數(shù)據(jù)中心能耗分析

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1、數(shù)據(jù)中心能耗實例分析 前言：本文著重分析了影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素，從數(shù)據(jù)中心的空調(diào)、UPS、運維等方面對其能耗進行了綜合分析。本文認為影響數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵因素是空調(diào)系統(tǒng)，并以2個數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)為例，結(jié)合作者在數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運維中的經(jīng)驗，提出了數(shù)據(jù)中心節(jié)能的建議。 一、 數(shù)據(jù)中心節(jié)能的必要性 近年國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)快速增長的趨勢，金融、通信、石化、電力等大型國企、政府機構(gòu)紛紛建設(shè)自己的數(shù)據(jù)中心及災備中心。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算及移動互聯(lián)概念的推出，大批資金投資到商業(yè)IDC的建設(shè)中。數(shù)據(jù)中心對電力供應產(chǎn)生了巨大的影響，已經(jīng)成為一個高耗能的產(chǎn)業(yè)。在北京數(shù)據(jù)中心較集中的幾個地區(qū)，其電力

2、供應都出現(xiàn)飽和的問題，已無法再支撐新的數(shù)據(jù)中心。目前某些數(shù)據(jù)中心移至西北等煤炭基地，利用當?shù)仉娏渥?、電價低的優(yōu)勢也不失為一個明智的選擇。 隨著數(shù)據(jù)中心的不斷變大，綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心已經(jīng)由概念走向?qū)嶋H。越來越多的數(shù)據(jù)中心在建設(shè)時將PUE值列為一個關(guān)鍵指標，追求更低的PUE值，建設(shè)綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識。例如，微軟公司建在都柏林的數(shù)據(jù)中心其PUE值為1.25。據(jù)最新報道Google公司現(xiàn)在已經(jīng)有部分數(shù)據(jù)中心的PUE降低到1.11。而我們國內(nèi)的PUE平均值基本在1.8~2.0，中小規(guī)模機房的PUE值更高，大都在2.5以上。我們在數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能設(shè)計方面與國外還存在很大差距，其設(shè)計思想

3、及理念非常值得我們借鑒。 根據(jù)對國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的調(diào)查統(tǒng)計，對于未采用顯著節(jié)能措施的數(shù)據(jù)中心，面積為1000平方米的機房，其每年的用電量基本都在500多萬kWH左右。因此對于新建的大型數(shù)據(jù)中心，節(jié)能的必要性十分重要。 從各大數(shù)據(jù)中心對電力的需求來看，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為重要的高耗能產(chǎn)業(yè)而非“無煙工業(yè)”，建設(shè)綠色、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心急需從概念走向?qū)嶋H。 二、 影響數(shù)據(jù)中心能耗的因素 數(shù)據(jù)中心的能耗問題涉及到多個方面，主要因素當然是空調(diào)制冷系統(tǒng)，但UPS、機房裝修、照明等因素同樣影響著數(shù)據(jù)中心的能耗，甚至變壓器、母線等選型也影響著能耗。例如，對UPS而言，根據(jù)IT設(shè)備的實際負荷選擇合理的UPS容量，避

4、免因UPS效率過低而產(chǎn)生較大的自身損耗。同時，選擇更加節(jié)能的高頻UPS、優(yōu)化UPS拓撲結(jié)構(gòu)都可起到節(jié)能的效果。 1、 UPS對數(shù)據(jù)中心能耗的影響 UPS主機的自身損耗是影響數(shù)據(jù)中心能耗的一項重要因素。提高UPS的工作效率,可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費。下圖為某大型UPS主機的效率曲線。從該曲線中可以看出，當UPS負荷超過30%時UPS的效率才接近90%。很多數(shù)據(jù)中心在投運初期IT負荷較少，在相當長的時間內(nèi)負荷不足20%。在此情況下UPS的效率僅僅為80%左右，UPS的損耗非常大。因此，在UPS配置中盡量選擇多機并聯(lián)模式，避免大容量UPS單機運行模式。例如，可以用兩臺300kVA UPS并聯(lián)

5、運行的模式代替一臺600kVA UPS單機運行模式。其優(yōu)點在于IT負荷較少時只將一臺300kVA UPS投入運行，另一臺UPS不工作，待IT負荷增加后再投入運行。這種UPS配置方案及運行模式可以提高UPS效率，降低機房能耗。 2、供配電系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心能耗的影響 數(shù)據(jù)中心的用電負荷非常巨大，并且有很多變頻設(shè)備例如冷水機組、水泵、冷卻塔、照明燈具等，這些變頻設(shè)備會產(chǎn)生很大的諧波。此外，UPS、IT設(shè)備等也會產(chǎn)生很大的諧波。諧波對數(shù)據(jù)中心有非常大的危害，而且會增加能耗。對于用電負荷為1000kW的數(shù)據(jù)中心，進行諧波治理后，每年可節(jié)能100多萬度電。 3、空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心能耗的影響

