數據中心能源利用效率的優化方法研究

1概述

隨著新一輪信息技術革命和產業變革快速發展，數字經濟異軍突起，成為推動全球經濟迅速恢復和穩健增長的“發動機"。作為數字經濟的“底座"，數據中心市場規模將達5,952億元。

圖12014—2025年我國數據中心市場規模與增速預測

我國數據中心將成為未來為數不多能源消耗占社會總用電量和碳排放量比例持續增長的行業，給全社會能源供應和環保帶來了巨大壓力。

圖22015-2018年中國數據中心機柜數量

2021年工信部發布的《“十四五"信息通信行業發展規劃》專門設置了“綠色節能"類別的發展指標。工信部指出，到2025年底，我國新建大型和超大型數據中心有較大的節能改造空間。

2數據中心能耗分析

數據中心一般由電網為其提供穩定電源，能源消耗主要可分為以下4個部分，能耗情況如圖3所示。

（1）IT設備：包括服務器、存儲設備和網絡通信設備等，為用戶提供信息處理和存儲、通訊等服務系統，耗能占45%。

（2）制冷系統：為IT設備運行需要提供穩定的溫、濕度環境，主要包括：空調、冷源設備，送回、風系統，耗能占40%。

（3）電氣系統：主要為UPS系統及其他輔助照明等，耗能占5%。

（4）其他：主要為供配電系統等，耗能占10%。

圖3數據中心主要能耗構成

3數據中心節能措施

由于數據中心能耗高，因此，在技術選擇上，可采取多種技術措施，目的是能夠有效的提高能源利用效率，降低能耗。

3.1電力供應

數據中心尋求替代傳統供電模式。

3.2數據中心電氣節能技術

3.2.1節能設備

制冷主機采用高效變頻水冷離心冷水機組，有效節約運行費用，降低能耗。變頻機組在過渡季節、部分負荷時提高運行效率，可顯著達到降低系統運行費用。

定頻泵無法根據負載變化動態調整水量，從而無法節能，如果采用變頻調速控制的水泵，將可以根據不同負荷和工況進行調整，從而實現節能。控制水泵的輸送能耗，關鍵是控制水泵的變頻，滿足循環流量的情況下，盡量減少不必要的耗電。

水泵變頻節能的理論依據：

P2＝P1(n2/n1)3＝P1(f2/f1)3

P1＝電機額定功率kW

P2＝實際工作頻率下的輸出功率kW

n1＝額定轉速

n2＝實際轉速

f1＝額定工作頻率，一般為50Hz

f2＝實際工作頻率Hz

由上式可知，水泵耗電功率與頻率成三次方關系，節能空間巨大。

變頻變流量控制是針對數據中心中節能效果更為明顯。

3.2.2分布式儲能UPS系統

UPS的作用是在市電電源中斷、柴油發電機組啟動前，確保負載持續供電，因此，UPS系統包含了儲能設備，如蓄電池或飛輪。此外，還具有隔離市電側浪涌、電壓驟升驟降等作用。

在絕大多數數據中心，UPS系統損耗可占IT設備能耗10%以上。UPS系統按照系統大負載功率設計。實際上，大部分時間的真實負載功率達不到大負載功率的需要，真實負載與額定負載的比例越小，UPS能效越低。因此，提高UPS系統可靠性，降低其損耗，就成為UPS系統架構演變的主旋律。

傳統集中式UPS系統弊端明顯，單點失效、備用UPS增加了系統成本、能效差。分布式儲能UPS系統由電源模塊、控制模塊和鋰電池模塊組成的數千瓦至50MW的小型模塊，不但增加了系統可靠性、可擴展性和電源管理靈活性。同時根據用戶設備進入時間，分批建造，減少空載或輕載時間。

3.3數據中心制冷節能技術

3.3.1提高冷凍水供回水溫度及溫差

提高冷凍水供回水溫度，可以提高冷凍機的運行效率，同時可以增加自然冷卻時間。制冷機組冷凍水出水溫度每提升1℃可節能3%～5%，變頻離心機組冷凍水出水溫度每提升1℃可節能4%～6%，節能效果明顯。

圖4為在不同的出水溫度條件下，冷水機組的制冷量與用電功率的典型關系。

圖4不同出水溫度，冷水機組制冷量與用電功率關系

可以看出，隨著冷水機組的出水溫度的提升，對應著的制冷量和用電功率都在增加，但發現制冷量的增幅更大，簡單來說，隨著冷水機組出水溫度提升，將可以用更少的電力消耗提供更多的制冷量。提高冷水機組的出水溫度即提高末端空調的供水溫度，它引申出的另一個好處是能夠大限度利用室外冷源進行自然冷卻。

3.3.2提高空調機組的送回風溫度

提高空調機組的送回風溫度，可以通過精密空調機組設定，保證精密空調的運行效率，降低不必要的過度制冷的能源浪費。

3.3.3間接蒸發制冷系統

目前數據中心能耗，如何應對大型制冷系統復雜化、提升交付速度，存在非常廣闊的研究空間和研究價值。

目前，自然冷卻技術一般有水側自然冷卻、風側自然冷卻等。風側自然冷卻與水側自然冷卻相比，效率更高、運行天數更長。風側自然冷卻系統換熱更直接，可利用的環境氣溫更高，故全年可利用天數更多。以間接蒸發供冷技術為例，機房25℃送風情況下，環境溫度小于19.4℃即可進行自然冷卻，而水側自然冷卻環境溫度至少要降到12℃以下。

