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浅谈新基建时代数据中心节能技术发展及应用
时间:2020-09-28       来源:CCDC       分享:

摘要:随着数据中心体量和规模的增长,信息技术服务业发展重心也逐渐从追求规模速度向注重产业发展质量转变。因此,本文从数据中心节能技术应用的现状及问题出发,结合体彩自身数据中心节能技术应用及管理的实际情况,详细介绍了体彩数据中心在提升数据中心节能管理水平的具体措施和方法,希望能对其他数据中心节能管理提供一定的思考和帮助。

关键词:数据中心;绿色节能;节能降耗;节能技术应用



一、引言


今年,国家发展改革委员会明确加快“新基建”发展多个省市区陆续发布新基建政策,各地中国数据中心产业迎来了新的发展机遇和新的窗口期,引起行业内普遍关注。

随着云计算、5G、大数据中心、人工智能、工业互联网、AI技术等应用的快速发展,数据中心能源及资源消耗问题日益突出,国家和行业对于数据中心节能要求越来越高;包括在刚发布的北京新基建方案中,也提到“加强存量数据中心绿色化改造”。

可见,在新建及使用过程中要求数据中心最大限度降低资源及能耗成本,使数据中心达到最佳运营状态将是一个普遍的诉求,节能技术应用将成为未来数据中心发展的关键因素。


二、数据中心能耗现状及分析


在数据中心规划建设初期,大多数数据中心规划建设采用“一步到位”的方式,导致设备利用率较低;过度冗余,导致前期投入较大,维护成本较高。随着数据中心建设的快速发展,数据中心能耗问题日益突出。据了解大多数数据中心在运行过程中会出现以下几种情况:

1.供配电系统:大部分数据中心供电引自当地供电部门不同的母线段,提供两路专用供电电路,配置柴油发电机作为后备电源。不间断电源系统采用完全独立UPS系统的组成双总线供电,两路供电系统中的所有设备互为备用。精密列头柜为后端IT设备提供双路冗余供电保障。在实际运行4-5年后,供配电系统的实际带载量不足设计容量的30%。

2.暖通空调系统:大型数据中心机房制冷形式根据冷却方式的不同分为风冷式、水冷式两种。按照国标A级机房建设标准,其中风冷式空调配置方式一般为N+1冗余;水冷式空调保障系统的可靠、稳定运行配置方式一般为冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵分水器、集水器、主管路1+1冗余。早期数据中心规划设计的容量在短时间内很难达到设计容量,且制冷系统未规划智能控制等。若通过人工对制冷系统进行管理,必然造成制冷量的过度冗余,造成不必要的能源浪费。

根据某数据中心用电量数据(见表1)可以看出国内大多数数据中心空调系统占比数据中心全年用电量的48.71%;机房IT设备占比数据中心全年用电量的48.91%,其他设备电费2.38%,国内大多数数据中心机房PUE值基本位于1.8-2.5之间。


表1 某数据中心用电量数据

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三、  数据中心节能趋势及节能策略


1.  节能发展趋势

数据中心建设应从数据中心全生命周期的角度考虑设备设计参数及后期运营维护成本,尽可能减少数据中心资源投入,充分响应国家及各地区关于绿色节能减排的号召。并结合系统智能化、设备智能化、运维智能化等长远发展进行规划设计,利用数据中心系统智能化管理平台,达到标准化管理、智能化管理,通过智能调控手段,控制设备运行状态、机房温、湿度等提升能源利用率。

2.  节能策略

(1)  利用高压直流技术:高压直流供电技术作为一种不间断电源已经初具规模。采用UPS系统供电,IT服务器电源通过AC-DC模块将220V交流转换成直流,在经DC-DC模块转换为对应的直流电压。高压直流减少了AC-DC转换损耗,达到节能效果。高压直流电池直挂母线,当市电故障时,蓄电池可直接为后端IT设备提供直流电源,不需要任何转换,在供电架构上采用一路市电、一路高压直流的双母线供电方式,避免供电设备过度冗余,既减少了供电系统的投资,也降低了运行能耗。

(2)  模块化:将机柜、制冷、不间断电源、消防、照明、监控布线、安防、等集中至一起能够快速安装、快速部署,且减少前期资金投入,后期可根据实际运行容量增减模块数量,达到提高功率因数且降低能耗的效果。

(3)  高频UPS系统:高频UPS输入功率因数高(大于0.99)、效率高,具有智能轮休功能,在IT负荷较低时,采用智能轮休,提高UPS系统高效率。而UPS工频机输入功率因数约为0.8-0.9,最高时也时在0.95以下。以功率因数0.85为标准值参考,UPS功率因数由0.85降到0.6,则电费上升15%,若提高至0.95以上,则电费降低1.1%。


