數(shù)據(jù)中心能耗分析

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1、數(shù)據(jù)中心能耗實(shí)例分析 前言：本文著重分析了影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素，從數(shù)據(jù)中心的空調(diào)、UPS、運(yùn)維等方面對(duì)其能耗進(jìn)行了綜合分析。本文認(rèn)為影響數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵因素是空調(diào)系統(tǒng)，并以2個(gè)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)為例，結(jié)合作者在數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維中的經(jīng)驗(yàn)，提出了數(shù)據(jù)中心節(jié)能的建議。 一、 數(shù)據(jù)中心節(jié)能的必要性 近年國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，金融、通信、石化、電力等大型國(guó)企、政府機(jī)構(gòu)紛紛建設(shè)自己的數(shù)據(jù)中心及災(zāi)備中心。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及移動(dòng)互聯(lián)概念的推出，大批資金投資到商業(yè)IDC的建設(shè)中。數(shù)據(jù)中心對(duì)電力供應(yīng)產(chǎn)生了巨大的影響，已經(jīng)成為一個(gè)高耗能的產(chǎn)業(yè)。在北京數(shù)據(jù)中心較集中的幾個(gè)地區(qū)，其電力

2、供應(yīng)都出現(xiàn)飽和的問(wèn)題，已無(wú)法再支撐新的數(shù)據(jù)中心。目前某些數(shù)據(jù)中心移至西北等煤炭基地，利用當(dāng)?shù)仉娏?yīng)充足、電價(jià)低的優(yōu)勢(shì)也不失為一個(gè)明智的選擇。 隨著數(shù)據(jù)中心的不斷變大，綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心已經(jīng)由概念走向?qū)嶋H。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時(shí)將PUE值列為一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，追求更低的PUE值，建設(shè)綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。例如，微軟公司建在都柏林的數(shù)據(jù)中心其PUE值為1.25。據(jù)最新報(bào)道Google公司現(xiàn)在已經(jīng)有部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的PUE降低到1.11。而我們國(guó)內(nèi)的PUE平均值基本在1.8~2.0，中小規(guī)模機(jī)房的PUE值更高，大都在2.5以上。我們?cè)跀?shù)據(jù)中心綠色節(jié)能設(shè)計(jì)方面與國(guó)外還存在很大差距，其設(shè)計(jì)思想

3、及理念非常值得我們借鑒。 根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，對(duì)于未采用顯著節(jié)能措施的數(shù)據(jù)中心，面積為1000平方米的機(jī)房，其每年的用電量基本都在500多萬(wàn)kWH左右。因此對(duì)于新建的大型數(shù)據(jù)中心，節(jié)能的必要性十分重要。 從各大數(shù)據(jù)中心對(duì)電力的需求來(lái)看，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為重要的高耗能產(chǎn)業(yè)而非“無(wú)煙工業(yè)”，建設(shè)綠色、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心急需從概念走向?qū)嶋H。 二、 影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素 數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題涉及到多個(gè)方面，主要因素當(dāng)然是空調(diào)制冷系統(tǒng)，但UPS、機(jī)房裝修、照明等因素同樣影響著數(shù)據(jù)中心的能耗，甚至變壓器、母線等選型也影響著能耗。例如，對(duì)UPS而言，根據(jù)IT設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷選擇合理的UPS容量，避

4、免因UPS效率過(guò)低而產(chǎn)生較大的自身?yè)p耗。同時(shí)，選擇更加節(jié)能的高頻UPS、優(yōu)化UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可起到節(jié)能的效果。 1、 UPS對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響 UPS主機(jī)的自身?yè)p耗是影響數(shù)據(jù)中心能耗的一項(xiàng)重要因素。提高UPS的工作效率,可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)。下圖為某大型UPS主機(jī)的效率曲線。從該曲線中可以看出，當(dāng)UPS負(fù)荷超過(guò)30%時(shí)UPS的效率才接近90%。很多數(shù)據(jù)中心在投運(yùn)初期IT負(fù)荷較少，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)負(fù)荷不足20%。在此情況下UPS的效率僅僅為80%左右，UPS的損耗非常大。因此，在UPS配置中盡量選擇多機(jī)并聯(lián)模式，避免大容量UPS單機(jī)運(yùn)行模式。例如，可以用兩臺(tái)300kVA UPS并聯(lián)

