張令澤,賀 曉,張 飛,張興江,劉 冬(.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司,河南 鄭州 450007;.中國(guó)聯(lián)通陜西分公司,陜西西安 70000)
隨著國(guó)家碳達(dá)峰碳中和工作的逐步推進(jìn),2022年,工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局等7部門聯(lián)合印發(fā)了《信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2022—2025年)》,指出“加快‘老舊小散’存量數(shù)據(jù)中心資源整合和節(jié)能改造。到2025 年,全國(guó)新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心電能利用效率(PUE)降到1.3 以下”?!巴苿?dòng)機(jī)房通信主設(shè)備能效在線測(cè)試及更新?lián)Q代。到2025 年,改建核心機(jī)房PUE 降到1.5 以下”[1]。現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)中心的低碳節(jié)能改造,愈加緊迫。
存量數(shù)據(jù)中心建設(shè)較早,目前都在運(yùn)行之中,雖然進(jìn)行整體全方位全系統(tǒng)的改造能有效快速地降低PUE,但需要進(jìn)行分批割接在線運(yùn)營(yíng)的設(shè)備、騰挪機(jī)柜、清理核查線纜等工作[2],工期較長(zhǎng)、工序復(fù)雜且難度較高。本文針對(duì)存量數(shù)據(jù)中心特點(diǎn),探索一種不進(jìn)行通信割接、不影響現(xiàn)有通信機(jī)房使用的局部升級(jí)改造方案思路,是實(shí)現(xiàn)存量數(shù)據(jù)中心能源側(cè)“低碳節(jié)能”目標(biāo)以及降本增效的一種可能路徑。
PUE是目前衡量數(shù)據(jù)中心能源利用效率的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),其表示了數(shù)據(jù)中心總能耗與IT 設(shè)備總能耗的比值,即PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備總能耗=1+制冷負(fù)載因子(CLF)+供電負(fù)載因子(PLF)+其他因子。
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)典型數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成為:IT 系統(tǒng)占50%、制冷系統(tǒng)占37%、供電系統(tǒng)占10%、照明及其他占3%[3]。制冷負(fù)載因子在PUE 的組成中占比較大且受氣候、制冷方案、設(shè)備性能、運(yùn)維精細(xì)度等影響,浮動(dòng)范圍較大,是低碳節(jié)能改造的重點(diǎn)。供電負(fù)載因子占比較小且浮動(dòng)范圍較小,其他因子主要包括通風(fēng)、照明、插座等,占比最小且比較固定。因此,本次存量數(shù)據(jù)中心局部低碳升級(jí)改造路徑主要集中在數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng),對(duì)電源系統(tǒng)不進(jìn)行著重論述。
存量數(shù)據(jù)中心普遍建設(shè)時(shí)間較早,受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制,能耗及運(yùn)行電費(fèi)較高。據(jù)統(tǒng)計(jì),數(shù)據(jù)中心建成后,電費(fèi)占運(yùn)維總成本的60%~70%,在一些老舊存量數(shù)據(jù)中心這一比例還會(huì)更高[4]。
經(jīng)過(guò)對(duì)某運(yùn)營(yíng)商全國(guó)50 座存量數(shù)據(jù)中心的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),存量數(shù)據(jù)中心PUE 普遍偏高。如圖1 所示,88%的存量數(shù)據(jù)中心PUE 超過(guò)了1.35,其中46%的數(shù)據(jù)中心的PUE超過(guò)了1.5。
