更(gēng)新(xīn)時(shí)間：2023-03-29 點(diǎn)擊次數： 1200次
摘 要：信(xìn)息社會對(duì)數據的需求越(yuè)來也(yě)大(dà)，數(shù)據(jù)中心已經成為*重(zhòng)要的基(jī)礎設置之一，而隨(suí)著國家(jiā)雙(shuāng)碳(tàn)政(zhèng)策的逐(zhú)步推進，數(shù)據(jù)中心這種(zhǒng)能(néng)耗密度非常(cháng)高(gāo)的(dí)建築也成為(wéi)減(jiǎn)碳(tàn)行動的首(shǒu)要對象(xiàng)，甚至(zhì)和傳統(tǒng)的高(gāo)能耗行業並(bìng)列，不少地區(qū)也對新建數據中心(xīn)能源利(lì)用效率（PUE）提(tí)出了高(gāo)要(yào)求。原有老舊數(shù)據中心的(dí)機(jī)電係(xì)統已落(là)後，需進行(háng)能(néng)效診(zhěn)斷和(hé)升(shēng)級改造提(tí)高PUE。通過能效管(guǎn)理(lǐ)係(xì)統研(yán)究(jiū)數據中心(xīn)能耗構成(chéng)，進(jìn)行(háng)能效(xiào)診斷，並針(zhēn)對性地(dì)提(tí)出節能改造(zào)主(zhǔ)要措(cuò)施，為數據中心(xīn)綠色(sè)高效(xiào)運(yùn)行(háng)提(tí)供節(jié)能降耗優化思(sī)路，提高了數據(jù)中(zhōng)心(xīn)的能源(yuán)利用效(xiào)率。
關鍵詞：數據中(zhōng)心；能效(xiào)診斷(duàn)；電能治理(lǐ)；節(jié)能改造
1 綜述(shù)
數據(jù)中(zhōng)心能(néng)效(xiào)診斷(duàn)是通過對數據中(zhōng)心總(zǒng)體(tǐ)用能(néng)分析，IT設(shè)備(bèi)用能(néng)，製冷(lěng)係統和配電(diàn)係統(tǒng)耗能及能效對標。製(zhì)冷係(xì)統主(zhǔ)要的能效(xiào)評估指(zhǐ)標是(shì)製冷負(fù)載係數(shù)CLF，是數據(jù)中心製冷(lěng)設(shè)備(bèi)耗(hào)電(diàn)與IT設(shè)備耗(hào)電的比值，而供電(diàn)負(fù)載(zǎi)係(xì)數(shù)PLF是數據(jù)中心(xīn)供(gōng)配(pèi)電(diàn)設(shè)備(bèi)耗(hào)電(diàn)與IT設備(bèi)耗電的(dí)比值(zhí)，而(ér)數據中(zhōng)心PUE值(zhí)也與這(zhè)兩個係(xì)數密切(qiē)相關。如(rú)圖1所示：
圖1 數(shù)據中心(xīn)CLF，PLF和PUE的(dí)關係
在(zài)數據(jù)中心隻有IT設(shè)備(bèi)的耗電(diàn)(圖1中的E4)被認(rèn)為(wéi)是(shì)“有意(yì)義(yì)"的電能。所以(yǐ)除了IT設(shè)備外(wài)，其它(tā)設備(bèi)消(xiāo)耗的電(diàn)能占比(bǐ)越低(dī)，那麼數(shù)據中(zhōng)心的(dí)PUE值表現(xiàn)就(jiù)越優(yōu)秀。Acrel-8000數據中(zhōng)心能效管(guǎn)理(lǐ)係統主要從(cóng)以上(shàng)幾(jī)個數據來診(zhěn)斷(duàn)數據(jù)中心(xīn)的(dí)能效(xiào)並(bìng)給出針(zhēn)對性的改造(zào)方(fāng)案(àn)。
2 能效(xiào)診斷