在中國東部地區采用間接蒸發冷卻空調，自然冷卻時間可達6000小時，而在西北地區能達8000小時以上。與傳統空調水側自然冷卻相比，間接蒸發制冷效率更高、可利用自然溫度的時間更長。

在中國東部地區采用傳統水側自然冷卻，自然冷卻時間一般小于4000小時。故在中國東部地區，采用間接蒸發冷卻空調的自然冷卻時間比傳統空調水側自然冷卻的時間全年多出大約2000h小時左右，節能效果可觀，對降低全年平均PUE值意義重大。

3.3.4采用液冷技術

液體技術是采用液體作為工質，為發熱元件換熱。液冷分為非接觸式液冷、接觸液冷兩大類，服務器液冷分為冷板、浸沒、噴淋三大液冷技術方向。冷板式液冷是采用冷板組件與高熱流密度元件接觸，發熱量經由冷板組件中的冷卻介質導出，再經由一個或多個冷卻回路熱交換傳遞，終將設備熱量散發到外環境或進行回收利用的一種液冷實現方式。浸沒式液冷是將服務器浸沒在冷媒（冷卻液）中，依靠液體流動循環帶走熱量。

液冷技術相比傳統風冷技術在散熱效率、能源利用率等方面具備顯著優勢，而隨著數據中心向著高密高電的方向發展，傳統的風冷技術已經不能滿足其散熱需求。采用液冷技術也將成為大的趨勢。

3.4其他節能技術

3.4.1余熱利用

數據中心遵循密度越來越高的趨勢，產生的熱量也越來越多。

如果利用熱泵技術將數據中心PUE，還能有效幫助用戶降低用熱成本。

3.4.2能源管控平臺

通過構建能源管控平臺，實現多能流，多時空的能源數據監測和統計，在保證系統安全穩定、供需匹配為前提，實現對數據中心的數據接入、能效分析、能源監控與調度優化，保證能源系統的穩定、經濟運行，通過能源系統的分級調度與控制，降低能源成本、提高能源的綜合利用水平，大限度的節能運行。

綜合能源管控系統從不同維度實現統一集中監控、能源運行管理、能源系統運行優化的功能。具體內容可為：

（1）能源系統集中監控：包括數據采集與處理、事件及報警處理、實時運行監控和專題場景監控；（2）能源運行管理：包括能源指標分析、供能質量分析、綜合指標報表、綜合調度運行；（3）能源系統運行優化：包括網絡化建模、供需平衡分析等協同優化。綜合能源管控平臺的建設，將對數據中心帶來以下效益：

①降低能源成本

數字化綜合能源管控平臺，基于輸入的能源系統子模塊歷史數據，以及運行時實時監控數據，利用經過訓練的模型，根據經濟性佳的優化目標進行仿真分析，終得到綜合能源系統設計方案及各機組容量，及運行期間響應實時能源需求的實時策略，大精度地保證整體系統經濟性優，將能源成本從數學模型分析的角度，降低。

②提高能源效率

在獲得大量的能源系統模塊負荷數據的基礎上，充分發揮能源系統內各模塊的作用，根據消耗對電、熱、冷等供能質量的需求，生成關鍵能源質量指標。

通過調度，耦合，在保證匹配各種能源實時負荷的前提下，通過調度不同的能源模塊，從系統層次提高整體能源使用效率，增加能源供應管理，避免能源浪費。

③提高能源系統可靠性

可以根據系統運行的動態情況，進行運行集中監控，對可能出現的異常進行預警，及時下發新系統運行策略，保證用戶端負荷匹配。同時可設計專題場景，便于運維管理人員可以便捷、容易獲取相關監控信息，分析結果。

4安科瑞能耗統計分析（能源管理）解決方案

4.1能效管理解決方案介紹

建立高效的能耗監測管理系統，對建筑各類耗能設備能耗數據進行實時測量，對采集數據進行統計和分析。能夠合理的確定各區域建筑能耗經濟指標及績效考核指標，發現能源使用規律和能源浪費情況，提高人員主動節能的意識。

①　搭建數據中心智慧能源管理系統的基本框架，對各個用能環節進行實時監測；

②　排碳數據化：通過系統可實現建筑單位內人均能耗分析（包括水、電、能量），實現低碳辦公數據化；

③　區域能效比：實現建筑單位內區域能耗對比，方便能耗考核；

④　同期能效比：實現同年、同期、同一區域能耗對比，方便節能數據分析；

⑤　能耗評估管理：按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭排名：各個功能區能耗對比，實現能耗排名，增強工作人員的節能意識；

⑦　對能耗的使用數據進行綜合的分析、統計、打印和查詢等功能，并根據能耗監測管理系統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據；

⑧　能耗數據采集，隨時查詢，并根據采集數據進行統計分析，監測異常能源用量，對能源智能儀表故障進行報警，提高系統信息化、自動化水平。

4.2能源管理系統硬件配置

5結語

隨著低碳減排的持續推進，特別是在我國“雙碳"目標已確立的大背景下，數據中心行業更早實現碳中和及綠色節能的目標。

【參考文獻】 

【1】 宋卓昭,申珉宇."中國制造2025"為電信業帶來新機遇[J].中國聯通研究院,2016（4）:20-21

【2】 左蔚.分布式UPS在數據中心中的運用[J].科技經濟市場,2021(6):27-28

【3】 王啟.數據中心節能措施探析,中節能工業節能有限公司

【4】 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版