圖1 某運(yùn)營(yíng)商存量數(shù)據(jù)中心運(yùn)行PUE
以某運(yùn)營(yíng)商西部某省通信基地存量數(shù)據(jù)中心為例。該數(shù)據(jù)中心建設(shè)于2013 年,已投產(chǎn)運(yùn)行近10 年。經(jīng)測(cè)量,該數(shù)據(jù)中心年耗電量約為4 175 萬(wàn)kWh,運(yùn)行電費(fèi)約為2 376 萬(wàn)元,年均PUE 約為1.63,能耗及運(yùn)行電費(fèi)成本較高。如表1所示。
表1 某數(shù)據(jù)機(jī)房樓運(yùn)行用電量及PUE
在國(guó)家雙碳目標(biāo)的牽引下,這些高PUE 的存量數(shù)據(jù)中心改造迫在眉睫。
既有存量數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)施工年限較早,地板局部密封不嚴(yán)、機(jī)位缺少盲板的現(xiàn)象較為常見(jiàn)。地板局部密封不嚴(yán)會(huì)使冷氣在到達(dá)要冷卻的機(jī)柜前就發(fā)生滲漏。冷氣的滲漏既造成了電力的不必要浪費(fèi),又會(huì)使其余待冷卻機(jī)柜的冷量缺少而引起溫差過(guò)大,不利于通信設(shè)備的安全。如何加強(qiáng)架空地板的管理,使得架空地板漏風(fēng)率不大于5%[5],是既有數(shù)據(jù)中心氣流組織改造的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
當(dāng)缺少盲板時(shí),出風(fēng)面一側(cè)的空氣受到地板送風(fēng)口送風(fēng)的卷吸作用,而通過(guò)機(jī)柜下部無(wú)盲板的區(qū)域流動(dòng),會(huì)導(dǎo)致機(jī)柜進(jìn)風(fēng)面下部區(qū)域的溫度偏高。
冷凍水、冷卻水以及補(bǔ)水的水質(zhì)對(duì)于水冷系統(tǒng)空調(diào)的效率、設(shè)備壽命都有非常重要的影響。有些市政供水水質(zhì)較硬,其含有的碳酸鹽濃度會(huì)隨著冷卻水蒸發(fā)而增加,并結(jié)合水中的HCO3?遇熱發(fā)生分解,過(guò)程如式(1)所示:
此后,當(dāng)冷卻水流經(jīng)冷卻塔時(shí),水中的CO2會(huì)逸出,促使正向反應(yīng)的進(jìn)行,且隨著換熱器表面溫度的升高,析出的碳酸鈣晶體將在沉淀后發(fā)生結(jié)垢[6]。
通過(guò)對(duì)某運(yùn)營(yíng)商西部某通信基地存量數(shù)據(jù)中心的補(bǔ)充水和循環(huán)冷卻水的水質(zhì)進(jìn)行取樣分析,水質(zhì)主要參數(shù)及相應(yīng)的國(guó)標(biāo)要求如表2所示。
表2 某數(shù)據(jù)中心實(shí)測(cè)水質(zhì)和規(guī)范要求值
通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心的補(bǔ)充水和循環(huán)冷卻水的水質(zhì)進(jìn)行取樣分析,發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)率、氯離子超標(biāo)、總硬度超標(biāo)且含氧量(CODcr)超標(biāo)。該種水質(zhì)在管路中長(zhǎng)期循環(huán),將會(huì)加快管路及設(shè)備腐蝕,且更易滋生微生物并產(chǎn)生粘泥,影響設(shè)備換熱效率。
某運(yùn)營(yíng)商全國(guó)50座存量數(shù)據(jù)中心中,采用水冷空調(diào)系統(tǒng)的有28 座。通過(guò)統(tǒng)計(jì)這28 座的供回水溫度和PUE 發(fā)現(xiàn),在供回水溫度為7~12 ℃至10~15 ℃時(shí),平均PUE 超過(guò)1.62;在供回水溫度為10~15 ℃至15~21 ℃時(shí),平均PUE約為1.46;在供回水溫度為15~21 ℃時(shí),平均PUE 約為1.37。PUE 呈現(xiàn)隨供回水溫度的升高而降低的趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)。
圖2 某運(yùn)營(yíng)商存量數(shù)據(jù)中心供回水溫度和PUE
