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摘要：文章分析了位於(yu) 北京和廣州的3個(ge) 大型數據中心的能耗數據，對數據中心節能存在的問題分別進行了分析診斷。從(cong) 設計及運行管理兩(liang) 大方麵總結了目前數據中心普遍存在的共性問題，為(wei) 數據中心節能提供了方向。
關(guan) 鍵詞：數據中心；節能；能效
0引言
近年來隨著對於(yu) 信息化工作的重視,作為(wei) 信息化基礎設施的數據中心快速發展。我國數據中心建設的數量多，建設質量也在上處於(yu) 靠前，主要采用了上較好的IT設備，較好的製冷設備，較好的精密空調，較好的控製係統。但是衡量運行水平的重要指標PUE卻未達到水平，差距還不小。中國製冷學會(hui) 於(yu) 2017年對上海市20家擁有500個(ge) 機架的數據中心進行了評測，大部分數據中心的PUE分布在1.6-2.3範圍內(nei) 。中位值是1.80，平均值為(wei) 1.97。距離《“十三五"信息化規劃》中提出的到2018年大型數據中心年PUE不高於(yu) 1.5的要求差距較大。
不同的數據中心存在不同的問題，也有其共性的問題，這些問題在業(ye) 內(nei) 中已有資料反映。文章結合近期調查的數據中心為(wei) 例，總結存在於(yu) 節能運行中的共性問題。
1北京某IDC數據中心
1.1工程簡介
該數據中心建築麵積20000㎡，在6B#大樓地下室建有冷凍機房。配置4台離心式冷水機組、4台冷卻水泵、4台冷凍水泵，室外地麵建有16台冷卻塔；機房空調為(wei) 水冷及風冷兩(liang) 種精密空調係統，空調麵積約6000㎡。機房內(nei) 未設置冷熱通道。
為(wei) 分析數據中心的能效，文章對數據中心的能耗和冷水機組的COP進行了一年的監測記錄，並同時對運行管理措施及方法進行了訪談，對冷凍水係統的水溫變化進行了全程追蹤測試。
1.2能耗分布與(yu) PUE
根據約一年的實測數據，該數據中心的能耗分布和PUE見表1,年PUE為(wei) 1.8。對處於(yu) 寒冷地區的北京，PUE值偏高。
1.3數據分析
根據能耗分項數據，可以定量計算出空調係統各環節的相對關(guan) 係，並進行其合理性評價(jia) ，見表2。
1.4主要存在的問題
根據能耗數據、訪談情況以及水係統狀態參數的測試結果，該數據中心的問題主要為(wei) ：
1）主機效率偏低。主機效率(COP值)小於(yu) 4.0。2019年7月16日測試期間，冷機冷卻水進出口溫度3O.3℃/32.6℃,冷凍水出水溫度7℃，負載百分比為(wei) 71%條件下，運行工況與(yu) 《蒸汽壓縮循環冷水機組》(GB/T18430.1—2007)規定的額定條件十分接近。此條件下，主機COP應達到5.5。但主機效率僅(jin) 為(wei) 4.0，距離5.5還有不小差距。其原因與(yu) 冷凍水的水質、機組維護等因素有關(guan) 。冷卻塔填料結垢嚴(yan) 重，未及時清洗，使得冷卻水溫度偏高。
2）水泵的能耗占比過高。設計狀態下，水泵的總能耗(含冷卻塔)應當隻有主機的30%，實際使用中卻達到62%。冷水機組的防凍水溫差、冷卻水溫差均隻2℃，說明水流量偏大，水泵應可以減少流量。同時測試得到的水泵效率隻有50%。
3）分水器與(yu) 集水器之間存在水量旁通。根據現場測試，末端機房內(nei) 水冷空調的進出口溫度一般為(wei) 7℃/14℃，溫差達到7℃以上。但冷凍站集水器內(nei) 的溫度卻為(wei) 8.8℃。說明分集水之間存在大量的混水，供應到用戶的水量不足。
4）機房內(nei) 精密空調能耗過高。精密空調的能耗比冷水機組能耗還高。一般末端空調能耗應控製在空調係統總能耗≤25%以內(nei) ，現已大大超出這一比例。按照冷凍機供冷量能力計算，2台冷水機組全部開啟時，機房內(nei) 的風冷空調可以關(guan) 閉，但機房內(nei) 所有風冷精密空調仍然全部開啟使用。風冷精密空調的使用補充了部分冷量，卻消耗了大量的電力。
導致風冷空調開啟的原因包括:機房內(nei) 溫度分布不均，有的機房不同地點溫差相差10℃，存在局部熱點。局部熱點的存在，拉低了房間整體(ti) 溫度，加大了供應能力需求。同時由於(yu) 供應到水冷空調的水量不足，使得水量空調的供冷量不足，因而風冷空調不得不開啟。
5）機房內(nei) 采用漫灌式氣流組織，沒有設置氣流冷熱通道。送回風溫差小，隻有3℃，加大了送風輸送能耗。
