数据中心在耗能方面的三个突出特点,一是用电量大、高度密集,每平方米建筑综合配电容量可达1.5～2kW,远远高于民用建筑配电密度;二是用电负荷持续稳定,从不间断或者忽高忽低。在长江以南地区,大型满载数据中心夏季与冬季用电量差值可以不超过10%;三是全年产生热量、全年制冷。以凤凰数据中心为例,从两个不同的110kV变电站各引入两条10kV电力专线(共两站四线),互为备份。变压器装机26台,总容量40000kVA。目前每天平均用电量在32万千瓦时左右,全年超过1亿千瓦时。

一般情况下,数据中心的电费支出占整个销售收入的50%左右,是第一大支出事项,成为主要的生产资料构成因素。因此,节能减排、降低电费,对数据中心行业具有特殊意义。数据中心的节能工作,具有以下四个特征:

(1)确保安全性

数据中心的安全运行,是高于节能的第一要务。所有节能工作,必须以确保安全为前提,所有节能技术和方案,必须同步进行安全影响评估。随着数据中心分级体系的完善和重要业务灾备功能的建立,以及节能减排理念的提升和成本意识的深化,人们已不再过于绝对、机械和片面地看待安全问题,往往在安全和节能之间寻找最佳平衡点。

(2)注重系统性

数据中心的节能是一个多专业协同复杂的系统性工作,涉及设计、施工、维护管理等各个环节。既有在空调系统上的优化调整,也有在电源动力方面的工作;既包括变压器、制冷主机等后端设备的节能,又包括前端设备的节能;既涉及设备更新和技术创新,还涉及日常工作和管理。

(3)兼顾经济性

面对林林总总的节能产品和服务,需要因地制宜地根据自身数据中心业务类型、气候特点、建筑情况等综合因素,选择合适的方案,避免出现“节能不节钱”的现象。因节能而导致经济效益受损大致有三种情况:一是节能产品本身造价高昂,超过原有解决方案;二是维护难度加大,维护成本增加;是因节能技术的引入,加大了其他设施的投入,如自然风冷源方案需要加大建筑进风面积等。

(4)重视对自然冷源的利用

数据中心的一大特色是全年制冷,因此在寒冷季节最大程度地利用自然冷源进行降温,是数据中心有别于其他行业的一个显著特点。自然冷源利用包括以水为介质的冷塔和板换设备的使用,也包括直接引入新风降温制冷的模式。目前,利用自然冷源技术也有新的体现,例如热管背板技术,在提高冷冻水出水温度达到节能目的的同时,也体现了对自然冷源利用的最大化。

凤凰数据中心以上述理念为指引,在设计之初,就高标准、系统化地采用各种成熟节能理念技术,在后期的运营管理中,狠抓过程管理和细节管理,把每一项节能举措落在实处,目前PUE值全年平均水平稳定控制在1.5以下,主要做法如下:

(1)建筑节能

建筑节能是数据中心节能的基础,凤凰数据着重从两个方面入手:一是对建筑物的选择,最大化地有利于节能减排。根据建筑设计上体形系数原理,同样体积的建筑物,暴露在空气中的表面积越小,越有利于降低室外热空气的侵扰,也就越有利于节能。电信五星级机房层将体形系数标准定在0.25以下,即建筑物除去地面接触部分外的表面积与该建筑体积之比值低于0.25。而凤凰数据中心的建筑体形系数为0.106,远远低于五星标准;二是在机房布局设计方面,我们把每个楼层的六个机房模块全部集中在该楼层平面的中心,在其外围到建筑物外墙之间,层层设有空调间、内走廊、电源室等,起到了天然的保温隔热作用,把机房受室外高温侵扰的因素降到最低。

(2)天然气分布式能源系统的应用

数据中心天然气分布式能源系统是指利用天然气为主要燃料,以数据中心为能源需求点,就近部署的分布式能源供应点,用电力和冷源联产联供的模式提供能源。凤凰数据中心以合同能源管理的模式,与江苏紫峰新能源公司合作,以采购电力和冷源的模式,开展数据中心分布式能源项目改造运营。

项目配置3台2000kW的天然气发电机,在日常供电的同时,还可作为市电停电状态下的应急备用电源,起到常备两用的作用。利用天然气发电机工作时产生的缸套水和烟气余热,驱动3台(每台制冷量2500kW)溴化锂空调主机制冷,提供7℃～15℃的冷冻水进入数据中心冷水主系统。