通過(guò)對(duì)某運(yùn)營(yíng)商全國(guó)50 座存量數(shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)29座(約60%)的存量數(shù)據(jù)中心運(yùn)行時(shí)間超過(guò)5 年,只有21 座(約40%)的存量數(shù)據(jù)中心運(yùn)行時(shí)間低于5年。因此,存量數(shù)據(jù)中心運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),設(shè)備老舊成為了普遍現(xiàn)象。
其中,相當(dāng)一部分存量數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵、空調(diào)末端等多數(shù)為非變頻產(chǎn)品,不能根據(jù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)甚至機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度傳感器靈敏度經(jīng)復(fù)測(cè)都不能滿足要求。
定頻機(jī)房空調(diào)的啟動(dòng)電流大,會(huì)對(duì)機(jī)房電網(wǎng)造成沖擊;另外,空調(diào)啟??刂茣?huì)導(dǎo)致機(jī)房的溫濕度波動(dòng),溫度波動(dòng)范圍通常為±2 ℃,濕度波動(dòng)范圍通常為±10%[7],并有可能影響機(jī)房服務(wù)器的正常運(yùn)行,而且高頻率啟停,全年能效比較低,不利于節(jié)能。
冷通道溫濕度傳感器的靈敏度、穩(wěn)定度、可靠度也會(huì)影響數(shù)據(jù)中心的能耗。以某運(yùn)營(yíng)商西部某省通信基地存量數(shù)據(jù)中心為例,經(jīng)復(fù)測(cè),部分機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度傳感器顯示溫度比實(shí)際高出3~4℃,導(dǎo)致機(jī)房實(shí)際溫度偏低。測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生很大影響。據(jù)研究,冷水供水溫度測(cè)量不準(zhǔn)確讀數(shù)偏高0.56 ℃,導(dǎo)致冷水實(shí)際溫度降低0.56 ℃,為了維持這個(gè)錯(cuò)誤的供水溫度導(dǎo)致制冷機(jī)功耗增加2%~4%。不了解設(shè)備真實(shí)的溫度不僅可能導(dǎo)致能源的浪費(fèi),更嚴(yán)重的是,可能因?yàn)槌^(guò)許可的運(yùn)行范圍而損壞機(jī)器[8]。
綜上所述,既有存量數(shù)據(jù)中心存在能耗高、氣流密封不嚴(yán)、水質(zhì)差、大量設(shè)備老舊等問(wèn)題,亟需進(jìn)行低碳節(jié)能改造。
針對(duì)存量數(shù)據(jù)中心,應(yīng)分不同場(chǎng)景采用相應(yīng)的改造方案,分批、分期、分級(jí)推動(dòng)低碳化升級(jí),通過(guò)優(yōu)化運(yùn)營(yíng)管理、局部升級(jí)改造、系統(tǒng)升級(jí)改造、關(guān)停并轉(zhuǎn)等措施不斷降低運(yùn)行PUE,實(shí)現(xiàn)2025 年大型數(shù)據(jù)中心PUE普遍不超過(guò)1.5的目標(biāo)。
對(duì)于全面落后、運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10年、PUE>2.0、負(fù)載率低于20%且無(wú)能效監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)的老舊數(shù)據(jù)中心,以及設(shè)備老舊衰減、性能逐漸劣化,機(jī)房層高、承重不滿足節(jié)能設(shè)備部署的數(shù)據(jù)中心,考慮關(guān)停并轉(zhuǎn)措施。
對(duì)于系統(tǒng)功能落后,高耗低效的存量數(shù)據(jù)中心,建議結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況,一事一議,選用合適的低碳化方案,進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)改造。