表2 功率因数与电费相关

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(4)  LED+智能控制:数据中心机房照明在可以达到国家照度标准的前提下LED灯具将比传统荧光灯节能50%左右。并且日光灯(T8)的寿命8000小时, LED灯管的寿命约50000小时,通过对比可以看出,LED灯管的寿命是普通日光灯的寿命5-7倍,可以降低使用成本的同时也可降低更换备件的人力成本。并且加入智能控制如:时间控制、区域控制、红外控制、光感控制等,利用多种控制方式可以实现更加节能效果。

(5)  热管空调系统:通过室内、外的温差使得冷媒发生的气、液态相变,从而将室内热量传递到室外,带走室内热量,达到换热效果。此过程热量传输是无源运动,能耗较小。

(6)  氟泵空调系统:依靠氟泵对制冷剂进行动力循环。在夏季制冷时,当室外温度比较高时,进行机械制冷系统,压缩机正常工作。当室外温度低于室内温度5℃~7℃时,运行氟泵制冷系统,此时压缩机停止工作,依靠氟泵将温度比较低的制冷剂输送到蒸发器,给数据中心提供冷量。氟泵热管空调利用氟泵进行动力循环后,室内外机距离更远。由于氟泵功率远小于压缩机功率,在相同制冷量的前提下,氟泵的能效比远高于制冷压缩机,从而达到降温节能的效果。

(7) CO? 载冷技术:应用于数据中心制冷系统,用更环保、相变潜热大载冷能力更强、粘度小流动性更好的二氧化碳代替水、氟利昂等介质,提高系统热力学完善度,实现对数据中心的高效冷却。制冷侧采用R134a,经一次换热后,由CO? 将冷量输送至机房内,实现服务器的高效冷却。同时,在系统内设置了多处在线监测点,对系统的运行情况进行实时分析和预警;系统切入自动运行模式后,可实现无人值守,并实现远程云平台监控等。



四、体彩在数据中心节能方面的措施和方法


1.调整运行方式(UPS系统):数据中心两套UPS系统,每套4台500KVA UPS带载率20%计算,通过改变UPS系统运行方式,每套UPS各退出2台UPS设备(共4台UPS设备),调整后每套UPS带载率由20%增加至40%,当一套UPS系统失电后另一套UPS系统仍可承载所有负载,为IT设备提供并机双母线供电保障。通过UPS效率曲线计算,每年节电约200万度。

2.通过调整运行方式(暖通空调系统):按数据中心机房室内回风工况24℃ 50%RH时(GB19413-2010国标室内回风工况),机房精密空调的典型能效比约为3.4。北京地区使用时,100kW传统机房专用空调全年不间断运行时各温度区间耗电量计算,单台精密空调年耗电量约为22万度,通过对运行方式合理调整可有效降低制冷能耗。


表3 合理调整运行方式可有效降低制冷能耗

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计算公式: 

a制冷功率=总冷量/能效比;b耗电量=制冷功率*小时数


3. 数据中心内、外封堵:对数据中心强电弱电管路线槽、活动地板下、空调管路及机房间相穿空洞封堵,通过封堵可避免内外空气无序流动,使机房内冷风有效利用。封堵是一种十分有效且价格低廉,也比较容易实施的方法,从以往的经验看,漏风严重的机房在实施封堵后,节能效果显著,甚至能停开一台空调机。

4. 气流组织优化:机房内设备发热量小、进风量大,会造成冷量浪费。设备发热量大、进风量小,则会造成设备持续发热,产生局部热点。通过测量机房、冷通道内设备发热量、风量调整通风地板的数量,为IT设备精准送风,提高机房的节能率。


五、总结


事实上,如果在数据中心建设阶段、设备选型选用节能产品还是远远不够的,还应在运维阶段充分利用智能化以及节能手段来达到的节能效果。


作者简介

孟宪龙,现任中体彩科技发展有限公司技术运行中心基础设施高级工程师。12年数据中心基础设施运维管理经验,主要负责体彩数据中心配电系统及柴油发电机系统运行管理,参与数据中心规划建设等工作。

李展,现任中体彩科技发展有限公司技术运行中心基础设施高级工程师。10年数据中心基础设施运维管理经验,主要负责体彩数据中心暖通系统及节能技术应用工作,参与数据中心规划建设等。

王天明,现任中体彩科技发展有限公司技术运行中心基础设施高级工程师。10年UPS厂家技术服务经验,主要负责体彩数据中心低压配电系统及UPS系统运行管理,参与数据中心规划建设等工作。


【转载请联系协会秘书处】



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