謝靜 王穎 姚志強(qiáng)

上海郵電設(shè)計(jì)咨詢(xún)研究院有限公司

0 引言

數(shù)據(jù)中心作為新一代信息通信技術(shù)的重要載體，已經(jīng)成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的創(chuàng)新中心和能力底座，具有空前重要的戰(zhàn)略地位。2020 年12 月，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”列為 2021 年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一，短期內(nèi)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排是“碳中和”政策的重點(diǎn)[1]。上海已搭建“數(shù)據(jù)中心在線能源審計(jì)平臺(tái)”，通過(guò)數(shù)據(jù)接口掌握用能情況，對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心實(shí)施達(dá)標(biāo)監(jiān)測(cè)和節(jié)能挖潛[2]。

在確保安全的前提下，立足上海氣候特征，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的負(fù)載變化，運(yùn)營(yíng)模式及能效情況，通過(guò)對(duì)典型數(shù)據(jù)中心的測(cè)試驗(yàn)證，不僅可以積累大量節(jié)能技術(shù)樣本數(shù)據(jù)，為后續(xù)方案編制及能耗優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐[3]，而且厘清了現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行的問(wèn)題，便于制定科學(xué)的運(yùn)維策略，建立綠色管理體系[4]。

總結(jié)歸納具有可復(fù)制的關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)措施，繼而進(jìn)行有序的規(guī)模推廣，提升現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心能效水平，最大限度降低存量市場(chǎng)的能源消耗，以實(shí)際行動(dòng)為“雙碳”工作做出積極貢獻(xiàn)。

1 測(cè)試驗(yàn)證原則及目標(biāo)

測(cè)試驗(yàn)證原則：對(duì)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行影響程度最小，數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載穩(wěn)定，各系統(tǒng)運(yùn)行正常，具備測(cè)試驗(yàn)證可行性并有一定代表性的典型數(shù)據(jù)中心[5]。

測(cè)試驗(yàn)證目標(biāo)：通過(guò)對(duì)定性理論進(jìn)行定量的測(cè)試驗(yàn)證，為今后制定針對(duì)性的節(jié)能措施和節(jié)能目標(biāo)，推廣數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)措施的應(yīng)用，做好樣本積累和數(shù)據(jù)支撐。

2 測(cè)試驗(yàn)證內(nèi)容

2.1 提高冷凍水供水溫度

2.1.1 測(cè)試驗(yàn)證要求

數(shù)據(jù)中心大多運(yùn)行在部分負(fù)荷下，冷水機(jī)組設(shè)計(jì)供水溫度有一定提升空間。在確保安全運(yùn)行的前提下，根據(jù)機(jī)房的實(shí)際 IT 負(fù)載，可提高冷凍水供水溫度設(shè)定[6]。冷凍水供水溫度設(shè)定為 9 ℃、1 0.5 ℃、1 2 ℃，測(cè)試驗(yàn)證對(duì)冷水機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及系統(tǒng)總用電量的影響。

2.1.2 測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)中心建筑面積 18278 m2，地上四層，建筑高度24.3 m。一層為變配電室、制冷機(jī)房、網(wǎng)管監(jiān)控室、會(huì)議室等配套用房。二層至四層為主機(jī)房及其配套電力室，主要功能為數(shù)據(jù)機(jī)房。

空調(diào)冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況為3 臺(tái)冷水機(jī)組（2 用 1備）進(jìn)行供冷，目前開(kāi)啟一臺(tái)冷水機(jī)組，I T 負(fù)載平穩(wěn)。冷水機(jī)組供水溫度分別設(shè)定為 9.0 ℃、1 0.5 ℃、1 2.0℃，對(duì)冷源系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，詳見(jiàn)表 1（濕球溫度14 ℃）。

表1 提高冷凍水供水溫度

2.1.3 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)論

當(dāng)冷凍水設(shè)定供水溫度為 9.0 ℃、1 0.5 ℃、12.0 ℃，冷水機(jī)組COP 值分別為11.9、1 2.5、1 3.2。供水溫度每提高1.5 ℃，冷水機(jī)組 COP 值提升5%左右，冷水機(jī)組輸出功率及電流百分比均相應(yīng)下降，冷源系統(tǒng)用電量下降2%～3%。