同時(shí),通過(guò)數(shù)字化、智能化手段,優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行策略及運(yùn)行參數(shù)等運(yùn)維措施,也可有效降低能耗。
對(duì)于采用成熟的節(jié)能技術(shù)及高效節(jié)能設(shè)備,結(jié)合逾齡老舊設(shè)備更新,有計(jì)劃地完成局部低碳化改造,初步估算可降低PUE約0.04~0.15。
ECO 模式還可稱為旁路模式、高效模式或者多模式。綠色網(wǎng)格組織在其發(fā)布的數(shù)據(jù)中心成熟度模型中將ECO模式作為提高UPS系統(tǒng)能效的重要策略[9]。
UPS系統(tǒng)正常運(yùn)行工況為整流?逆變模式,其效率要低于預(yù)期的ECO 模式。而根據(jù)綠色網(wǎng)格組織對(duì)UPS 系統(tǒng)ECO 模式的能效分析給出的結(jié)論是比正常模式的能效高出4.3%;對(duì)UPS系統(tǒng)應(yīng)用ECO 模式的數(shù)據(jù)中心而言,其PUE 可降低0.04~0.11[10]。但并不是所有的UPS 系統(tǒng)都可以采用ECO 模式,需要比較UPS 的輸出特性和IT 設(shè)備電源供應(yīng)器的輸入特性。若UPS的輸出電源中斷時(shí)間大于電源供應(yīng)器可以承受的電源輸入中斷時(shí)間,就不可以實(shí)施ECO模式。
以某運(yùn)營(yíng)商西部某通信基地存量數(shù)據(jù)中心為例,通過(guò)分析測(cè)試,可考慮將2N系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)其中一套UPS 設(shè)置在ECO 模式,另一套工作在正常整流逆變模式,該方案在保障機(jī)房IT 設(shè)備安全供電的同時(shí),可有效降低運(yùn)行損耗,降低系統(tǒng)PUE約0.058。
既有存量數(shù)據(jù)機(jī)房可以通過(guò)對(duì)地板漏風(fēng)區(qū)域封堵、增加機(jī)柜盲板、調(diào)整送風(fēng)口、關(guān)閉余量空調(diào)等方法,達(dá)到節(jié)能降效的目的。
由于數(shù)據(jù)機(jī)房對(duì)溫度要求較高,一般來(lái)說(shuō)溫度控制在24 ℃±2 ℃、濕度50%±5%,而一般通信設(shè)備電子元器件正常的工作溫度范圍較大,上限一般在35~40 ℃。為了保證機(jī)柜內(nèi)部的通信設(shè)備散熱效果良好,必須保證機(jī)房過(guò)道環(huán)境溫度較低[11]。因此,架空地板漏風(fēng)封堵區(qū)域應(yīng)包含機(jī)房?jī)?nèi)所有架空地板區(qū)域,如靠墻邊、柱邊、局部地板破損處以及地板模塊縫隙、地板與結(jié)構(gòu)相交部位等。在電纜、通信光纜穿過(guò)處,也要進(jìn)行嚴(yán)格的密封。
架空地板密封方法可在架空地板下側(cè),用A 級(jí)的橡膠墊與架空地板進(jìn)行黏接,滿涂膠黏劑;橡膠墊上緣與立管通過(guò)柔性卡箍固定。封堵后應(yīng)進(jìn)行施工質(zhì)量外觀檢驗(yàn)。合格后,應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密性檢驗(yàn)和漏風(fēng)量檢驗(yàn),漏風(fēng)量應(yīng)符合規(guī)范允許的數(shù)值。
增設(shè)盲板對(duì)機(jī)房環(huán)境和空調(diào)節(jié)能影響較大,暫時(shí)未使用的機(jī)柜應(yīng)增設(shè)盲板,且應(yīng)優(yōu)先在近空調(diào)機(jī)柜側(cè)加裝盲板[12]。根據(jù)相關(guān)研究表明,在2 列機(jī)柜間增設(shè)盲板可使機(jī)柜送風(fēng)面溫度降低2~3 K,尤其是下部區(qū)域受益更為明顯。在此基礎(chǔ)上,采用斜向上送風(fēng)的形式,可使機(jī)柜送風(fēng)面溫度降低3~5 K。這對(duì)于在同樣負(fù)荷下,節(jié)省空調(diào)冷負(fù)荷乃至提升空調(diào)送風(fēng)溫度、提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行效率有很大的幫助。
