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关于数据中心机房节能运行现状与问题分析

发布时间: 2022-02-09  点击次数: 673次
 摘要:文章分析了位于北京和广州的3个大型数据中心的能耗数据,对数据中心节能存在的问题分别进行了分析诊断。从设计及运行管理两大方面总结了目前数据中心普遍存在的共性问题,为数据中心节能提供了方向。
 
       关键词:数据中心;节能;能效
 
 
0引言
       近年来随着国家对于信息化工作的重视,作为信息化基础设施的数据中心快速发展。我国数据中心建设的数量多,建设质量也在世界上处于靠前,主要采用了世界上较好的IT设备,较好的制冷设备,较好的精密空调,较好的控制系统。
1北京某IDC数据中心
1.1工程简介
      该数据中心建筑面积20000㎡,在6B#大楼地下室建有冷冻机房。配置4台离心式冷水机组、4台冷却水泵、4台冷冻水泵,室外地面建有16台冷却塔;机房空调为水冷及风冷两种精密空调系统,空调面积约6000㎡。机房内未设置冷热通道。
1.2能耗分布与PUE
     根据约一年的实测数据,该数据中心的能耗分布和PUE见表1,年PUE为1.8。对处于寒冷地区的北京,PUE值偏高。
1.3数据分析
     根据能耗分项数据,可以定量计算出空调系统各环节的相对关系,并进行其合理性评价,见表2。
1.4主要存在的问题
     根据能耗数据、访谈情况以及水系统状态参数的测试结果,该数据中心的问题主要为:
     1)主机效率偏低。
     2)水泵的能耗占比过高。
     3)分水器与集水器之间存在水量旁通。
     4)机房内精密空调能耗过高。     导致风冷空调开启的原因包括:机房内温度分布不均,有的机房不同地点温差相差10℃,存在局部热点。局部热点的存在,拉低了房间整体温度,加大了供应能力需求。同时由于供应到水冷空调的水量不足,使得水量空调的供冷量不足,因而风冷空调不得不开启。
     5)机房内采用漫灌式气流组织,没有设置气流冷热通道。送回风温差小,只有3℃,加大了送风输送能耗。
     6)缺少智能化管理手段。虽然有动力环境监测系统,但缺少节能管理的智能化控制系统,也没有统一集中的能耗数据监测系统,使得管理人员对设备运行状况无法细致了解。运维人员的主要精力放在保平安运行上。
     7)未利用自然冷源。北京地区冬季自然冷源资源丰富,但未采取任何技术措施加以利用。
 
表1北京某IDC数据中心能耗数据
 
表2北京某IDC数据中心分项能耗情况
 
2广州某云计算数据中心
2.1基本情况
     广州某云计算数据中心位于广州市萝岗区。数据中心的空调面积约35000㎡(其中一期15000㎡)。建筑9层,其中数据机房位于3、4层。
     数据中心采用集中冷源,冷冻站位于大楼1层,设有4台离心式冷水机组、1台螺杆式冷水机组,配有5台冷却水泵、5台冷冻水泵,5台冷却塔位于5楼屋面。
     机房内设有水冷空调机组,通过静压箱送风,共78台精密空调机组。机房内气流分设冷热通道。空调系统日常管理采用手动管理,缺少自动控制平台。除配电房有主要回路的电能监测外,对于能耗监管缺少分项计量,不能进行细化分析。
2.2能耗分布及PUE
     采用瞬时电量进行PUE计算,其值为1.77。数据中心基础设备设施(暖通空调)的功率总和为1099kW,占数据中心总耗电的44%,见表3。
2.3存在的主要问题
     1)冷却水泵的效率低。冷却水泵的效率只有约45%,与设计要求的70%差距较大。冷却水泵的额定扬程30mH₂O,但实际扬程只有15mH₂O。冷却塔投入使用时间为2017年,设备状态良好。冷却水出口温度与空气湿球温度差值约为2.3℃。冷却塔效率较高。
     2)机房精密空调开启台数过多。
     3)缺少智能化管理手段。虽然有动力环境监测系统,但缺少节能管理的智能化控制系统,也没有统一集中的能耗数据监测系统,使得管理人员对设备运行状况无迭细致了解。
 