6、據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學會（ASHRAE）技術(shù)委員會9.9（簡稱TC9.9）統(tǒng)計報告顯示，數(shù)據(jù)中心各部分的用電量分布大致如下圖所示： 從上圖可看出，空調(diào)制冷系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總電量的近三分之一，是影響機房能耗的關(guān)鍵指標。每個數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷的能耗存在很大差異，好的空調(diào)制冷方案可以極大降低能耗，降低PUE值。因此，本文以2個數(shù)據(jù)中心為例，著重分析空調(diào)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心能耗的影響。 三、 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)實例分析 1、 小型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗分析 以南方某數(shù)據(jù)中心為例，說明小型數(shù)據(jù)中心的能耗。該數(shù)據(jù)中心2007年建成，IT機房總面積為530平方米，220個機柜。4臺120kVA UPS，

7、3用1備，每個機柜的平均功率為1.3kW。采用風冷式精密空調(diào)制冷，配置10臺80kW顯冷量空調(diào)，8用2備。經(jīng)多年運行，目前該機房負荷已接近滿載。該機房是在廠房基礎(chǔ)上改建而成，幾乎沒有采用任何節(jié)能措施，僅在改建過程中對樓板、墻壁、門窗等進行加固、封閉及保溫處理。 該機房的年P(guān)UE值為2.68。每天的用電量約為1.3萬kWH。 該機房原配置8臺精密空調(diào)，6用2備。機房建成后出現(xiàn)局部熱點，經(jīng)分析后，確定由3個因素所致。其一，因機房層高較低，機房架空地板僅為350mm，扣除地板下的強度電纜線槽，有效靜壓箱高度很低，不利于氣流流動。其二，該機房存在空調(diào)死角，氣流無法有效流動。其三，空調(diào)室外機與室內(nèi)機的

8、高度較大，超過20米，對額定制冷量有折減。為解決上述三個問題，只能通過增加空調(diào)數(shù)量來解決。因此該機房的PUE值較高。 在這類機房中，機房風冷式精密空調(diào)的能耗是影響該數(shù)據(jù)中心能耗的關(guān)鍵指標，因其房間結(jié)構(gòu)所限，造成精密空調(diào)的效率較低，也影響到數(shù)據(jù)中心的整體能耗較高。 2、 大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗分析 該數(shù)據(jù)中心總面積約為3000多平方米，2009年初開始正式投入運行。在本項目中空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用了“Free Cooling”技術(shù)，在過渡季節(jié)利用壓縮機+自然風冷卻運行模式。在冬季則完全利用自然風冷卻進行板式換熱。在冬季及過渡季節(jié)，外界濕球溫度小于4℃時，采用“Free Cooling”運行模

9、式，即冷水機組停止運行，經(jīng)冷卻塔散熱后的冷卻水和從精密空調(diào)來的冷凍水在板式換熱器內(nèi)進行熱交換，將機房內(nèi)的熱量帶走，此時冷卻塔起到冷水機組的作用。在此過程中僅冷卻塔的風扇、水泵及精密空調(diào)等設(shè)備在耗電，冷水機組完全沒有耗電。在夏季及過渡季節(jié)當外界濕球溫度高于4℃時，“Free Cooling”運行模式已無法滿足數(shù)據(jù)中心制冷需求，此時冷水機組開始制冷，回到傳統(tǒng)的空調(diào)壓縮機制冷模式運行。系統(tǒng)示意圖如下圖所示： 開式冷卻塔 板式換熱器 精密空調(diào) 冷水機組 作為數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，冷凍站的設(shè)計是最重要環(huán)節(jié)。本項目設(shè)置2個相對獨立的制冷機房，每個冷凍機房有2臺3500KW（合1