该系统目前已基本建成,进入试运行和验收阶段。建成后每年3月1日～11月30日运行,计270天(避开天然气供气高峰季)。每天8:00～21:00,每套设备年运行时间3510h。项目实施完成后,预计每年节省电力2457万千瓦时,该电力分两部分:一部分是内燃机发电直接提供的电力,这部分电量约为2106万千瓦时;另一部分是内燃机余热获得的制冷量折合成电力约351万千瓦时。冷电联和运行,机组效率达到85%以上。就节省的2456万元电力而言,约能减少2.8万吨CO2。截止2015年底,已经累计向机房供电1171.06万千瓦时,余热获得的制冷量69222GJ,折合成电力约325.74万千瓦时,合计1496.8万千瓦时,实际减少CO2排放6846.83吨。

(3)水冷空调综合节能系统

凤凰数据中心IT设备密集,耗电量和发热量巨大,全年持续稳定发生,从不间断。目前IT用电负荷已超过1万千伏安。因此,数据中心节能降耗的主要措施是空调制冷方面的革新优化。传统机房空调,单纯考虑安全性,一般采用风冷空调模式制冷,其PUE值一般在2.0左右。实践表明,处理好工艺和技术,兼顾安全性和节能性,水冷空调在机房领域已有成熟应用。因此,凤凰数据中心根据新的理念和设计思路,全面建设了水冷空调系统,并在系统中嵌入多项节能技术,使PUE值稳定控制在1.5以下,相对原先风冷空调模式,PUE值下降0.5,节能量达到25%。按照IT设备全年耗电8760万千瓦时计算,全年可节省电量约4000万千瓦时。凤凰数据中心的水冷空调综合节能系统有以下子系统组成:

变频式离心机组:中心配置的5台功率1000冷吨变频离心式冷水机组,采用VSD变频启动。根据测算,单台变频机组比单台定频机组,年节约电能为163万千瓦时,节能率达33%。按凤凰数据中心用四备一运行模式计算,则全年总共节约用电652万千瓦时。

板式换热器系统:中心部署4台板式换热器,与离心式制冷主机、冷却塔配套使用,利用水作为换热的介质,在冬季寒冷季节,开启板换即可通过循环水系统带走机房热量,达到冷却降温效果。结合气温和大气湿度变化情况,通过摸索混合开启、渐进释放等实践方法,2015～2016年间本中心共实现板换制冷90天,节约制冷主机耗电约300万千瓦时。

末端EC风机:本中心机房配置的209台末端精密空调,全部采用变频EC风机,每个空调室多台空调自动联机联动,可实时根据机房内的温度,自动变频运行。此项技术与AC风机(工频空调)相比,可节约15%的能耗,以2016年3月份实际用电量推算,则每月可节约用电8.29万千瓦时,全年可节约为99.4万千瓦时。

群控管理系统:中心的制冷系统的控制系统,在设计阶段就考虑节能和使用效率,采用自适应控制器的群控管理系统。前期对冷却泵、冷冻泵等设备全部采用变频电机,利用群控管理系统对上述设备进行实时采集数据和调控,通过流量、流速的动态调整,精确应对负荷需求,达到设备使用效率的最佳状态,实现节能降耗的目的。根据长期的跟踪实测,此项管理控制系统可节约10%的循环系统能耗。以2016年3月份实际用电量推算,则每月可节约用电37120kWh,全年可节约44.5万千瓦时。

(4)热场管理系统

热场管理的工作主要是在机房区域内,通过隔离冷热区域,减少冷风热风的相互污染,以及对冷风、热风的合理导流、精确送引等手段,提高送回风的效能,从而达到提升精密空调效率,减少电能损耗的目的。凤凰数据对机房内热场管理的主要方式是:①搭建冷池,隔离冷通道,并且自主设计了无源的冷通道重力轨道门,可实现门体的自动闭合,杜绝了进出冷通道的人员不关门导致的冷气流失现象。该设计不需要电源和辅助机电设备,安装维护简单、造价低廉,获得了专利;②静压箱内导流。机房承重条件优良,但也造成柱距偏短、柱子偏密,对静压箱内的送风效果产生不利影响。因此我们因地制宜地设置了多处导流板,提高送风效率;③可调节的开孔地板,根据服务器功耗密度调节出风量和出风角度;④配置热成像仪,安装部署环境监测系统,对机房内冷热气流进行定期观测,实时进行调整。

