浅谈数据中心节能措施探析与研究

摘要：数据中心向绿色化、节能化发展提供参考借鉴。

关键词：数据中心；能耗；节能措施

1概述

随着新一轮信息技术革命和产业变革快速发展，数字经济异军突起，成为推动全球经济迅速恢复和稳健增长的“发动机”。作为数字经济的“底座”，数据中心市场规模将达5,952亿元。

图12014—2025年我国数据中心市场规模与增速预测

我国数据中心将成为未来为数不多能源消耗占社会总用电量和碳排放量比例持续增长的行业，给全社会能源供应和环保带来了巨大压力。

图22015-2018年中国数据中心机柜数量

2021年工信部发布的《“十四五”信息通信行业发展规划》专门设置了“绿色节能”类别的发展指标。工信部指出，到2025年底，我国新建大型和超大型数据中心有较大的节能改造空间。

2数据中心能耗分析

数据中心一般由电网为其提供稳定电源，能源消耗主要可分为以下4个部分，能耗情况如图3所示。

（1）IT设备：包括服务器、存储设备和网络通信设备等，为用户提供信息处理和存储、通讯等服务系统，耗能占45%。

（2）制冷系统：为IT设备运行需要提供稳定的温、湿度环境，主要包括：空调、冷源设备，送回、风系统，耗能占40%。

（3）电气系统：主要为UPS系统及其他辅助照明等，耗能占5%。

（4）其他：主要为供配电系统等，耗能占10%。

图3数据中心主要能耗构成

3数据中心节能措施

由于数据中心能耗高，因此，在技术选择上，可采取多种技术措施，目的是能够有效的提高能源利用效率，降低能耗。

3.1电力供应

数据中心寻求替代传统供电模式的首选。

3.2数据中心电气节能技术

3.2.1节能设备

制冷主机采用高效变频水冷离心冷水机组，有效节约运行费用，降低能耗。变频机组在过渡季节、部分负荷时提高运行效率，可显著达到降低系统运行费用。

定频泵无法根据负载变化动态调整水量，从而无法节能，如果采用变频调速控制的水泵，将可以根据不同负荷和工况进行调整，从而实现节能。控制水泵的输送能耗，关键是控制水泵的变频，满足循环流量的情况下，尽量减少不必要的耗电。

水泵变频节能的理论依据：

P2＝P1(n2/n1)3＝P1(f2/f1)3

P1＝电机额定功率kW

P2＝实际工作频率下的输出功率kW

n1＝额定转速

n2＝实际转速

f1＝额定工作频率，一般为50Hz

f2＝实际工作频率Hz

由上式可知，水泵耗电功率与频率成三次方关系，节能空间巨大。

变频变流量控制是针对数据中心中节能效果更为明显。

3.2.2分布式储能UPS系统

UPS的作用是在市电电源中断、柴油发电机组启动前，确保负载持续供电，因此，UPS系统包含了储能设备，如蓄电池或飞轮。此外，还具有隔离市电侧浪涌、电压骤升骤降等作用。

在绝大多数数据中心，UPS系统损耗可占IT设备能耗10%以上。UPS系统按照系统大负载功率设计。实际上，大部分时间的真实负载功率达不到大负载功率的需要，真实负载与额定负载的比例越小，UPS能效越低。因此，提高UPS系统可靠性，降低其损耗，就成为UPS系统架构演变的主旋律。

传统集中式UPS系统弊端明显，单点失效、备用UPS增加了系统成本、能效差。分布式储能UPS系统由电源模块、控制模块和锂电池模块组成的数千瓦至50MW的小型模块，不但增加了系统可靠性、可扩展性和电源管理灵活性。同时根据用户设备进入时间，分批建造，减少空载或轻载时间。

3.3数据中心制冷节能技术

3.3.1提高冷冻水供回水温度及温差

提高冷冻水供回水温度，可以提高冷冻机的运行效率，同时可以增加自然冷却时间。制冷机组冷冻水出水温度每提升1℃可节能3%～5%，变频离心机组冷冻水出水温度每提升1℃可节能4%～6%，节能效果明显。