2.2 調(diào)整水冷末端空調(diào)運(yùn)行方式

2.2.1 測(cè)試驗(yàn)證要求

風(fēng)機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比。對(duì)于冷凍水空調(diào)，理論上降低空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速能顯著降低末端空調(diào)能耗。為驗(yàn)證理論分析的實(shí)際效果，通過(guò)調(diào)整微模塊水冷末端列間空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水閥開(kāi)度設(shè)定，在不影響機(jī)房安全運(yùn)行的前提下，將列間空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低、水閥開(kāi)度增大，減小冷凍水供回水管道旁通閥門(mén)開(kāi)度，減少旁通流量，測(cè)試驗(yàn)證對(duì)微模塊 pPUE（微模塊 pPUE：數(shù)據(jù)中心微模塊總能耗與微模塊內(nèi)IT 設(shè)備能耗之比）的影響。

2.2.2 測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)中心建筑面積為 11976.58 m2，地上二層，建筑高度14.6 m。一層主要有變配電間、電力電池室、泵房、制冷機(jī)房、油機(jī)室。二層主要有微模塊機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房及監(jiān)控室，主要功能為數(shù)據(jù)機(jī)房。

測(cè)試數(shù)據(jù)中心末端制冷采用微模塊水冷列間空調(diào)，水閥開(kāi)度 30%、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速80%為設(shè)定1 運(yùn)行方式。水閥開(kāi)度100%、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速50%為設(shè)定2 運(yùn)行方式。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，詳見(jiàn)表2（濕球溫度約16 ℃）。

表2 調(diào)整水冷末端空調(diào)運(yùn)行方式

2.2.3 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)論

當(dāng)冷凍水列間空調(diào)運(yùn)行方式由設(shè)定1 調(diào)整為設(shè)定2，冷凍水旁通閥開(kāi)啟度為 0，列間空調(diào)回風(fēng)溫度提高2 ℃，微模塊pPUE 值降低0.03～0.04。

2.3 延長(zhǎng)自然冷源利用小時(shí)數(shù)

2.3.1 測(cè)試驗(yàn)證要求

提高冷凍水供水溫度及啟用冷水機(jī)組+板換聯(lián)合制冷模式，測(cè)試延長(zhǎng)的自然冷源利用小時(shí)數(shù)[7]，驗(yàn)證各模式下冷源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果。

2.3.2 測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)中心建筑面積15356 m2，地上三層，建筑高度20.6 m。一層為變配電室、制冷機(jī)房、備品備件室、運(yùn)維機(jī)房等配套用房。二層至三層為主機(jī)房、配電室、電池室，主要功能為數(shù)據(jù)機(jī)房。

測(cè)試數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)工況為冷源系統(tǒng)采用 3 臺(tái)冷水機(jī)組（2 用 1 備）進(jìn)行供冷，設(shè)計(jì)冷凍水供水溫度為9 ℃，目前開(kāi)啟一臺(tái)冷水機(jī)組，I T 負(fù)載平穩(wěn)。冷源系統(tǒng)運(yùn)行模式有冷水機(jī)組制冷模式、過(guò)渡季冷水機(jī)組 +板換聯(lián)合制冷模式及冬季板換自然冷源制冷模式，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中聯(lián)合制冷模式一直未使用。在保證末端專(zhuān)用空調(diào)制冷需求的前提下，冷凍水供水溫度由 9 ℃提升至12 ℃，增加過(guò)渡季聯(lián)合制冷模式，調(diào)整過(guò)渡季聯(lián)合制冷及冬季自然冷源制冷模式的使用條件。

1）當(dāng) 7 ℃＜室外濕球溫度≤9 ℃時(shí)，冷源系統(tǒng)由冷水機(jī)組制冷模式切換至過(guò)渡季聯(lián)合制冷模式。

2）當(dāng)室外濕球溫度≤7 ℃時(shí)，冷源系統(tǒng)由過(guò)渡季聯(lián)合制冷模式切換至冬季自然冷源制冷模式。

3）當(dāng)室外濕球溫度＞9 ℃時(shí)，冷源系統(tǒng)恢復(fù)冷水機(jī)組制冷模式。

詳見(jiàn)表3。

表3 延長(zhǎng)自然冷源利用小時(shí)數(shù)

2.3.3 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)論

以室外濕球溫度10 ℃時(shí)冷水機(jī)組運(yùn)行模式為比較基準(zhǔn)，冷源系統(tǒng)冷凍水供水溫度由 9 ℃提高到12 ℃，過(guò)渡季聯(lián)合制冷模式日均節(jié)電約2381 kwh，冬季自然冷源制冷模式日均節(jié)電約6252 kWh。