某(mǒu)數據中(zhōng)心建成較早，機(jī)房建築麵積約(yuē)1.5萬㎡，地上(shàng)兩層(céng)，一(yī)層設(shè)置(zhì)為(wéi)變(biàn)配電(diàn)室，蓄(xù)電池室(shì)，冷(lěng)水機(jī)組室(shì)，運(yùn)營商機(jī)房等電力和(hé)網(wǎng)絡基(jī)礎設施，見圖(tú)2。二(èr)層主(zhǔ)要設(shè)置12間機(jī)房(fáng)，總共(gòng)可(kě)部署(shǔ)約3000組(zǔ)機櫃，已部署(shǔ)1500組(zǔ)。供電(diàn)係統(tǒng)設(shè)置兩台110kV主變(biàn)，2個(gè)10kV開(kāi)閉所，4個10/0.4kV低(dī)壓變配電室(shì)，8台低壓變壓(yā)器，總(zǒng)供(gōng)電(diàn)容(róng)量(liáng)2萬KVA，低壓配電室(shì)配(pèi)備(bèi)有UPS設備(bèi)以保障(zhàng)供電，末端(duān)共70麵(miàn)安科瑞ANDPF精密配電櫃為(wéi)IT設(shè)備提(tí)供主(zhǔ)備(bèi)電(diàn)源。
圖2 數據中心(xīn)一層(céng)平麵(miàn)圖
Acrel-8000數據中(zhōng)心能效管理(lǐ)係統對數據(jù)中(zhōng)心從(cóng)110kV變電(diàn)站到末(mò)端(duān)精(jīng)密配(pèi)電櫃(guì)實現(xiàn)了(liǎo)全覆(fù)蓋的能(néng)源管(guǎn)理，設(shè)備監測(cè)和能(néng)耗分析(xī)，見(jiàn)圖(tú)3。主要(yào)功能包括(kuò)：
電(diàn)力監控(kòng)：監控(kòng)110kV變(biàn)電(diàn)站，2個10kV開閉(bì)所(suǒ)，4個10/0.4kV低壓(yā)變配電(diàn)室配電係統運行情(qíng)況，實現(xiàn)遙測，遙(yáo)信，越(yuè)限(xiàn)報(bào)警(jǐng)，故障(zhàng)分析(xī)，電能(néng)質量分析，運行(háng)報表等功能(néng)；
設備監(jiān)控：監(jiān)測柴油(yóu)發(fā)電機，變壓器，UPS，蓄電池組(zǔ)，精(jīng)密配(pèi)電(diàn)櫃(guì)，精密空調(tiáo)的狀態(tài)以及運(yùn)行(háng)參數，並(bìng)提供(gōng)異(yì)常預(yù)警(jǐng)，運行報(bào)表(biǎo)等功(gōng)能；
能耗診斷：統計數據中心總能耗，IT設備(bèi)能耗(hào)，製(zhì)冷(lěng)係統(tǒng)能耗(hào)，供(gōng)電(diàn)係(xì)統能耗(hào)，照(zhào)明(míng)及辦(bàn)公能(néng)耗等分項用能，並計(jì)算(suàn)CLF/PLF/PUE等能耗指(zhǐ)標(biāo)；
環境(jìng)監(jiān)測(cè)：監(jiān)測數據(jù)中心(xīn)溫濕度，水浸，電(diàn)池(chí)室氫氣濃度等數(shù)據並(bìng)提供越(yuè)限(xiàn)告(gào)警；
運維(wéi)管(guǎn)理：進行(háng)發(fā)布工(gōng)單，巡檢計(jì)劃(huá)，工單跟(gēn)蹤(zōng)管理(lǐ)等，協助(zhù)維(wéi)護(hù)人(rén)員高效運維。
圖(tú)3 Acrel-8000數(shù)據中(zhōng)心能(néng)效(xiào)管(guǎn)理(lǐ)係統(tǒng)高壓配(pèi)電係統和(hé)精密(mì)配(pèi)電櫃(guì)監(jiān)測
2.1 能(néng)效分(fēn)析(xī)