10、000RT）的離心式冷水機組，3用1備。冷凍水供回水溫度設(shè)定為11℃/17℃。考慮前期負荷較小，為避免離心式冷水機組在低負荷時發(fā)生“喘振”現(xiàn)象，系統(tǒng)配置2臺400RT的螺桿式冷水機組。板式換熱器按冷凍水11℃/17℃ ,冷卻水 9℃/14℃進行設(shè)計。 為實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的不同運行模式，冷凍水泵選擇了2種不同揚程的變頻水泵以適應“Free Cooling”運行模式和冷水機組制冷模式。 本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯?？刂七壿嫷膬?yōu)劣直接關(guān)系的空調(diào)系統(tǒng)的能耗及系統(tǒng)安全。 在制定空調(diào)系統(tǒng)控制邏輯時，首先基于冷水機組、水泵、冷卻塔的能耗數(shù)據(jù)及本地區(qū)的氣象條件，提出了合理的節(jié)能系統(tǒng)流程圖，并與假定

11、冷水機組全年運行的能耗數(shù)據(jù)進行比較，在理論上做出節(jié)能運行分析。 其次，為了保證空調(diào)系統(tǒng)安全、節(jié)能運行，控制邏輯分為夏季和冬季2種模式。在由冷水機組轉(zhuǎn)換到自然冷卻時，為了避免冷水機組發(fā)生低溫保護，必須首先開啟冷卻水管道的旁通閥，將冷卻水水溫提高，以便順利開啟冷水機組。 冬季自然冷卻時，冷卻塔處于低溫環(huán)境，而冷卻塔又必須供應低于冷凍水溫的冷卻水（比如6-8℃的冷卻水），控制邏輯必須防止冷卻塔結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生。 根據(jù)近幾年的實際運行經(jīng)驗，本數(shù)據(jù)中心最遲從每年的11月下旬就可啟用“Free Cooling”運行模式，一直可持續(xù)到第二年的3月底至4月中旬，即每年至少可使用4~4.5個月的免費冷源，節(jié)

12、能效果非常顯著。 下表是該某數(shù)據(jù)中心的2010年7月份至12月份的用電量統(tǒng)計及相應的PUE值。 時間 7月 8月 9月 10月 11月 12月 天數(shù) 31 31 30 31 30 31 總用電量 （度） 408,300 482,400 492,240 545,580 555,180 650,040 平均用電/天(度) 13,171 15,561 16,408 17,599 18,506 20,969 辦公用電、空調(diào)、UPS損耗及照明用電/天(度) 4,881 6,052 5,957 6,844

13、 4,829 5,186 UPS用電/天(度) 7,487 9,509 10,451 11,304 13,677 15,783 PUE值/天 1.76 1.64 1.57 1.56 1.35 1.33 從上表可知，8月份 IT設(shè)備的負荷比7月份有所增加，因此8月份的PUE值比7月份略有降低。9、10月份平均氣溫低，此時冷卻水溫度較低，冷水機組效率得以提高，因此9、10月份的PUE值比7、8月份PUE值明顯偏低。因當年11、12月份的氣溫較低，該系統(tǒng)已完全具備FREE-COOLING運行模式所需的條件，冷水機組壓縮機已停止工作不再耗電。

14、因此，此時雖然UPS的用電量在逐步加大，但空調(diào)的用電量卻比7、8、9、10月份的用電量還要低，PUE值從1.76降低到1.33，節(jié)能效果非常巨大。 3、 數(shù)據(jù)中心水處理系統(tǒng)與能耗的關(guān)系 大型數(shù)據(jù)中心通常采用冷水機組作為機房冷源，因此數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)（冷卻水及冷凍水）對于數(shù)據(jù)中心而言極為重要，其安全可靠性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的運行。不僅如此，水質(zhì)也直接關(guān)系到節(jié)能的問題，例如北京地區(qū)水質(zhì)較硬，當水系統(tǒng)中的結(jié)垢現(xiàn)象很嚴重時，空調(diào)系統(tǒng)的能耗也隨之增加。 冷卻水與空氣接觸進行熱交換的同時也將空氣中的污染物帶入系統(tǒng)，進而會影響設(shè)備的正常運行?？照{(diào)的冷卻水系統(tǒng)易受到結(jié)垢，腐蝕，污垢，微生物等問題的困擾。

15、其主要原因是冷卻塔在通過水的蒸發(fā)將熱量帶走的同時，水中的離子濃度會不斷升高，進而會加劇系統(tǒng)設(shè)備和管道的結(jié)垢、腐蝕。另外，在滿足一定的溫度、陽光、空氣等條件時，水中會滋生很多微生物，微生物的存在會影響系統(tǒng)設(shè)備和管道的正常運行。 在空調(diào)專業(yè)上將冷卻水出水溫度與制冷劑的冷凝溫度之差稱之為冷凍機趨近溫度。當冷水機組內(nèi)的銅管干凈時，該差值小也即趨近溫度低；反之，當銅管有水垢粘附時，差值大也即趨近溫度高。趨近溫度越高，空調(diào)壓縮機需要額外多做功壓縮制冷劑，產(chǎn)生額外的電耗。根據(jù)實際運行中的統(tǒng)計，趨近溫度每增加1℃，冷水機組即增加3%的能耗。此外，當趨近溫度達到7℃時，會對冷水機組的運行造成非常大的危險。因此