以測(cè)試年 2020 年上海濕球溫度為例，當(dāng)冷源系統(tǒng)供水溫度提升至12 ℃，過(guò)渡季聯(lián)合制冷模式使用天數(shù)26 天，冬季自然冷源制冷模式使用天數(shù)40 天，合計(jì)自然冷源利用天數(shù)為 66 天，自然冷源利用小時(shí)數(shù)為1584h。測(cè)試驗(yàn)證前冷凍水供水溫度為9 ℃，冬季自然冷源制冷模式使用天數(shù)為24 天，自然冷源利用小時(shí)數(shù)為576 h。測(cè)試驗(yàn)證前后對(duì)比，延長(zhǎng)自然冷源利用小時(shí)數(shù) 為 1008 h，則 綜 合 節(jié) 電 2381×26+6252×(40-24)=161938 kWh。

2.4 有源濾波設(shè)備對(duì)能耗影響

2.4.1 測(cè)試驗(yàn)證要求

冷源系統(tǒng)的主要設(shè)備如冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔等均為變頻設(shè)備，變頻器在逆變過(guò)程中，輸入輸出回路均會(huì)產(chǎn)生諧波。有源濾波設(shè)備可以有效減少變頻器諧波對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，保護(hù)用電設(shè)備及元件。通過(guò)測(cè)試啟閉有源濾波設(shè)備對(duì)冷源配電系統(tǒng)前后級(jí)能耗的影響，驗(yàn)證有源濾波設(shè)備對(duì)節(jié)能降耗的作用。

2.4.2 測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)中心建筑面積13600 m2，地上二層，建筑高度13.5 m。一層為變配電室、制冷機(jī)房、消控室、氣消鋼瓶間等配套用房。二層為微模塊機(jī)房、核心機(jī)房，主要功能為數(shù)據(jù)機(jī)房。

測(cè)試數(shù)據(jù)中心有源濾波設(shè)備啟閉前后能耗情況對(duì)比，詳見(jiàn)表4。

表4 有源濾波設(shè)備對(duì)能耗影響

2.4.3 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)論

冷源配電后級(jí)系統(tǒng)在啟閉前后瞬時(shí)電流上升1.52%。冷源配電前級(jí)系統(tǒng)啟閉前后瞬時(shí)功耗，在不同配電層級(jí)均有上升，高壓配電柜功率上升6.72%，低壓配電柜功率上升6.76%，低壓配電柜至冷源配電間輸出柜功耗上升 17.08%，冷源配電間進(jìn)線柜功耗上升7.42%，其中低壓配電柜至冷源配電間輸出柜這一級(jí)，上升最為明顯。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，有源濾波設(shè)備在諧波治理的同時(shí)，對(duì)能耗有一定程度改善。

3 測(cè)試驗(yàn)證總結(jié)

1）提高冷凍水供水溫度。根據(jù)實(shí)際IT 負(fù)載及空調(diào)系統(tǒng)配置，在確保末端空調(diào)能夠有足夠制冷能力前提下，適當(dāng)提高冷凍水供水溫度設(shè)定值，可顯著降低冷源系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。提高冷凍水供水溫度，對(duì)于部分負(fù)荷運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心，具有廣泛的推廣意義。

2）調(diào)整水冷末端空調(diào)運(yùn)行方式。水冷空調(diào)末端應(yīng)采用熱備份運(yùn)行模式，以降低單臺(tái)空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，末端空調(diào)系統(tǒng)能耗可大幅下降。調(diào)整水冷末端空調(diào)運(yùn)行方式，是配置有備用機(jī)或制冷量、風(fēng)量有裕度的數(shù)據(jù)中心均可以采用的節(jié)能手段。

3）延長(zhǎng)自然冷源利用小時(shí)數(shù)。根據(jù)IT 負(fù)載變化，合理調(diào)整冷凍水供水溫度，確定過(guò)渡季聯(lián)合制冷及冬季自然冷源制冷模式的室外閾值溫度，可有效的延長(zhǎng)自然冷源利用小時(shí)數(shù)，對(duì)降低數(shù)據(jù)中心全年P(guān)UE 值及節(jié)約能源消耗意義重大。

4）有源濾波設(shè)備對(duì)能耗影響。有源濾波設(shè)備可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，不僅可以改善用電質(zhì)量，提高電壓穩(wěn)定性，而且有效的降低諧波電流，對(duì)各級(jí)配電系統(tǒng)能耗均有不同程度的降低，具有一定的節(jié)能。