6）缺少智能化管理手段。雖然有動力環境監測係統，但缺少節能管理的智能化控製係統，也沒有統一集中的能耗數據監測係統，使得管理人員對設備運行狀況無法細致了解。運維人員的主要精力放在保平安運行上。
7）未利用自然冷源。北京地區冬季自然冷源資源豐(feng) 富，但未采取任何技術措施加以利用。
表1北京某IDC數據中心能耗數據
表2北京某IDC數據中心分項能耗情況
2廣州某雲(yun) 計算數據中心
2.1基本情況
廣州某雲(yun) 計算數據中心位於(yu) 廣州市蘿崗區。數據中心的空調麵積約35000㎡(其中一期15000㎡)。建築9層，其中數據機房位於(yu) 3、4層。
數據中心采用集中冷源，冷凍站位於(yu) 大樓1層，設有4台離心式冷水機組、1台螺杆式冷水機組，配有5台冷卻水泵、5台冷凍水泵，5台冷卻塔位於(yu) 5樓屋麵。
機房內(nei) 設有水冷空調機組，通過靜壓箱送風，共78台精密空調機組。機房內(nei) 氣流分設冷熱通道。空調係統日常管理采用手動管理，缺少自動控製平台。除配電房有主要回路的電能監測外，對於(yu) 能耗監管缺少分項計量，不能進行細化分析。
2.2能耗分布及PUE
采用瞬時電量進行PUE計算，其值為(wei) 1.77。數據中心基礎設備設施(暖通空調)的功率總和為(wei) 1099kW，占數據中心總耗電的44%，見表3。
2.3PUE評價(jia)
數據中心的電氣損耗為(wei) 466kW,達到數據中心總能耗的13%。變壓器損耗6%，UPS損耗12%、列頭櫃配電係統損耗7%，這部分的損耗較大，應在電氣管理和設備配置上改進。
暖通空調係統中冷機電耗占51%、精密空調為(wei) 26%、水泵+冷塔為(wei) 21.4%。暖通空調係統內(nei) 部占比較為(wei) 合理。但能耗總體(ti) 比例仍然較高，具有調節改善PUE的空間。
2.4存在的主要問題
1）冷水機組效率未達標。《公共建築節能設計標準》(GB50189—2015)中4.2.10節要求電機驅動壓縮機的蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組，在額定製冷工況和規定條件下變頻離心式冷水機組性能係數(COP)不應低於(yu) 5.5。而取得過機組平均能效係數為(wei) 5.10，也未達到5.5。在機組運行工況優(you) 於(yu) 額定工況的條件下，仍不滿足節能要求。根據訪談介紹，機組每年清洗2次，進行機組水質維護，水質應無問題。應當是機組運行工況不合理造成。
2）冷卻水泵的效率低。冷卻水泵的效率隻有約45%，與(yu) 設計要求的70%差距較大。冷卻水泵的額定揚程30mH₂O,但實際揚程隻有15mH₂O。水泵揚程配置過高，偏差較大。冷卻塔投入使用時間為(wei) 2017年,設備狀態良好。冷卻水出口溫度與(yu) 空氣濕球溫度差值約為(wei) 2.3℃。冷卻塔效率較高。
3）機房精密空調開啟台數過多。機房精密空調能耗占暖通係統能耗30%以上，表明精密空調運行不夠合理。現在精密空調全部開啟，沒有按照回風溫度進行控製。
4）缺少智能化管理手段。雖然有動力環境監測係統，但缺少節能管理的智能化控製係統，也沒有統一集中的能耗數據監測係統，使得管理人員對設備運行狀況無迭細致了解。運維人員的主要精力放在保平安運行上，缺少冷水機組、水泵、冷卻塔的節能運行策略。
表3廣州某雲(yun) 計算數據中心分項耗電情況
3廣州某數據中心
3.1基本情況
該數據中心位於(yu) 廣州市內(nei) ，分為(wei) 1#樓和2#樓，於(yu) 2009年建成使用。均采用集中式冷水機組進行供冷。
1#機樓：該數據中心1層冷凍站設有2台特靈螺杆式冷水機組，配有3台冷卻水泵、3台冷凍水泵，屋頂天台設有1台蒸發式冷凝螺杆機、2台冷凍水泵、2組冷卻塔；機房均采用上送風、側(ce) 回風的氣流方式。
2#機樓：該數據中心1層冷凍站由1期及2期合並組成，1期製冷設備為(wei) 2台約克螺杆機組及配套的3台冷凍水泵、3台冷卻水泵、1組冷卻水塔；2期製冷設備為(wei) 2台約克離心式冷水機組及配套的3台冷凍水泵、3台冷卻水泵、2組冷卻水塔；2#機樓調研的數據機房是2至7層的數據機房；其中4層401/402機房采用上送風、側(ce) 回風的氣流方式，其它機房均采用地板式機櫃送風，上回風加側(ce) 回風的氣流方式。
整套製冷係統無BA自控係統，所有製冷設備運行模式需人工操作，也缺少能耗計量係統。
3.2能耗分布及PUE
該數據中心的能耗種類均為(wei) 電力。通過短期測試獲得1#機樓和2#機樓的電耗分布。表4、表5給出了1#機樓的具體(ti) 耗電數據。
3.3PUE評價(jia)