(5)热回收利用系统

数据中心的特点是一年四季产生热量、一年四季进行降温制冷。在需要生活热源的冬季,如果将数据中心的热量直接回收利用,不仅可以降低生活热源的制造成本,还可以直接降低数据中心的制冷成本,两者相加,节能效果十分明显。在比较了多种热回收方案后,凤凰数据确定了投资最小、实施最便捷、效果明显的改造方案:在冷却塔的出水管道(冷却水进水)上,部署水源热泵系统。以常年温度为15℃的充足水源为热源,借助辅助加温生产45℃左右的采暖热水。现场采暖面积约2000m2,水源热泵系统投资约28.5万元,比空调投资略节省。不含冷却水水温降低而带来的制冷成本降低因素,仅制热成本的节省,按120天采暖季测算,每天可比普通电空调节省电费175元,每个采暖季节省电费21000元。

经测算,整个凤凰数据中心的热源如全部回收利用,可满足40万平方米建筑的采暖需求。仅数据中心2000m2的办公采暖需求,远远无法消耗巨大的热源能力,我们正在积极拓展周边办公商住楼宇,以提供热水的方式扩大热回收的产能,于人于己,都是具有积极意义的工作。

(6)电源高效利用

数据中心的节能工作,除了在空调系统方面大有可为,在电源方面,也有很大的提升空间。作为第三方数据中心,虽然无法对客户托管的IT设备进行电源改造,但可以对供电系统进行充分优化,提升用电效率和效能,减少电源损耗,也能实现可观的节能效果。主要的投入和技改有两个方面:一是引入高效率的高频UPS系统,电源转换效率可达87%以上,相比传统工频UPS电源,效率提升可达20%。按整个80台400kVA容量测算,每年可节省电力5000万千瓦;二是投入一批ATS双电源切换开关,对于一些非高保障要求的IT设备,以及部分精密空调,日常主用电源设置在市电上,市电中断时,通过ATS毫秒级地切换到UPS侧继续保障供电。这样可减少UPS的日常自损和消耗。目前接入ATS,通过市电主供的设备总功率约为2000kVA,通过减少UPS损耗,每年可节省电力消耗约200万千瓦。

(7)运维节能

除了在设计和投入方面把好节能关,实现降低能耗的目的之外,日常的机房运维工作好坏,也是影响能耗的十分重要的方面。运维节能工作做出成效,还能很大程度地弥补机房在设计、施工中的某些先天不足,因此,运维节能至关重要,也是运行中的数据中心节能减排的核心抓手。运维节能重在长期性、细节性、系统性,从小处着眼,紧扣细节,注重全系统的各个方面和各个环节,坚持不懈、持之以恒,必会取得显著成效。在做好运维节能的过程中，我们特别强调以数据为指引的方法，通过数据分析发现问题和痛点，制定解决方案并附带评测方法，在实施过程中全程记录分析数据变化情况、全程优化调整，最终结果以数据数字定性定量。

在空调系统的维护方面,包括对管道内壁和管路上各种闸阀的规范化清洗保养,保持水流畅通无阻;包括对制冷主机的定期“通炮”作业,降低冷凝器管道温差,提升热交换效率;包括对机房精密空调整定值的调整、气流组织的调整;也包括对冷却塔的清洗保养检修等。以上每一项具体的节能工作,通过深度挖潜和持之以恒,都能取得每年至少上百万元的节能效益。凤凰数据通过长时间摸索,记录了大量的做法和数据,通过数据分析对比,持续调整和优化做法,循环往复,不断提升节能效果。

在电源方面,主要从提升电源利用效率出发,通过对负荷分配的动态调整,提升UPS系统使用的集中率,避免低负载运行状况,可以有效地大幅度节省电源自损。

上述做法,只是一家之举、局部之观,数据中心节能降耗的实践还远没有穷尽。有资料显示,数据中心的电力消耗总和,已近全社会用电量的2%,绿色数据中心创建之路,既是科学、也是责任;既是挑战、更是机遇。未来,凤凰数据将更加注重与行业的交流学习,持续做好节能工作,在实现自身效益提升的同时,为环境友好型社会建设贡献积极的力量。

编辑：Harris

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