係統(tǒng)調試(shì)完畢經過(guò)一年時間運行(háng)後(hòu)，係統發現數(shù)據中心能(néng)源利用效(xiào)率比(bǐ)較低(dī)。經(jīng)過(guò)係(xì)統數據顯(xiǎn)示(shì)，全(quán)年(nián)IT設備(bèi)用(yòng)能(néng)占比(bǐ)51%，製(zhì)冷(lěng)係統(冷(lěng)凍(dòng)水機組，空調(tiáo)末端，新風等)用能(néng)占(zhān)比36%，供電係(xì)統(tǒng)(變(biàn)壓(yā)器，UPS，發(fā)電機，開(kāi)關)10%，照明及辦公等占比(bǐ)約(yuē)3%。
PUE值約(yuē)為(wéi)1.96；
CLF約為(wéi)0.71；
PLF約為0.2；
由(yóu)於(yú)數據中心機電設備(bèi)老(lǎo)舊，缺乏(fá)有效的(dí)節能(néng)管理控(kòng)製措施，能(néng)效利用(yòng)效(xiào)率較(jiào)低，落(là)後於新建數(shù)據(jù)中心。
2.2 空調係(xì)統
數據中(zhōng)心大(dà)樓采用集中空(kōng)調(tiáo)係統(tǒng)供冷，主(zhǔ)要(yào)設備(bèi)有冷(lěng)水機(jī)組，冷(lěng)卻(què)塔，冷凍泵(bèng)，冷卻(què)泵。通過係(xì)統可以(yǐ)發現空調(tiáo)係統水冷(lěng)式製冷(lěng)主(zhǔ)機全(quán)年不(bù)間斷(duàn)運行，定(dìng)頻製(zhì)冷主機負荷(hé)率在80%-90%時，變頻製冷主(zhǔ)機(jī)負荷(hé)率(shuài)在60%-70%時主機運行時(shí)綜合能效*高(gāo)。但係(xì)統運行操控過(guò)程(chéng)中，兩種(zhǒng)主機(jī)大部分(fēn)時(shí)間(jiān)均未(wèi)運行(háng)在較高(gāo)效(xiào)率區間，夏季，春秋，冬季工況時，係(xì)統冷凍水(shuǐ)出(chū)水溫度(dù)保(bǎo)持(chí)恒定5℃，未(wèi)根(gēn)據實際(jì)環境負荷的變化而(ér)調整係(xì)統出力，也(yě)未充分利用冬季自(zì)然冷源。
2.3 變(biàn)配電係(xì)統(tǒng)
數據中(zhōng)心現(xiàn)有8台變壓(yā)器，分別(bié)來自2個10kV開閉所，變配電係統采用(yòng)雙路互(hù)備模(mó)式接入，UPS係(xì)統為(wéi)5個數(shù)據(jù)機房(fáng)服(fú)務器(qì)供電，通(tōng)過係(xì)統發(fā)現(xiàn)變壓器(qì)低(dī)壓(yā)側(cè)測量發現諧(xié)波較(jiào)為嚴重，現場未(wèi)安裝諧波治(zhì)理(lǐ)裝置。UPS係統(tǒng)大量蓄電池組(zǔ)單(dān)體電(diàn)池性能不一(yī)致(zhì)，內阻過(guò)大(dà)導致(zhì)整(zhěng)組電池(chí)充放電(diàn)發熱(rè)，損耗增加，存在(zài)安全隱患(huàn)。
2.4 照明(míng)係(xì)統
數據中心照(zhào)明係(xì)統(tǒng)采(cǎi)用節(jié)能(néng)燈(dēng)和筒(tǒng)燈，公共(gòng)區域(yù)及數據中心(xīn)區域采用手動控製，大(dà)樓照明(míng)光(guāng)源(yuán)主要采用普(pǔ)通(tōng)熒光(guāng)燈和筒燈(dēng)等，燈具規格品(pǐn)種較多，部分區域(yù)照(zhào)度不(bù)滿(mǎn)足規(guī)範規(guī)定的照度要(yào)求，控製方式(shì)也(yě)比(bǐ)較(jiào)落(là)後(hòu)。