5、運(yùn)行的模式代替一臺(tái)600kVA UPS單機(jī)運(yùn)行模式。其優(yōu)點(diǎn)在于IT負(fù)荷較少時(shí)只將一臺(tái)300kVA UPS投入運(yùn)行，另一臺(tái)UPS不工作，待IT負(fù)荷增加后再投入運(yùn)行。這種UPS配置方案及運(yùn)行模式可以提高UPS效率，降低機(jī)房能耗。 2、供配電系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響 數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷非常巨大，并且有很多變頻設(shè)備例如冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、照明燈具等，這些變頻設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的諧波。此外，UPS、IT設(shè)備等也會(huì)產(chǎn)生很大的諧波。諧波對(duì)數(shù)據(jù)中心有非常大的危害，而且會(huì)增加能耗。對(duì)于用電負(fù)荷為1000kW的數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行諧波治理后，每年可節(jié)能100多萬(wàn)度電。 3、空調(diào)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響

6、據(jù)美國(guó)采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（ASHRAE）技術(shù)委員會(huì)9.9（簡(jiǎn)稱TC9.9）統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如下圖所示： 從上圖可看出，空調(diào)制冷系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總電量的近三分之一，是影響機(jī)房能耗的關(guān)鍵指標(biāo)。每個(gè)數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷的能耗存在很大差異，好的空調(diào)制冷方案可以極大降低能耗，降低PUE值。因此，本文以2個(gè)數(shù)據(jù)中心為例，著重分析空調(diào)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響。 三、 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)實(shí)例分析 1、 小型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗分析 以南方某數(shù)據(jù)中心為例，說(shuō)明小型數(shù)據(jù)中心的能耗。該數(shù)據(jù)中心2007年建成，IT機(jī)房總面積為530平方米，220個(gè)機(jī)柜。4臺(tái)120kVA UPS，

7、3用1備，每個(gè)機(jī)柜的平均功率為1.3kW。采用風(fēng)冷式精密空調(diào)制冷，配置10臺(tái)80kW顯冷量空調(diào)，8用2備。經(jīng)多年運(yùn)行，目前該機(jī)房負(fù)荷已接近滿載。該機(jī)房是在廠房基礎(chǔ)上改建而成，幾乎沒(méi)有采用任何節(jié)能措施，僅在改建過(guò)程中對(duì)樓板、墻壁、門窗等進(jìn)行加固、封閉及保溫處理。 該機(jī)房的年P(guān)UE值為2.68。每天的用電量約為1.3萬(wàn)kWH。 該機(jī)房原配置8臺(tái)精密空調(diào)，6用2備。機(jī)房建成后出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，經(jīng)分析后，確定由3個(gè)因素所致。其一，因機(jī)房層高較低，機(jī)房架空地板僅為350mm，扣除地板下的強(qiáng)度電纜線槽，有效靜壓箱高度很低，不利于氣流流動(dòng)。其二，該機(jī)房存在空調(diào)死角，氣流無(wú)法有效流動(dòng)。其三，空調(diào)室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)的

8、高度較大，超過(guò)20米，對(duì)額定制冷量有折減。為解決上述三個(gè)問(wèn)題，只能通過(guò)增加空調(diào)數(shù)量來(lái)解決。因此該機(jī)房的PUE值較高。 在這類機(jī)房中，機(jī)房風(fēng)冷式精密空調(diào)的能耗是影響該數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵指標(biāo)，因其房間結(jié)構(gòu)所限，造成精密空調(diào)的效率較低，也影響到數(shù)據(jù)中心的整體能耗較高。 2、 大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗分析 該數(shù)據(jù)中心總面積約為3000多平方米，2009年初開始正式投入運(yùn)行。在本項(xiàng)目中空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用了“Free Cooling”技術(shù)，在過(guò)渡季節(jié)利用壓縮機(jī)+自然風(fēng)冷卻運(yùn)行模式。在冬季則完全利用自然風(fēng)冷卻進(jìn)行板式換熱。在冬季及過(guò)渡季節(jié)，外界濕球溫度小于4℃時(shí)，采用“Free Cooling”運(yùn)行模

