上海市建筑科學(xué)研究院有限公司 朱偉峰

上海建科節(jié)能技術(shù)有限公司 鄭竺凌△ 張玉燕

交通銀行股份有公司 王 濤

上海建科節(jié)能技術(shù)有限公司 黃 璜

0 引言

近幾年來，隨著我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了大規(guī)模建設(shè)，例如運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、金融業(yè)、政府、制造業(yè)等都在規(guī)劃、建設(shè)和改造各自的數(shù)據(jù)中心[1-4]。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房單機(jī)柜的功率密度越來越高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行耗電量巨大，發(fā)熱量集中，會(huì)使得機(jī)房出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)房設(shè)備出現(xiàn)故障。因此，數(shù)據(jù)中心對(duì)可靠性、安全運(yùn)行方面的要求極高。

研究表明，數(shù)據(jù)中心的能耗有超過1/3來源于空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能是降低能耗的關(guān)鍵，具有很大的節(jié)能潛力[5-6]。提高數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)效率不僅能夠減少其自身耗電量，同時(shí)還可降低機(jī)房其他設(shè)備能耗，從而保障數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)時(shí)間的安全運(yùn)行。所以研究和優(yōu)選數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)十分重要。

本文以上海地區(qū)為例，選取20個(gè)大型數(shù)據(jù)中心為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研評(píng)估、測(cè)試、數(shù)據(jù)分析，對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施進(jìn)行探討，并進(jìn)一步提出數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)路線。

1 數(shù)據(jù)中心概況

1.1 基本信息

本文所調(diào)研、測(cè)試的20個(gè)數(shù)據(jù)中心均為上海地區(qū)500個(gè)機(jī)架以上的大型數(shù)據(jù)中心，各數(shù)據(jù)中心的機(jī)架情況見圖1。其中，7個(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)機(jī)架數(shù)在500～1 000個(gè)范圍內(nèi)，8個(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)機(jī)架數(shù)在1 000～2 000個(gè)范圍內(nèi)，5個(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)機(jī)架數(shù)在2 000個(gè)以上。這些數(shù)據(jù)中心主要涉及金融、通信和專門的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)運(yùn)營(yíng)商。

圖1 數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)量分布情況

1.2 空調(diào)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的IT設(shè)備通常在高能耗情況下運(yùn)行，且需要全年運(yùn)行，而機(jī)房室內(nèi)環(huán)境對(duì)IT設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和使用周期均有很大影響。因此，數(shù)據(jù)中心對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的要求很高，不同于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)。

調(diào)查研究表明，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常要考慮穩(wěn)定性、靈活性和節(jié)能性。其中，節(jié)能性要求空調(diào)系統(tǒng)能在較低能耗狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效、低能耗的節(jié)能運(yùn)行方式[7]。隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)量的不斷增大，其能耗也相應(yīng)增大，為了響應(yīng)節(jié)能減排的號(hào)召，目前迫切需要建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心，全面提升數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保水平。因此，數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性是目前關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文采取調(diào)研、評(píng)估的方式對(duì)上海地區(qū)20個(gè)大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)均存在提升空間，詳見表1。

1.3 空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況

通過對(duì)20個(gè)數(shù)據(jù)中心的測(cè)評(píng)，統(tǒng)計(jì)分析各數(shù)據(jù)中心的能耗情況，得到各數(shù)據(jù)中心的年度總能耗和空調(diào)系統(tǒng)能耗，如圖2所示。

圖2中空調(diào)能耗占比為各數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)耗電量占總耗電量的比值，除20號(hào)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗占比為20%左右外，其他各數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗占比均在20%以上，甚至個(gè)別數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗占比高達(dá)60%。由此可知，研究涉及的20個(gè)數(shù)據(jù)中心中有95%的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)存在能耗較高現(xiàn)象，具有一定的優(yōu)化空間和節(jié)能潛力。

表1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)存在問題匯總

圖2 各數(shù)據(jù)中心的能耗

2 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)措施分析

2.1 工信部對(duì)綠色數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的要求

為了推動(dòng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能與綠色發(fā)展水平持續(xù)提升，工信部發(fā)布了《綠色數(shù)據(jù)中心先進(jìn)適用技術(shù)產(chǎn)品目錄(2019年版)》(以下簡(jiǎn)稱《目錄》)，《目錄》中提出了一些適用于既有數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)技術(shù)[8]。通過對(duì)《目錄》中節(jié)能改進(jìn)技術(shù)的分析，并結(jié)合上海地區(qū)的實(shí)際情況，本文羅列了一些適合20個(gè)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)節(jié)能技術(shù)措施，見表2。

