心的PUE数值，忽略了数据中心真正运营管理的后期成本与协调成本，所以寻找能够为数据中心提供从配电到制冷、机柜、UPS、综合布线、监控以及软件服务管理等高效集成解决方案的厂商，着力解决数据中心的整体解决方案所带来的价格成本、管理优势、节能减排等各项指标，才是未来大数据行业发展的趋势。

当今时代已迈入工业4.0时代，其中最显著特点就是硬件智能化，能够感知，实现万物互联。而数据中心的智能包括电力智能、楼宇智能和运维智能，把电力系统PMS(电能管理)、针对楼宇或建筑的BMS和数据中心的运维管理有机结合在一起构成了DCIM，实现一个平台的全系统可视化，真正实现7x24小时365天不间断的管理服务，真正实现数据中心节能减排的可实现。施耐德电气的智能配电系统通过充分利用数据互联和传统技术的结合，实现能源数据的数字化与可视化，帮助数据中心能够预知某个配电设备出现故障，提前做出诊断，这对于整个系统安全运转、高效运转来说是非常重要的，也为能源管理提供有力支持。

综上所述，只要我们不断学习、不断创新数据中心建设思维，站在世界数据中心建设的最前沿，对数据中心能耗进行整体考量和节能优化设计，就一定能有效推动并实现数据中心的绿色产业发展。

三、结语

为了解决目前数据中心PUE值普遍偏大、高耗能的现状，本文从数据机房架构、系统、设备选型等方面着手，系统地介绍了数据机房电气节能方面的多个方法和解决方案，可有效降低IDC的能耗。在国家实现“双碳”目标的大战略下，以能源的高效利用，减少碳排放，促进经济社会的可持续发展，建设低碳、低耗能、绿色IDC势在必行。

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