9、式，即冷水機(jī)組停止運(yùn)行，經(jīng)冷卻塔散熱后的冷卻水和從精密空調(diào)來(lái)的冷凍水在板式換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，將機(jī)房?jī)?nèi)的熱量帶走，此時(shí)冷卻塔起到冷水機(jī)組的作用。在此過(guò)程中僅冷卻塔的風(fēng)扇、水泵及精密空調(diào)等設(shè)備在耗電，冷水機(jī)組完全沒(méi)有耗電。在夏季及過(guò)渡季節(jié)當(dāng)外界濕球溫度高于4℃時(shí)，“Free Cooling”運(yùn)行模式已無(wú)法滿足數(shù)據(jù)中心制冷需求，此時(shí)冷水機(jī)組開始制冷，回到傳統(tǒng)的空調(diào)壓縮機(jī)制冷模式運(yùn)行。系統(tǒng)示意圖如下圖所示： 開式冷卻塔 板式換熱器 精密空調(diào) 冷水機(jī)組 作為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，冷凍站的設(shè)計(jì)是最重要環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目設(shè)置2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的制冷機(jī)房，每個(gè)冷凍機(jī)房有2臺(tái)3500KW（合1

10、000RT）的離心式冷水機(jī)組，3用1備。冷凍水供回水溫度設(shè)定為11℃/17℃?？紤]前期負(fù)荷較小，為避免離心式冷水機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)發(fā)生“喘振”現(xiàn)象，系統(tǒng)配置2臺(tái)400RT的螺桿式冷水機(jī)組。板式換熱器按冷凍水11℃/17℃ ,冷卻水 9℃/14℃進(jìn)行設(shè)計(jì)。 為實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式，冷凍水泵選擇了2種不同揚(yáng)程的變頻水泵以適應(yīng)“Free Cooling”運(yùn)行模式和冷水機(jī)組制冷模式。 本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯?？刂七壿嫷膬?yōu)劣直接關(guān)系的空調(diào)系統(tǒng)的能耗及系統(tǒng)安全。 在制定空調(diào)系統(tǒng)控制邏輯時(shí)，首先基于冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔的能耗數(shù)據(jù)及本地區(qū)的氣象條件，提出了合理的節(jié)能系統(tǒng)流程圖，并與假定

11、冷水機(jī)組全年運(yùn)行的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在理論上做出節(jié)能運(yùn)行分析。 其次，為了保證空調(diào)系統(tǒng)安全、節(jié)能運(yùn)行，控制邏輯分為夏季和冬季2種模式。在由冷水機(jī)組轉(zhuǎn)換到自然冷卻時(shí)，為了避免冷水機(jī)組發(fā)生低溫保護(hù)，必須首先開啟冷卻水管道的旁通閥，將冷卻水水溫提高，以便順利開啟冷水機(jī)組。 冬季自然冷卻時(shí)，冷卻塔處于低溫環(huán)境，而冷卻塔又必須供應(yīng)低于冷凍水溫的冷卻水（比如6-8℃的冷卻水），控制邏輯必須防止冷卻塔結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生。 根據(jù)近幾年的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本數(shù)據(jù)中心最遲從每年的11月下旬就可啟用“Free Cooling”運(yùn)行模式，一直可持續(xù)到第二年的3月底至4月中旬，即每年至少可使用4~4.5個(gè)月的免費(fèi)冷源，節(jié)

12、能效果非常顯著。 下表是該某數(shù)據(jù)中心的2010年7月份至12月份的用電量統(tǒng)計(jì)及相應(yīng)的PUE值。 時(shí)間 7月 8月 9月 10月 11月 12月 天數(shù) 31 31 30 31 30 31 總用電量 （度） 408,300 482,400 492,240 545,580 555,180 650,040 平均用電/天(度) 13,171 15,561 16,408 17,599 18,506 20,969 辦公用電、空調(diào)、UPS損耗及照明用電/天(度) 4,881 6,052 5,957 6,844