3 節(jié)能(néng)改造措施
3.1 充分利用自然冷(lěng)源(yuán)
當室(shì)外濕球(qiú)（或者(zhě)幹球溫度(dù)）低於(yú)室(shì)內空調設計(jì)溫(wēn)度並達到一定數值(zhí)時(shí)，用流(liú)經(jīng)冷(lěng)卻(què)塔(tǎ)的冷凍水(shuǐ)或冷卻(què)水直(zhí)接(jiē)或間接(jiē)為空(kōng)調係統(tǒng)提供冷(lěng)量，來(lái)消除室(shì)內冷(lěng)負(fù)荷，這(zhè)樣就是利用(yòng)自然冷源。
3.2 空調機(jī)組高效(xiào)控(kòng)製
*機房內設(shè)備(bèi)的(dí)參(cān)數監測和(hé)控(kòng)製，監(jiān)測主機(jī)負(fù)荷率，冷(lěng)凍(dòng)冷卻出(chū)回(huí)水溫(wēn)度(dù)壓力(lì)，室(shì)外濕球溫(wēn)度等參(cān)數(shù)，為中(zhōng)央空(kōng)調係(xì)統提(tí)供(gōng)全係(xì)統(tǒng)優化運行平台。自動調(tiáo)節製冷(lěng)主機運行在高效率(shuài)區間，實時根據負荷(hé)變化(huà)情(qíng)況，調(tiáo)整出水(shuǐ)溫度(dù)，預(yù)計(jì)將使(shǐ)冷(lěng)水機(jī)組(zǔ)能效(xiào)提(tí)高約8%。
3.3 電(diàn)能質(zhì)量治(zhì)理
由於數(shù)據中(zhōng)心主要(yào)負載(zǎi)均(jūn)為(wéi)IT設備，供電使用較多的(dí)UPS，製冷係統(tǒng)使用(yòng)較多(duō)變(biàn)頻設備(bèi)，其在工作過(guò)程中會(huì)對(duì)低壓電(diàn)網側(cè)造成諧(xié)波(bō)反(fǎn)饋，嚴(yán)重影(yǐng)響(xiǎng)配電係統(tǒng)電(diàn)能質量，變(biàn)壓(yā)器(qì)低(dī)壓側諧波(bō)畸變率(shuài)達(dá)到(dào)50%，遠遠超(chāo)出(chū)國(guó)家標(biāo)準。這也(yě)會導(dǎo)致電纜(lǎn)發熱，增加電(diàn)能損耗，影(yǐng)響(xiǎng)開關(guān)電源使用(yòng)壽(shòu)命，降低(dī)設備使用性(xìng)能(néng)。
在每(měi)台(tái)變(biàn)壓(yā)器下加裝(zhuāng)500A有源諧(xié)波(bō)治理係統(tǒng)裝置進(jìn)行集(jí)中(zhōng)治理，型號為(wéi)AnSin-500-M Ⅰ型，自動跟(gēn)蹤補(bǔ)償負載(zǎi)產(chǎn)生的(dí)諧波電流，大大(dà)降低(dī)諧波畸(jī)變和中(zhōng)性(xìng)綫電(diàn)流,保(bǎo)證(zhèng)供電(diàn)係(xì)統安全可靠(kào)運行，同時也降低(dī)了係統(tǒng)損耗，見(jiàn)圖4。
圖4 AnSin-500-MⅠ型(xíng)集中治理裝置(zhì)
在(zài)對(duì)一(yī)些諧(xié)波(bō)比較嚴(yán)重的回(huí)路進行就地(dì)補(bǔ)償，比如選(xuǎn)取(qǔ)該中(zhōng)心(xīn)UPS出(chū)綫端對(duì)前(qián)後(hòu)波形(xíng)數據進(jìn)行對(duì)比，通過裝設AnSin-300-B Ⅰ型有源(yuán)濾波治理(lǐ)係統(tǒng)後，電(diàn)壓畸(jī)變(biàn)率從(cóng)6.32%降(jiàng)值2.05%，電(diàn)流(liú)畸變率從28.94%降值(zhí)5.67%，提升了(liǎo)電網(wǎng)波(bō)形質量，見圖5。