图4为在不同的出水温度条件下，冷水机组的制冷量与用电功率的典型关系。

图4不同出水温度，冷水机组制冷量与用电功率关系

可以看出，随着冷水机组的出水温度的提升，对应着的制冷量和用电功率都在增加，但发现制冷量的增幅更大，简单来说，随着冷水机组出水温度提升，将可以用更少的电力消耗提供更多的制冷量。提高冷水机组的出水温度即提高末端空调的供水温度，它引申出的另一个好处是能够大限度利用室外冷源进行自然冷却。

3.3.2提高空调机组的送回风温度

提高空调机组的送回风温度，可以通过精密空调机组设定，保证精密空调的运行效率，降低不必要的过度制冷的能源浪费。

3.3.3间接蒸发制冷系统

目前数据中心能耗，如何应对大型制冷系统复杂化、提升交付速度，存在非常广阔的研究空间和研究价值。

目前，自然冷却技术一般有水侧自然冷却、风侧自然冷却等。风侧自然冷却与水侧自然冷却相比，效率更高、运行天数更长。风侧自然冷却系统换热更直接，可利用的环境气温更高，故全年可利用天数更多。以间接蒸发供冷技术为例，机房25℃送风情况下，环境温度小于19.4℃即可进行自然冷却，而水侧自然冷却环境温度至少要降到12℃以下。

在中国东部地区采用间接蒸发冷却空调，自然冷却时间可达6000小时，而在西北地区能达8000小时以上。与传统空调水侧自然冷却相比，间接蒸发制冷效率更高、可利用自然温度的时间更长。

在中国东部地区采用传统水侧自然冷却，自然冷却时间一般小于4000小时。故在中国东部地区，采用间接蒸发冷却空调的自然冷却时间比传统空调水侧自然冷却的时间全年多出大约2000h小时左右，节能效果可观，对降低全年平均PUE值意义重大。

3.3.4采用液冷技术

液体技术是采用液体作为工质，为发热元件换热。液冷分为非接触式液冷、接触液冷两大类，服务器液冷分为冷板、浸没、喷淋三大液冷技术方向。冷板式液冷是采用冷板组件与高热流密度元件接触，发热量经由冷板组件中的冷却介质导出，再经由一个或多个冷却回路热交换传递，终将设备热量散发到外环境或进行回收利用的一种液冷实现方式。浸没式液冷是将服务器浸没在冷媒（冷却液）中，依靠液体流动循环带走热量。

液冷技术相比传统风冷技术在散热效率、能源利用率等方面具备显著优势，而随着数据中心向着高密高电的方向发展，传统的风冷技术已经不能完全满足其散热需求。采用液冷技术也将成为大的趋势。

3.4其他节能技术

3.4.1余热利用

众所周知，数据中心遵循密度越来越高的趋势，产生的热量也越来越多。

如果利用热泵技术将数据中心PUE，还能有效帮助用户降低用热成本。

3.4.2能源管控平台

通过构建能源管控平台，实现多能流，多时空的能源数据监测和统计，在保证系统安全稳定、供需匹配为前提，实现对数据中心的数据接入、能效分析、能源监控与调度优化，保证能源系统的稳定、经济运行，通过能源系统的分级调度与控制，降低能源成本、提高能源的综合利用水平，大限度的节能运行。

综合能源管控系统从不同维度实现统一集中监控、能源运行管理、能源系统运行优化的功能。具体内容可为：

（1）能源系统集中监控：包括数据采集与处理、事件及报警处理、实时运行监控和专题场景监控；（2）能源运行管理：包括能源指标分析、供能质量分析、综合指标报表、综合调度运行；（3）能源系统运行优化：包括网络化建模、供需平衡分析等协同优化。综合能源管控平台的建设，将对数据中心带来以下效益：

①降低能源成本

数字化综合能源管控平台，基于输入的能源系统子模块历史数据，以及运行时实时监控数据，利用经过训练的模型，根据经济性佳的优化目标进行仿真分析，终得到综合能源系统设计方案及各机组容量，及运行期间响应实时能源需求的实时策略，大精度地保证整体系统经济性优，将能源成本从数学模型分析的角度，降低。