1#機樓和2#機樓的短時PUE為(wei) 1.76-1.86，由於(yu) 測試在冬季進行，機組處於(yu) 有利的運行條件，全年PUE值一定高於(yu) 取得過PUE值，說明該數據中心的能效水平較低。
其中UPS和HVDC的負載率低，損耗過大，達到總能耗的約11%。水泵能耗占冷水機組能耗的50%；精密空調的能耗則與(yu) 冷水機組的能耗相當。說明整個(ge) 製冷係統效率較低。
3.4存在問題
1）UPS和HVDC的負載率低，造成損耗過大。UPS和HVDC的損耗達到總能耗的約11%。HVDC普遍負荷率平均在35.50%，UPS平均負荷率為(wei) 24.86%。
應啟動高壓直流的休眠睡醒功能，根據高值設定，讓HVDC整流模塊關(guan) 閉休眠不必要開啟的整流模塊，可以大大降低HVDC的損耗。建議在80%~90%啟動模塊睡醒功能,30%~40%啟動模塊休眠功能，設置48h休眠模塊與(yu) 運行模塊輪換一次。
減低UPS損耗，若UPS的負荷量低於(yu) 25%時，可以關(guan) 閉1台UPS，這樣就可以降低1台UPS的損耗量。
2）冷卻塔冷卻效果不佳。冷卻塔的逼近度過大，在冬季室外濕球溫度13℃時，逼近度達到12.5℃，冷卻水塔的填料有損壞以及表麵結垢現象較為(wei) 嚴(yan) 重，應更換及定期清洗，可提高冷塔冷卻能力。
3）水係統水質較差。水係統維護不及時，導致水質較差，影響冷水機組效率。應定期進行水質的清洗和維護。
4）末端精密空調開啟過多。機房內(nei) 精密空調全部開啟，沒有根據機房內(nei) 的實際熱量進行送風的調節，送風溫差小，送風效率低，送風能耗高。
5）水泵未變頻運行。水泵定頻運行，供水量偏大，使得輸送能耗較高。
6）采用漫灌式氣流組織，氣流旁通率高，冷空氣未送到機櫃內(nei) 部,嚴(yan) 重影響送風效率。
7）缺少節能管理手段及運行策略。缺少對室內(nei) 外環境使用條件、設備狀態和運行效果的監測，全靠手工粗放式運行，節能效果差。
表41#機樓總體(ti) 能耗
表51#樓空調係統能耗分布
4數據中心節能存在的主要問題
通過以上案例及各地其它數據中心的能耗情況，可以看到有些問題普遍存在於(yu) 目前的數據中心中。
4.1係統設計方麵
數據中心設計在產(chan) 品選型、係統安全性與(yu) 可靠性設計上都滿足了節能設計要求和設計要求，但設計的精細化程度不夠。為(wei) 了保障安全，選用設備時富裕係數較大，但運行效率偏低。
1）水泵的選型普遍偏大，導致水泵實際工作狀態點偏離高效區，水泵運行效率較低。大多數隻在50%左右。
2）水管路係統設計粗獷，沒有進行細致設計計算，水路流量分配不滿足預期要求。有些精密空調的水流量嚴(yan) 重不足，水溫差達到6℃~8℃以上。
3）一些早年建成的數據中心的冷熱通道沒有嚴(yan) 格分開設計，導致送風氣流短路。不僅(jin) 影響送風效率，也影響了機房空氣溫度，惡化了運行環境。
4）多數數據中心沒有設計自然冷卻係統，沒有充分利用自然資源。實際上由於(yu) 數據中心需要全年冷卻，在我國大部分地區(除廣東(dong) 、福建等少數地區)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）沒有建成能耗分項計量係統。使用者對於(yu) 能耗的分布不清楚，對能源效率無從(cong) 知曉。
6）控製係統缺乏有效的調節策略。控製係統智能程度低，僅(jin) 僅(jin) 支持泛泛的啟停控製等。在控製策略設計時，缺少空調的支持。
7）選配的電氣設備容量偏大。UPS的使用容量低，導致損耗多。變壓器也存在同樣問題，使得使用效率低，損耗嚴(yan) 重，電氣設備損耗占總能耗的10%左右。
4.2運行管理方麵
調研結果表明，運行管理方麵存在的問題更多，在每一個(ge) 環節都會(hui) 出現問題。
運行管理部門始終把數據中心的安全運行，往往強調安全，而忽視了節能，導致許多節能措施不敢使用，這是阻礙節能管理水平提高的重要原因之一。實際運行中應把握好安全與(yu) 節能的關(guan) 係。通過了解安全風險因子，了解節能措施的影響程度，可以加深對安全生產(chan) 和節能技術的科學認識，在安全可控的前提下，加強節能運行管理。
1）設備維護不及時
冷卻水係統、冷凍水係統的水質沒有嚴(yan) 格的質量管理。盡管多數單位有的水質維護，但水質的質量管理形同虛設，沒有明確的考核檢查標準。冷卻塔填料結垢十分普遍，也沒有及時清洗。
冷水機組的實際運行效率與(yu) 機組標稱值之間相差較大，冷水機組運行效率有待提高。風冷精密空調係統也需要及時維護保養(yang) ，但許多數據中心缺少對精密空調的養(yang) 護，使得運行效率逐年下降。