表3广州某云计算数据中心分项耗电情况
 
 
3广州某数据中心
3.1基本情况
     该数据中心位于广州市内,分为1#楼和2#楼,于2009年建成使用。均采用集中式冷水机组进行供冷。
     1#机楼:该数据中心1层冷冻站设有2台特灵螺杆式冷水机组,配有3台冷却水泵、3台冷冻水泵,屋顶天台设有1台蒸发式冷凝螺杆机、2台冷冻水泵、2组冷却塔;机房均采用上送风、侧回风的气流方式。
     2#机楼:该数据中心1层冷冻站由1期及2期合并组成,1期制冷设备为2台约克螺杆机组及配套的3台冷冻水泵、3台冷却水泵、1组冷却水塔;2期制冷设备为2台约克离心式冷水机组及配套的3台冷冻水泵、3台冷却水泵、2组冷却水塔;2#机楼调研的数据机房是2至7层的数据机房;其中4层401/402机房采用上送风、侧回风的气流方式,其它机房均采用地板式机柜送风,上回风加侧回风的气流方式。
     整套制冷系统无BA自控系统,所有制冷设备运行模式需人工操作,也缺少能耗计量系统。
3.2
     1)UPS和HVDC的负载率低,造成损耗过大。UPS和HVDC的损耗达到总能耗的约11%。HVDC普遍负荷率平均在35.50%,UPS平均负荷率为24.86%。
     应启动高压直流的休眠睡醒功能,让HVDC整流模块关闭休眠不必要开启的整流模块,可以大大降低HVDC的损耗。建议在80%~90%启动模块睡醒功能,30%~40%启动模块休眠功能,设置48h休眠模块与运行模块轮换一次。
     减低UPS损耗,若UPS的负荷量低于25%时,可以关闭1台UPS,这样就可以降低1台UPS的损耗量。
     2)冷却塔冷却效果不佳。冷却塔的逼近度过大,在冬季室外湿球温度13℃时,逼近度达到12.5℃,冷却水塔的填料有损坏以及表面结垢现象较为严重,应更换及定期清洗,可提高冷塔冷却能力。
     3)水系统水质较差。水系统维护不及时,导致水质较差,影响冷水机组效率。应定期进行水质的清洗和维护。
   
 
表41#机楼总体能耗
 
表51#楼空调系统能耗分布
 
 
4数据中心节能存在的主要问题
     通过以上案例及各地其它数据中心的能耗情况,可以看到有些问题普遍存在于目前的数据中心中。
4.1系统设计方面
     1)水泵的选型普遍偏大,导致水泵实际工作状态点偏离高效区,水泵运行效率较低。大多数只在50%左右。
     2)水管路系统设计粗犷,没有进行细致设计计算,水路流量分配不满足预期要求。有些精密空调的水流量严重不足,水温差达到6℃~8℃以上。
     3)一些早年建成的数据中心的冷热通道没有严格分开设计,导致送风气流短路。不仅影响送风效率,也影响了机房空气温度,恶化了运行环境。
     4)多数数据中心没有设计自然冷却系统,没有充分利用自然资源。实际上由于数据中心需要全年冷却,在我国大部分地区(除广东、福建等少数地区)都可使用自然冷源。而利用自然冷源是目前降低能耗的有效措施。
     5)没有建成能耗分项计量系统。使用者对于能耗的分布不清楚,对能源效率无从知晓。
     6)控制系统缺乏有效的调节策略。控制系统智能程度低,仅仅支持泛泛的启停控制等。在控制策略设计时,缺少空调专业的支持。

     7)选配的电气设备容量偏大。UPS的使用容量低,导致损耗多。变压器也存在同样问题,使得使用效率低,损耗严重,电气设备损耗占总能耗的10%左右。


     以上这些因素交织在一起,往往造成数据中心的能耗居高不下。
 
 
5安科瑞为数据中心提供的电力监控解决方案
5.1精密配电管理解决方案
     AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的,能够综合采集所有能源数据的智能系统,为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息,并可通过通讯将数据上传到动环监控系统,实现对整个数据机房的实时监控和有效管理,为实现绿色IDC提供可靠保证。
5.1.1交流系统
     1)功能要求:
遥测:输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度;输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度;
遥信:输入分路的过压/欠压,缺相,过流,输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
     2)配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表PZ72L-E4
电流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
5.1.2直流系统
     1)功能要求
     遥测:输入分路的电压、电流、功率、电度;
     遥信:输入分路的过压/欠压,输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
     2)配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表PZ72L-DE
霍尔传感器AHKC-F-XXA/5V
开关电源SBD-30(48V)
 
产品规格
 
说明:■为标配功能。
 
配套附件
 
配套附件
 
5.2AMB智能小母线管理系统
     数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中,具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心。
     1)交流系统功能:
     遥测:三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度,系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率;
     遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;
     2)直流系统功能:
     遥测:电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率;
     遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;
产品介绍
 
说明:■为标配功能。
 
 
参考文献:
【1】张晟,李超,梁刚强,顾砒,龚延风.数据中心机房节能运行现状与问题分析
【2】钟聪睿.互联网数据中心(IDC)机房总体规划中的节能设计研究信息通信,2016(8):241-242
【3】卜东洁,王克勇,潘俊等.数据中心机房升溫的研究[J].建筑节能,2015(5):31-33
【4】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版


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