焦華棟 張晟 陳攀登

中移系統(tǒng)集成有限公司 北京 100052

1 數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀

能耗管理對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，猶如一條呈正態(tài)分布的長(zhǎng)尾曲線。曲線的頭部由IT設(shè)備能耗、空調(diào)能耗、電源能耗、建筑、消防及智能化能耗等“大指標(biāo)”組成，曲線的尾部則是由機(jī)柜位置部署、氣流組織分布、機(jī)柜距離以及系統(tǒng)維護(hù)管理等無(wú)數(shù)“小指標(biāo)”組成[1]。數(shù)據(jù)中心既要滿足高度集中的需求，又要承擔(dān)綠色環(huán)保的義務(wù)。因此，如何提升能源使用效率，打造高效節(jié)能的數(shù)據(jù)中心，成為數(shù)據(jù)中心維護(hù)者的最終目標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗影響因素

2.1 空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析

通常，空調(diào)設(shè)備能耗比例為：冷水機(jī)組占55%-70%，循環(huán)水泵占15%-20%，冷卻塔5%-10%，末端空調(diào)等動(dòng)力設(shè)備占15%-25%。以某數(shù)據(jù)中心為例，制冷系統(tǒng)能耗是數(shù)據(jù)中心的第二大能耗，約為24%，其次是電源系統(tǒng)，約為數(shù)據(jù)中心總能耗的10%，照明及智能化等能耗占比小于1%。可見(jiàn)，降低數(shù)據(jù)中心PUE最有效的方法是提高數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能效。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)制冷能效因子

數(shù)據(jù)中心制冷能效因子CLF是在單位IT負(fù)載上消耗的制冷所用電能，計(jì)算公式如下：

式中：Q冷機(jī)為冷水機(jī)組耗電，Q水泵為水泵耗電，Q冷塔為冷卻塔耗電，Q末端為機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)設(shè)備末端耗電，Q新風(fēng)為新風(fēng)機(jī)組耗電，Q補(bǔ)水為補(bǔ)水設(shè)備耗電。

綜上，影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的因素包括冷水機(jī)組、循環(huán)水泵、冷卻塔、末端空調(diào)、新風(fēng)機(jī)組及補(bǔ)水泵等動(dòng)力設(shè)備[2]。其中，冷水機(jī)組能耗占比最高，是空調(diào)系統(tǒng)的能耗核心；其次是末端空調(diào)能耗，具有很大節(jié)能潛力。以下結(jié)合制冷系統(tǒng)的能效因子，提出多種優(yōu)化方案提升空調(diào)設(shè)備的能效，降低數(shù)據(jù)中心PUE。

3 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

3.1 自然冷源的充分利用

北方數(shù)據(jù)中心多采用開(kāi)式板式換熱器+冷卻塔間接利用自然冷源的方式，在冬季和過(guò)渡季室外溫度較低的時(shí)間段不開(kāi)啟冷水機(jī)組，利用板式換熱器、冷卻塔與室外冷空氣換熱獲得冷量。

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的制冷運(yùn)行模式分為3種：

（1）當(dāng)t＞10℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)采用水冷機(jī)組制冷模式；

（2）當(dāng)6℃＜t＜10℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)采用水冷機(jī)組+板式換熱器制冷模式；

（3）當(dāng)t＜6℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)采用自然冷卻模式。

3.2 提升空調(diào)系統(tǒng)冷凍水溫度

在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組冷凍水的設(shè)計(jì)供水溫度為10-12℃。即使在數(shù)據(jù)中心負(fù)載量較低（30%-40%）的情況下，冷機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流百分比達(dá)到50%-72%，此時(shí)冷機(jī)制冷能效比EER非常低，不僅能耗嚴(yán)重浪費(fèi)，還造成了設(shè)備損耗[3]。因此，冷水機(jī)組的功耗是節(jié)能的關(guān)鍵。

理論分析可知，冷機(jī)供水溫度由冷機(jī)蒸發(fā)器中冷媒的蒸發(fā)溫度和壓力決定，兩者成正比關(guān)系。冷機(jī)壓縮機(jī)是冷機(jī)的耗能主體，蒸力與冷凝壓力的差值決定著它做功的多少。蒸發(fā)壓力提升發(fā)壓，冷凝壓力不變，兩者的差值變小，壓縮機(jī)做功也會(huì)減少。因此，提高冷機(jī)冷凍水出水溫度，能有效降低冷機(jī)的工作能耗。騰訊數(shù)據(jù)中心冷水機(jī)組實(shí)驗(yàn)研究表明：在冷機(jī)能耗相同的情況下，冷凍水供水溫度每提高1℃，冷水機(jī)組產(chǎn)冷量增加3%。同理，當(dāng)制冷量一樣時(shí)，冷凍水供水溫度每提高1℃，冷機(jī)自身能耗將減少3%。呼和浩特地區(qū)冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間為5-9月，當(dāng)制冷負(fù)荷為50%時(shí)，將冷凍水溫度從12℃提升至15℃，以此比較對(duì)應(yīng)溫度下的耗電量。經(jīng)測(cè)算，可得全年可節(jié)省電量約22%?？梢?jiàn)，供水溫度的提升，對(duì)冷機(jī)系統(tǒng)節(jié)能意義重大。

3.3 提高末端空調(diào)送風(fēng)溫度

數(shù)據(jù)中心通常將機(jī)房環(huán)境控制在20℃，不僅會(huì)出現(xiàn)過(guò)度冷卻產(chǎn)生冷凝水，而且造成能源浪費(fèi)，因此合理設(shè)定機(jī)房空調(diào)的溫度尤其重要。理論研究表明：末端空調(diào)的蒸發(fā)溫度相應(yīng)提高，制冷系數(shù)提高，機(jī)房回風(fēng)溫度每提高1℃，機(jī)房空調(diào)的耗電量能節(jié)約2%-5%。隨著服務(wù)器功能的提升，IDC機(jī)房環(huán)境溫度可以提升至28℃。為驗(yàn)證該理論，中國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)中心自2018年2月起，以20℃為基準(zhǔn)，每月將環(huán)境溫度提升1℃，直至溫度達(dá)到28℃，以此測(cè)試每月的耗電量變化趨勢(shì)。分析耗電量數(shù)據(jù)可知：通過(guò)提高末端空調(diào)出風(fēng)溫度，將機(jī)房環(huán)境溫度由20℃提升至28℃，能耗可降低21%。可見(jiàn)，提高末端空調(diào)送風(fēng)溫度可以有提升空調(diào)能效。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著云計(jì)算技術(shù)的大發(fā)展，數(shù)據(jù)中心越來(lái)越多呈現(xiàn)出高度集成、高耗能的特點(diǎn)，需要行之有效的能耗管理。因此，在保證空調(diào)系統(tǒng)高可用性的同時(shí)，提高了末端空調(diào)運(yùn)行維護(hù)效率，對(duì)最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。