淺談數據中心節能措施探析與研究

hth下载地址 陳聰

摘要：數據中心向綠色化、節能化發展提供參考借鑒。

關(guan) 鍵詞：數據中心；能耗；節能措施

1概述

隨著新一輪信息技術革命和產(chan) 業(ye) 變革快速發展，數字經濟異軍(jun) 突起，成為(wei) 推動全球經濟迅速恢複和穩健增長的“發動機”。作為(wei) 數字經濟的“底座”，數據中心市場規模將達5,952億(yi) 元。

圖12014—2025年我國數據中心市場規模與(yu) 增速預測

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

圖22015-2018年中國數據中心機櫃數量

2021年工信部發布的《“十四五”信息通信行業(ye) 發展規劃》專(zhuan) 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(wei) 其提供穩定電源，能源消耗主要可分為(wei) 以下4個(ge) 部分，能耗情況如圖3所示。

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

（2）製冷係統：為(wei) 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、風係統，耗能占40%。

（3）電氣係統：主要為(wei) UPS係統及其他輔助照明等，耗能占5%。

（4）其他：主要為(wei) 供配電係統等，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

由於(yu) 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(chuan) 統供電模式的*選。

3.2數據中心電氣節能技術

3.2.1節能設備

製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，可顯著達到降低係統運行費用。

定頻泵無法根據負載變化動態調整水量，從(cong) 而無法節能，如果采用變頻調速控製的水泵，將可以根據不同負荷和工況進行調整，從(cong) 而實現節能。控製水泵的輸送能耗，關(guan) 鍵是控製水泵的變頻，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(wei) 50Hz

f2＝實際工作頻率Hz

由上式可知，水泵耗電功率與(yu) 頻率成三次方關(guan) 係，節能空間巨大。

變頻變流量控製是針對數據中心中節能效果更為(wei) 明顯。

3.2.2分布式儲(chu) 能UPS係統

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係統包含了儲(chu) 能設備，如蓄電池或飛輪。此外，還具有隔離市電側(ce) 浪湧、電壓驟升驟降等作用。

在絕大多數數據中心，UPS係統損耗可占IT設備能耗10%以上。UPS係統按照係統大負載功率設計。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(yu) 額定負載的比例越小，UPS能效越低。因此，提高UPS係統可靠性，降低其損耗，就成為(wei) UPS係統架構演變的主旋律。

傳(chuan) 統集中式UPS係統弊端明顯，單點失效、備用UPS增加了係統成本、能效差。分布式儲(chu) 能UPS係統由電源模塊、控製模塊和鋰電池模塊組成的數千瓦至50MW的小型模塊，不但增加了係統可靠性、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數據中心製冷節能技術

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。製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(wei) 在不同的出水溫度條件下，冷水機組的製冷量與(yu) 用電功率的典型關(guan) 係。

圖4不同出水溫度，冷水機組製冷量與(yu) 用電功率關(guan) 係

可以看出，隨著冷水機組的出水溫度的提升，對應著的製冷量和用電功率都在增加，但發現製冷量的增幅更大，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製冷量。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(ge) 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，降低不必要的過度製冷的能源浪費。

3.3.3間接蒸發製冷係統

目前數據中心能耗，如何應對大型製冷係統複雜化、提升交付速度，存在非常廣闊的研究空間和研究價(jia) 值。

目前，自然冷卻技術一般有水側(ce) 自然冷卻、風側(ce) 自然冷卻等。風側(ce) 自然冷卻與(yu) 水側(ce) 自然冷卻相比，效率更高、運行天數更長。風側(ce) 自然冷卻係統換熱更直接，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(wei) 例，機房25℃送風情況下，環境溫度小於(yu) 19.4℃即可進行自然冷卻，而水側(ce) 自然冷卻環境溫度至少要降到12℃以下。

在中國東(dong) 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(yu) 傳(chuan) 統空調水側(ce) 自然冷卻相比，間接蒸發製冷效率更高、可利用自然溫度的時間更長。

在中國東(dong) 部地區采用傳(chuan) 統水側(ce) 自然冷卻，自然冷卻時間一般小於(yu) 4000小時。故在中國東(dong) 部地區，采用間接蒸發冷卻空調的自然冷卻時間比傳(chuan) 統空調水側(ce) 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(yi) 重大。

3.3.4采用液冷技術

液體(ti) 技術是采用液體(ti) 作為(wei) 工質，為(wei) 發熱元件換熱。液冷分為(wei) 非接觸式液冷、接觸液冷兩(liang) 大類，服務器液冷分為(wei) 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(yu) 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(ge) 或多個(ge) 冷卻回路熱交換傳(chuan) 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(ti) 流動循環帶走熱量。

液冷技術相比傳(chuan) 統風冷技術在散熱效率、能源利用率等方麵具備顯著優(you) 勢，而隨著數據中心向著高密高電的方向發展，傳(chuan) 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(wei) 大的趨勢。

3.4其他節能技術

3.4.1餘(yu) 熱利用

數據中心遵循密度越來越高的趨勢，產(chan) 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能源管控平台

通過構建能源管控平台，實現多能流，多時空的能源數據監測和統計，在保證係統安全穩定、供需匹配為(wei) 前提，實現對數據中心的數據接入、能效分析、能源監控與(yu) 調度優(you) 化，保證能源係統的穩定、經濟運行，通過能源係統的分級調度與(yu) 控製，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。

綜合能源管控係統從(cong) 不同維度實現統一集中監控、能源運行管理、能源係統運行優(you) 化的功能。具體(ti) 內(nei) 容可為(wei) ：

（1）能源係統集中監控：包括數據采集與(yu) 處理、事件及報警處理、實時運行監控和專(zhuan) 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）能源係統運行優(you) 化：包括網絡化建模、供需平衡分析等協同優(you) 化。綜合能源管控平台的建設，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台，基於(yu) 輸入的能源係統子模塊曆史數據，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(you) 化目標進行仿真分析，終得到綜合能源係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(ti) 係統經濟性優(you) ，將能源成本從(cong) 數學模型分析的角度，降低。

②提高能源效率

在獲得大量的能源係統模塊負荷數據的基礎上，充分發揮能源係統內(nei) 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(guan) 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(cong) 係統層次提高整體(ti) 能源使用效率，增加能源供應管理，避免能源浪費。

③提高能源係統可靠性

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

4hth下载地址能耗統計分析（能源管理）解決(jue) 方案

4.1能效管理解決(jue) 方案介紹

建立高效的能耗監測管理係統，對建築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築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係統的基本框架，對各個(ge) 用能環節進行實時監測；

②　排碳數據化：通過係統可實現建築單位內(nei) 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：實現建築單位內(nei) 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麵積能耗和人均能耗指標；

⑥　能耗競爭(zheng) 排名：各個(ge) 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，並根據能耗監測管理係統的需要可選擇不同樣式報表的打印。為(wei) 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，並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(yi) 表故障進行報警，提高係統信息化、自動化水平。

4.2能源管理係統硬件配置

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(ye) 更早實現碳中和及綠色節能的目標。

【參考文獻】 

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【3】 王啟.數據中心節能措施探析,中節能工業(ye) 節能有限公司

【4】 hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.5版