2）管路及附件維護不到位，疏於(yu) 操作
水路上的閥門不管是手動還是自動模式，普遍存在關(guan) 閉不嚴(yan) 現象，導致水流旁通。不僅(jin) 浪費水泵功耗，還降低了機房精密空調製冷量。溫度與(yu) 壓力計量儀(yi) 表多數不能使用，形同虛設。
台數切換時對應閥門也需進行切換，但由於(yu) 加大了操作人員的工作量，一般不會(hui) 落實這項操作。
3）粗放式運行管理
無論是否需要，機房內(nei) 精密空調全部開啟運行，使得精愛空調的能耗與(yu) 冷水機組能耗相當，大大超出送風係統的能耗標準。
數據中心都設計安裝了水係統變頻設備，但是實際運行未落實，不能根據水係統溫度的變化進行變流量運行。水係統輸送能耗約占冷水機組能耗的50%以上，不能隨主機負荷隨動調節。
冷水機組的啟停數量也是*經驗化運行，機組台數的選擇缺乏依據，機組不能在高效區運行，使得機組運行效率不高。冷水機組的供水溫度沒有隨著室內(nei) 負荷變化進行調節，基本全年恒定溫度運行。
機房內(nei) 溫度設置偏低。強調運行的安全性後，使機房內(nei) 回風溫度較低，如有的機房要求保持在22℃左右，這樣冷水機組出水溫度一直壓低在7℃，自然冷卻的空間也大大壓縮。
以上這些因素交織在一起，往往造成數據中心的能耗居高不下。
5安科瑞為(wei) 數據中心提供的電力解決(jue) 方案
5.1精密配電管理解決(jue) 方案
AMC係列數據中心精密配電係統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能係統，為(wei) 交直流電源配電櫃提供的電參量信息，並可通過通訊將數據上傳(chuan) 到動環係統，實現對整個(ge) 數據機房的實時和有效管理，為(wei) 實現綠色IDC提供可靠保證。
5.1.1交流係統
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guan) 狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀(yi) 表PZ72L-E4
電流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
5.1.2直流係統
1)功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲(si) 狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀(yi) 表PZ72L-DE
霍爾傳(chuan) 感器AHKC-F-XXA/5V
開關(guan) 電源SBD-30（48V）
產(chan) 品規格
說明：■為(wei) 標配功能。
配套附件
配套附件
5.2AMB智能小母線管理係統
數據中心小母線係統是數據中心末端母線供配電係統的俗稱。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和更高需求，智能小母線係統逐漸被應用於(yu) 機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個(ge) 機櫃內(nei) 的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nei) 可設置監測模塊，將數據上傳(chuan) 至動環中心。
1）交流係統功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，係統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機櫃溫度、機櫃濕度、開關(guan) 狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guan) 狀態、開關(guan) 跳閘；
2）直流係統功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機櫃溫度、機櫃濕度、開關(guan) 狀態、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guan) 狀態、開關(guan) 跳閘；
產(chan) 品介紹
說明：■為(wei) 標配功能。
參考文獻：
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