②提高能源效率

在获得大量的能源系统模块负荷数据的基础上，充分发挥能源系统内各模块的作用，根据消耗对电、热、冷等供能质量的需求，生成关键能源质量指标。

通过调度，耦合，在保证匹配各种能源实时负荷的前提下，通过调度不同的能源模块，从系统层次提高整体能源使用效率，增加能源供应管理，避免能源浪费。

③提高能源系统可靠性

可以根据系统运行的动态情况，进行运行集中监控，对可能出现的异常进行预警，及时下发新系统运行策略，保证用户端负荷匹配。同时可设计专题场景，便于运维管理人员可以便捷、容易获取相关监控信息，分析结果。

4安科瑞能耗统计分析（能源管理）解决方案

4.1能效管理解决方案介绍

建立高效的能耗监测管理系统，对建筑各类耗能设备能耗数据进行实时测量，对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各区域建筑能耗经济指标及绩效考核指标，发现能源使用规律和能源浪费情况，提高人员主动节能的意识。

①搭建数据中心智慧能源管理系统的基本框架，对各个用能环节进行实时监测；

②排碳数据化：通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析（包括水、电、能量），实现低碳办公数据化；

③区域能效比：实现建筑单位内区域能耗对比，方便能耗考核；

④同期能效比：实现同年、同期、同一区域能耗对比，方便节能数据分析；

⑤能耗评估管理：按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标；

⑥能耗竞争排名：各个功能区能耗对比，实现能耗排名，增强工作人员的节能意识；

⑦对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能，并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运营管理部门提供可靠的依据；

⑧能耗数据采集，随时查询，并根据采集数据进行统计分析，监测异常能源用量，对能源智能仪表故障进行报警，提高系统信息化、自动化水平。

4.2能源管理系统硬件配置

应用场景	型号	图 片	保护功能
能耗管理云平台	AcrelCloud-5000		采用泛在物联、云计算、大数据、移动通讯、智能传感等技术手段可为用户提供能源数据采集、统计分析、能效分析、用能预警、设备管理等服务，平台可以广泛应用于多种领域。
智能网关	Anet系列网管		采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口，作为信息采集系统中采集终端与平台系统间的桥梁，能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总，并使用相应的规约转发现场设备的数据给平台系统。
高压重要回路或低压进线柜	APM810		具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网络通讯等功能，主要用于对电网供电质量的综合监控诊断及电能管理。该系列仪表采用了模块化设计，当客户需要增加开关量输入输出，模拟量输入输出，SD卡记录，以太网通讯时，只需在背部插入对应模块即可。
	APM520		三相全电量测量，2-63次谐波，不平衡度，大需量，支持付费率，越限报警，SOE,4-20mA输出。
低压联络柜、 出线柜	AEM96		三相多功能电能表，均集成三相电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上24时、上31日以及上12月的电能数据统计。具有63次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和继电器输出可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备报警输出，可广泛应用于多种控制系统，SCADA系统和能源管理系统中。
动力柜	ACR120EL		测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压，有功、无功功率，电度，谐波等，并具备完善的通信联网功能，非常适合于实时电力监控系统。
	DTSD1352		DIN35mm导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和电力行业标准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与上位机实现数据交换。
	AEW100		三相全电量测量，剩余电流、2-63次谐波，支持付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。

5结语

随着低碳减排的持续推进，特别是在我国“双碳”目标已确立的大背景下，数据中心行业更早实现碳中和及绿色节能的目标。

【参考文献】

【1】 宋卓昭,申珉宇."中国制造2025"为电信业带来新机遇[J].中国联通研究院,2016（4）:20-21

【2】 左蔚.分布式UPS在数据中心中的运用[J].科技经济市场,2021(6):27-28

【3】 王启.数据中心节能措施探析,中节能工业节能有限公司

【4】 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版

作者简介：闻什益，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事数据中心的设计与应用。手机：[phone]

审核编辑 黄宇