圖5 AnSin-300-BⅠ型壁(bì)掛式治理(lǐ)裝(zhuāng)置
3.4 UPS蓄電(diàn)池(chí)監控係統
UPS供電(diàn)係統是滿足數據中心供電可靠性的核(hé)心部分(fēn)，而蓄電(diàn)池又是整(zhěng)個(gè)係統(tǒng)中(zhōng)*重要(yào)的(dí)組成(chéng)之(zhī)一，是(shì)整個(gè)供(gōng)電係(xì)統的“*後(hòu)一道屏障(zhàng)"。當(dāng)組(zǔ)串中(zhōng)的(dí)一隻(zhī)電池(chí)因(yīn)過充，過(guò)放(fàng)等(děng)原因(yīn)造(zào)成電池性能(néng)下(xià)降(jiàng)，電(diàn)池(chí)內阻增大，會導致電(diàn)池(chí)出現發(fā)熱，鼓(gǔ)包等(děng)現象(xiàng)，將造(zào)成供電係統(tǒng)安(ān)全性(xìng)的(dí)整(zhěng)體下降(jiàng)，同時增(zēng)加蓄電池充(chōng)放電的損(sǔn)耗(hào)。
係統在(zài)電池室增加(jiā)氫氣濃(nóng)度監(jiān)測傳(chuán)感(gǎn)器(qì)，當(dāng)氫氣濃度超(chāo)標時(shí)可啟動(dòng)排(pái)風(fēng)係統，同時增(zēng)加蓄電(diàn)池(chí)監(jiān)控(kòng)係(xì)統，監測蓄電池(chí)的(dí)電壓，內阻與內(nèi)部(bù)溫度功(gōng)能，數據接入Acrel-8000數(shù)據中心能效管理(lǐ)係(xì)統，通過(guò)對蓄電池(chí)係統科學(xué)的運(yùn)維管理，監測維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)故(gù)障隱(yǐn)患(huàn)，從(cóng)而客觀上延長蓄(xù)電(diàn)池的使(shǐ)用壽(shòu)命(mìng)，保障供電安全(quán)，降(jiàng)低總體(tǐ)擁有成本，見圖6。
圖(tú)6 蓄(xù)電池在綫監(jiān)控(kòng)示意(yì)圖
3.5 智能照明(míng)控製係統
對數(shù)據中心機(jī)房選用高光效(xiào)的(dí)LED光(guāng)源(yuán)燈(dēng)管替換原(yuán)有(yǒu)節能燈(dēng)和(hé)筒(tǒng)燈，增(zēng)加(jiā)智能(néng)照明(míng)控製係統(tǒng)。在(zài)走廊，電梯(tī)前(qián)室(shì)，洗手(shǒu)間等公共照明區域安裝(zhuāng)紅外(wài)人體感(gǎn)應(yīng)傳(chuán)感器，通過智能(néng)照(zhào)明控(kòng)製器進行控(kòng)製(zhì)，做(zuò)到(dào)人來燈(dēng)亮，人走(zǒu)燈滅(miè)，同(tóng)時在(zài)值(zhí)班(bān)室的Acrel-8000係(xì)統(tǒng)主(zhǔ)機(jī)上也可以(yǐ)集(jí)成整個數(shù)據中(zhōng)心照明(míng)的(dí)集中(zhōng)控製(zhì)和狀(zhuàng)態監視，節約(yuē)照(zhào)明用電(diàn)，見圖7。
圖(tú)7 智(zhì)能照明(míng)控(kòng)製係(xì)統(tǒng)示(shì)意圖