表2 數(shù)據(jù)中心適用的空調(diào)節(jié)能技術(shù)措施

2.2 GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的要求

GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》也對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)提出了明確要求，主要涉及冷源和空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)兩方面：機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織形式應(yīng)根據(jù)設(shè)備布置方式合理確定，并建議采取冷熱通道隔離措施；同時(shí)，數(shù)據(jù)中心應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件充分利用自然冷源，建議空調(diào)系統(tǒng)采用變頻、自動(dòng)控制等技術(shù)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，并且對(duì)于機(jī)房專用空調(diào)建議采用出風(fēng)溫度控制[9]。

3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)措施及節(jié)能技術(shù)潛力分析

3.1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的具體節(jié)能技術(shù)措施

結(jié)合以上行業(yè)內(nèi)文件或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的分析，本文根據(jù)各數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際情況提出改進(jìn)建議，如表3所示。

表3 各數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)建議

通過深入分析各數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的改進(jìn)建議發(fā)現(xiàn)，所提出的節(jié)能技術(shù)措施主要分為加強(qiáng)免費(fèi)冷源的利用和優(yōu)化室內(nèi)側(cè)冷卻系統(tǒng)2類。

在氣候條件適合的地區(qū)，集中冷水空調(diào)系統(tǒng)加強(qiáng)免費(fèi)冷源利用是較為普遍的節(jié)能技術(shù)，對(duì)于上海地區(qū)來說，特別是對(duì)于沒有集中冷水空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，可通過制冷劑泵改造、加裝自然冷卻設(shè)備等方式利用免費(fèi)冷源；對(duì)于采用集中冷水空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，可通過設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)置、改變運(yùn)行策略等措施，增加免費(fèi)冷源利用時(shí)長(zhǎng)，在高溫供水的基礎(chǔ)上，提高制冷站的綜合控制水平。

優(yōu)化室內(nèi)側(cè)冷卻系統(tǒng)是指對(duì)室內(nèi)機(jī)房專用空調(diào)進(jìn)行優(yōu)化。室內(nèi)側(cè)的機(jī)房專用空調(diào)是數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的耗能設(shè)備之一。通過對(duì)機(jī)房專用空調(diào)壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)變頻控制，并采用合理的策略實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，可大幅度降低其能耗。同時(shí)，通過改造送回風(fēng)管道、風(fēng)口等，進(jìn)一步調(diào)適優(yōu)化機(jī)房專用空調(diào)的送風(fēng)，采用冷熱通道封閉并加強(qiáng)封堵，嚴(yán)格做好冷熱通道的隔絕，降低冷卻系統(tǒng)室內(nèi)側(cè)能耗。

3.2 節(jié)能技術(shù)潛力分析

本文對(duì)各數(shù)據(jù)中心采用節(jié)能措施后的節(jié)能潛力進(jìn)行了分析，圖3顯示了各數(shù)據(jù)中心采用節(jié)能措施前后空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。

圖3 各數(shù)據(jù)中心采用節(jié)能措施前后空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況

觀察圖3可知，各數(shù)據(jù)中心采用節(jié)能措施后，其空調(diào)系統(tǒng)的能耗均有所降低，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能量較為顯著，個(gè)別數(shù)據(jù)中心節(jié)電量高達(dá)600萬kW·h/a左右，20個(gè)數(shù)據(jù)中心的總節(jié)電量可高達(dá)2 557萬kW·h/a。

根據(jù)上述分析可知，本文提出的節(jié)能技術(shù)措施具有節(jié)能潛力，能夠有效降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

4 結(jié)論

1) 本文研究涉及的20個(gè)數(shù)據(jù)中心中，除個(gè)別數(shù)據(jù)中心外，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)能耗占比均在20%以上，有的甚至達(dá)到60%；95%左右的數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)存在能耗較高現(xiàn)象，具有優(yōu)化空間和節(jié)能潛力。

2) 結(jié)合數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)文件或標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況，提出了加強(qiáng)免費(fèi)冷源的利用和優(yōu)化室內(nèi)側(cè)冷卻系統(tǒng)、優(yōu)化氣流組織等節(jié)能技術(shù)措施，分析發(fā)現(xiàn)這些節(jié)能措施具有一定的節(jié)能潛力。

另外，筆者目前正在與各數(shù)據(jù)中心溝通協(xié)調(diào)，推進(jìn)各數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造。后續(xù)還將協(xié)調(diào)各數(shù)據(jù)中心，進(jìn)一步落實(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，深入分析。