13、 4,829 5,186 UPS用電/天(度) 7,487 9,509 10,451 11,304 13,677 15,783 PUE值/天 1.76 1.64 1.57 1.56 1.35 1.33 從上表可知，8月份 IT設(shè)備的負(fù)荷比7月份有所增加，因此8月份的PUE值比7月份略有降低。9、10月份平均氣溫低，此時(shí)冷卻水溫度較低，冷水機(jī)組效率得以提高，因此9、10月份的PUE值比7、8月份PUE值明顯偏低。因當(dāng)年11、12月份的氣溫較低，該系統(tǒng)已完全具備FREE-COOLING運(yùn)行模式所需的條件，冷水機(jī)組壓縮機(jī)已停止工作不再耗電。

14、因此，此時(shí)雖然UPS的用電量在逐步加大，但空調(diào)的用電量卻比7、8、9、10月份的用電量還要低，PUE值從1.76降低到1.33，節(jié)能效果非常巨大。 3、 數(shù)據(jù)中心水處理系統(tǒng)與能耗的關(guān)系 大型數(shù)據(jù)中心通常采用冷水機(jī)組作為機(jī)房冷源，因此數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)（冷卻水及冷凍水）對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言極為重要，其安全可靠性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行。不僅如此，水質(zhì)也直接關(guān)系到節(jié)能的問(wèn)題，例如北京地區(qū)水質(zhì)較硬，當(dāng)水系統(tǒng)中的結(jié)垢現(xiàn)象很嚴(yán)重時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的能耗也隨之增加。 冷卻水與空氣接觸進(jìn)行熱交換的同時(shí)也將空氣中的污染物帶入系統(tǒng)，進(jìn)而會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行?？照{(diào)的冷卻水系統(tǒng)易受到結(jié)垢，腐蝕，污垢，微生物等問(wèn)題的困擾。

15、其主要原因是冷卻塔在通過(guò)水的蒸發(fā)將熱量帶走的同時(shí)，水中的離子濃度會(huì)不斷升高，進(jìn)而會(huì)加劇系統(tǒng)設(shè)備和管道的結(jié)垢、腐蝕。另外，在滿足一定的溫度、陽(yáng)光、空氣等條件時(shí)，水中會(huì)滋生很多微生物，微生物的存在會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)備和管道的正常運(yùn)行。 在空調(diào)專業(yè)上將冷卻水出水溫度與制冷劑的冷凝溫度之差稱之為冷凍機(jī)趨近溫度。當(dāng)冷水機(jī)組內(nèi)的銅管干凈時(shí)，該差值小也即趨近溫度低；反之，當(dāng)銅管有水垢粘附時(shí)，差值大也即趨近溫度高。趨近溫度越高，空調(diào)壓縮機(jī)需要額外多做功壓縮制冷劑，產(chǎn)生額外的電耗。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中的統(tǒng)計(jì)，趨近溫度每增加1℃，冷水機(jī)組即增加3%的能耗。此外，當(dāng)趨近溫度達(dá)到7℃時(shí)，會(huì)對(duì)冷水機(jī)組的運(yùn)行造成非常大的危險(xiǎn)。因此

16、實(shí)時(shí)的檢測(cè)水系統(tǒng)的水質(zhì)并自動(dòng)進(jìn)行加藥處理對(duì)數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)尤為重要。 水系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)加藥設(shè)備通過(guò)在線的、實(shí)時(shí)的控制，可以嚴(yán)格地控制水的電導(dǎo)率，控制電導(dǎo)率在合理范圍內(nèi)，根據(jù)電導(dǎo)率大小自動(dòng)控制排污閥的開或關(guān)，使補(bǔ)水量更精確，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。下面以實(shí)例說(shuō)明自動(dòng)水處理系統(tǒng)在節(jié)電、節(jié)水方面所取得的效果。 某數(shù)據(jù)中心在采用自動(dòng)水處理系統(tǒng)前遭遇冷凍機(jī)組結(jié)垢、微生物滋生等問(wèn)題困擾，造成趨近溫度升高，最高時(shí)達(dá)到6.5℃，產(chǎn)生了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)自動(dòng)處理系統(tǒng)后，現(xiàn)趨近溫度穩(wěn)定在1℃以下。在處理前，冷水機(jī)組耗電量為202kw。處理后，在相同的負(fù)荷下，耗電量降為170kw。在采用“Fre