3.6 光伏發(fā)電係統
數(shù)據(jù)中(zhōng)心樓頂具(jù)有較(jiào)大的(dí)光(guāng)伏(fú)組件安裝(zhuāng)麵積，通過(guò)增加光伏太(tài)陽(yáng)能組件及逆變(biàn)器(qì)，采(cǎi)用(yòng)自(zì)發(fā)自(zì)用，餘電(diàn)上(shàng)網模式(shì)並入低(dī)壓(yā)電網(wǎng)，為數據中(zhōng)心提(tí)供(gōng)清潔能源(yuán)供(gōng)電，降(jiàng)低數(shù)據(jù)中心碳(tàn)排放。光(guāng)伏組(zǔ)件吸收(shōu)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化(huà)電(diàn)能(néng)的(dí)同時(shí)也將反(fǎn)射(shè)，折射太(tài)陽熱量，在(zài)屋(wū)頂(dǐng)形成(chéng)一個遮蔽結構，*大(dà)限度(dù)避(bì)免(miǎn)數(shù)據(jù)中心因(yīn)陽(yáng)光直(zhí)射造成熱量(liáng)聚集(jí)，有效降低建(jiàn)築物夏季空調能耗(hào)，進而(ér)減(jiǎn)少數(shù)據中(zhōng)心空(kōng)調能耗，預計光伏係統每(měi)年(nián)發(fā)電量40萬kWh。
3.7 其(qí)它應(yīng)用
安(ān)科瑞針對數據中心的能(néng)效產品(pǐn)除了(liǎo)能效管(guǎn)理係統(tǒng)和(hé)上(shàng)述(shù)電(diàn)能質量治(zhì)理(lǐ)裝置，蓄電(diàn)池監測，智能照明控製和(hé)分(fēn)布式(shì)光(guāng)伏外，還包括(kuò)高(gāo)低壓配電綜合(hé)保護(hù)和(hé)監測(cè)產品，電(diàn)能(néng)質量(liáng)在(zài)綫監(jiān)測裝置(A類(lèi))，智(zhì)能小母綫(xiàn)係統，精密配電櫃，電(diàn)氣消防類解決方案等(děng)。
4 結(jié)束(shù)語
隨著新(xīn)建的數據(jù)中心(xīn)越(yuè)來(lái)越多，政(zhèng)府(fǔ)對(duì)數據(jù)中(zhōng)心的(dí)要求(qiú)也越來越高，無論(lùn)是新(xīn)建的(dí)，還(huán)是(shì)已經運行(háng)多年(nián)的(dí)數據(jù)中(zhōng)心(xīn)都有(yǒu)必要通過技(jì)術手段來診(zhěn)斷數(shù)據中心(xīn)的能源利(lì)用(yòng)效率，找(zhǎo)到節能空間，確定適(shì)合(hé)本項(xiàng)目(mù)的節(jié)能改(gǎi)造方(fāng)法(fǎ)，從而提高(gāo)數(shù)據中心(xīn)PUE值(zhí)。Acrel-8000數據中心能效管理(lǐ)係統，加上安(ān)科(kē)瑞電(diàn)力(lì)監控，電能(néng)質(zhì)量監(jiān)測和治(zhì)理(lǐ)，蓄電(diàn)池監(jiān)測(cè)，智(zhì)能(néng)照明控(kòng)製和(hé)分布式(shì)光(guāng)伏(fú)等(děng)硬(yìng)件產品，結合空調(tiáo)控製的相(xiāng)關技術，幫助(zhù)數據中(zhōng)心提(tí)高能(néng)效(xiào)，減低(dī)碳排放，建造綠(lǜ)色，環(huán)保(bǎo)數據中心。
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