16、實時的檢測水系統(tǒng)的水質(zhì)并自動進行加藥處理對數(shù)據(jù)中心的水系統(tǒng)尤為重要。 水系統(tǒng)自動檢測及自動加藥設(shè)備通過在線的、實時的控制，可以嚴格地控制水的電導率，控制電導率在合理范圍內(nèi)，根據(jù)電導率大小自動控制排污閥的開或關(guān)，使補水量更精確，從而達到節(jié)約用水的目的。下面以實例說明自動水處理系統(tǒng)在節(jié)電、節(jié)水方面所取得的效果。 某數(shù)據(jù)中心在采用自動水處理系統(tǒng)前遭遇冷凍機組結(jié)垢、微生物滋生等問題困擾，造成趨近溫度升高，最高時達到6.5℃，產(chǎn)生了嚴重的能源浪費和運行風險。經(jīng)過自動處理系統(tǒng)后，現(xiàn)趨近溫度穩(wěn)定在1℃以下。在處理前，冷水機組耗電量為202kw。處理后，在相同的負荷下，耗電量降為170kw。在采用“Fre

17、e cooling”技術(shù)的前提下，冷水機組每年運行7.5個月計算，則一年節(jié)約用電為： （202-165）kW * 24h * 225d =199800 kWh。 四、 數(shù)據(jù)中心運維能耗分析 1、提高機房環(huán)境溫度。國內(nèi)機房運行溫度普遍偏低。我國關(guān)于機房的國標規(guī)定，A級機房的溫度為23℃~24℃。通常情況下機房管理人員將此溫度設(shè)為機房精密空調(diào)的回風溫度。那么，精密空調(diào)的出風溫度通常是18℃~19℃。但隨著芯片技術(shù)的不斷提高，芯片耐高溫性能也在不斷更新，IT設(shè)備可正常運行的溫度也在不斷地提高。國外有越來越多的數(shù)據(jù)中心設(shè)計和管理人員將機房精密空調(diào)的出風溫度設(shè)置到27℃。據(jù)估算，制冷參數(shù)變化1℃，

18、可能會產(chǎn)生5%~10%的能耗變化。此外，提高機房環(huán)境溫度還可以延長節(jié)能裝置（例如“Free Cooling”免費冷源）的使用時間，提高精密空調(diào)送風溫度和提高冷凍水出水溫度。 2008年ASHRAE給出了推薦的機房環(huán)境溫度，如下圖所示。圖中紅色線條區(qū)域為推薦的環(huán)境溫度。在最新的白皮書《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱指南（thermal guidelines for data processing environments）》中，該溫度又有了提高。ASHRAE所給出機房環(huán)境溫度是經(jīng)過國際上主流IT設(shè)備供應商確認的，也就是說該機房環(huán)境溫度并不與IT設(shè)備供應商的要求相抵觸。 2、UPS節(jié)能運行。在市電供電

19、質(zhì)量好的情況下，將UPS主機運行在旁路模式，使逆變器處于“休眠”狀態(tài)，但當市電不滿足要求時，逆變器迅速投入工作。這種工作模式可以有效的降低UPS自身損耗。 3、嚴格有效的數(shù)據(jù)中心管理可以極大的降低能耗，根據(jù)機房IT負載的變化及時調(diào)整精密空調(diào)的運行數(shù)量，調(diào)整風口地板出風面積，安裝機柜盲板等措施。 五、 結(jié)束語 大型數(shù)據(jù)中心的能耗在不斷的增加，從保護環(huán)境，節(jié)約能源的角度出發(fā)，國家應采取措施規(guī)范大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，對大型數(shù)據(jù)中心采取相應的政策加以限制和引導。 我們在大力倡導節(jié)能減排，少開車，綠色出行等健康節(jié)能的生活方式，殊不知不加節(jié)制的網(wǎng)絡瀏覽、網(wǎng)絡游戲也是一種浪費能源。因為網(wǎng)絡供應商為了追求快速瀏覽，需要安裝大量的服務器，這些服務器無時無刻不在耗費大量的水、電等寶貴能源。你可能想象不到，在我們進行輕松聊天、視頻的時候，你也在浪費著能源，產(chǎn)生著二氧化碳。