17、e cooling”技術(shù)的前提下，冷水機(jī)組每年運(yùn)行7.5個(gè)月計(jì)算，則一年節(jié)約用電為： （202-165）kW * 24h * 225d =199800 kWh。 四、 數(shù)據(jù)中心運(yùn)維能耗分析 1、提高機(jī)房環(huán)境溫度。國(guó)內(nèi)機(jī)房運(yùn)行溫度普遍偏低。我國(guó)關(guān)于機(jī)房的國(guó)標(biāo)規(guī)定，A級(jí)機(jī)房的溫度為23℃~24℃。通常情況下機(jī)房管理人員將此溫度設(shè)為機(jī)房精密空調(diào)的回風(fēng)溫度。那么，精密空調(diào)的出風(fēng)溫度通常是18℃~19℃。但隨著芯片技術(shù)的不斷提高，芯片耐高溫性能也在不斷更新，IT設(shè)備可正常運(yùn)行的溫度也在不斷地提高。國(guó)外有越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)和管理人員將機(jī)房精密空調(diào)的出風(fēng)溫度設(shè)置到27℃。據(jù)估算，制冷參數(shù)變化1℃，

18、可能會(huì)產(chǎn)生5%~10%的能耗變化。此外，提高機(jī)房環(huán)境溫度還可以延長(zhǎng)節(jié)能裝置（例如“Free Cooling”免費(fèi)冷源）的使用時(shí)間，提高精密空調(diào)送風(fēng)溫度和提高冷凍水出水溫度。 2008年ASHRAE給出了推薦的機(jī)房環(huán)境溫度，如下圖所示。圖中紅色線條區(qū)域?yàn)橥扑]的環(huán)境溫度。在最新的白皮書《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南（thermal guidelines for data processing environments）》中，該溫度又有了提高。ASHRAE所給出機(jī)房環(huán)境溫度是經(jīng)過(guò)國(guó)際上主流IT設(shè)備供應(yīng)商確認(rèn)的，也就是說(shuō)該機(jī)房環(huán)境溫度并不與IT設(shè)備供應(yīng)商的要求相抵觸。 2、UPS節(jié)能運(yùn)行。在市電供電

19、質(zhì)量好的情況下，將UPS主機(jī)運(yùn)行在旁路模式，使逆變器處于“休眠”狀態(tài)，但當(dāng)市電不滿足要求時(shí)，逆變器迅速投入工作。這種工作模式可以有效的降低UPS自身?yè)p耗。 3、嚴(yán)格有效的數(shù)據(jù)中心管理可以極大的降低能耗，根據(jù)機(jī)房IT負(fù)載的變化及時(shí)調(diào)整精密空調(diào)的運(yùn)行數(shù)量，調(diào)整風(fēng)口地板出風(fēng)面積，安裝機(jī)柜盲板等措施。 五、 結(jié)束語(yǔ) 大型數(shù)據(jù)中心的能耗在不斷的增加，從保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源的角度出發(fā)，國(guó)家應(yīng)采取措施規(guī)范大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，對(duì)大型數(shù)據(jù)中心采取相應(yīng)的政策加以限制和引導(dǎo)。 我們?cè)诖罅Τ珜?dǎo)節(jié)能減排，少開車，綠色出行等健康節(jié)能的生活方式，殊不知不加節(jié)制的網(wǎng)絡(luò)瀏覽、網(wǎng)絡(luò)游戲也是一種浪費(fèi)能源。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商為了追求快速瀏覽，需要安裝大量的服務(wù)器，這些服務(wù)器無(wú)時(shí)無(wú)刻不在耗費(fèi)大量的水、電等寶貴能源。你可能想象不到，在我們進(jìn)行輕松聊天、視頻的時(shí)候，你也在浪費(fèi)著能源，產(chǎn)生著二氧化碳。