目前適宜蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)處理方法有很多,如高壓靜電場(chǎng)處理法、低壓靜電場(chǎng)處理法、高頻電磁場(chǎng)處理法和射頻場(chǎng)處理法等物理場(chǎng)處理方法和臭氧法、化學(xué)法、膜分離法、超聲波法、量子法等水質(zhì)處理方法。以某運(yùn)營(yíng)商西部某省通信基地存量數(shù)據(jù)中心為例,使用年限較長(zhǎng)的開(kāi)式橫流冷卻塔沉積大量片狀鈣鎂沉積物,除對(duì)集水盤進(jìn)行清理維修更換填料外,還啟用了全自動(dòng)智能加藥裝置及復(fù)合電吸附裝置。
全自動(dòng)智能加藥裝置可通過(guò)投加阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑等來(lái)處理循環(huán)冷卻水,使其避免出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢、腐蝕等問(wèn)題。同時(shí),加藥裝置配置有在線儀表,可對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。
復(fù)合電吸附裝置是采用電化學(xué)的方法來(lái)處理循環(huán)冷卻水,過(guò)程中會(huì)生成次氯酸等殺菌物質(zhì),可以替代部分控制微生物用殺菌劑,減少了系統(tǒng)的加藥量。同時(shí),復(fù)合電吸附裝置可以將循環(huán)冷卻水內(nèi)的結(jié)垢物質(zhì)吸附去除,也減少了對(duì)阻垢劑的需求。
通過(guò)將全自動(dòng)智能加藥裝置及復(fù)合電吸附裝置用于循環(huán)冷卻水除垢、阻垢處理后,有效地保證了循環(huán)冷卻水水質(zhì)平衡,并具有殺菌滅藻、防腐蝕的功能,提升了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率。
數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷主要是服務(wù)器、UPS 等用電設(shè)備的散熱形成的顯熱負(fù)荷,潛熱負(fù)荷占比很小,因此可用較高的冷凍水供冷溫度來(lái)滿足冷負(fù)荷需求。
從空調(diào)制冷原理來(lái)講,在蒸發(fā)溫度(對(duì)應(yīng)冷凍水出水溫度)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)一定的情況下,冷凝溫度(對(duì)應(yīng)冷卻水進(jìn)水溫度)越低,制冷系數(shù)越大,耗電量就越??;同理,在冷凝溫度(對(duì)應(yīng)冷卻水進(jìn)水溫度)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)一定的情況下,蒸發(fā)溫度(對(duì)應(yīng)冷凍水出水溫度)越高,制冷系數(shù)越大,耗電量就越小。
蒸發(fā)溫度發(fā)生變量△Te時(shí),壓縮機(jī)用電量△Wt的變化值可以用式(2)進(jìn)行計(jì)算:
式中:
Qe——蒸發(fā)器制冷量(kW)
Wt——壓縮機(jī)(理論)功率(kW)
Te——蒸發(fā)溫度(K)
從式(2)可以看出,提高冷凍水的溫度,可以降低壓縮機(jī)的用電量。
以某品牌3 000 kW 制冷量水冷離心冷水機(jī)組的制冷工況為例,隨著供回水溫差增大,機(jī)組制冷能效比提高,耗電量下降。相比于11/16℃的5℃溫差工況,溫差每提高1℃,單位制冷量能耗下降約0.2%。
圖3 為某知名冷機(jī)廠家變頻離心機(jī)在不同冷凍水、冷卻水溫度時(shí)的COP。據(jù)統(tǒng)計(jì),冷卻水溫度每降低1℃,空調(diào)COP 值增加1.4%~5.5%,平均增加3.8%;而冷凍水溫度每升高1℃,空調(diào)COP 值增加2.5%~3.5%,平均增加3.0%。
圖3 某知名冷機(jī)廠家在不同冷凍水、冷卻水溫度時(shí)的COP
因此,建議在運(yùn)行設(shè)備允許的情況下,提升空調(diào)系統(tǒng)的供回水溫度,這對(duì)于存量數(shù)據(jù)中心節(jié)能有著重要意義。
通過(guò)研究某品牌的冷水機(jī)組COP 與負(fù)荷率的關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn),在低負(fù)荷率下變頻冷水機(jī)組COP 與負(fù)荷率的關(guān)系曲線存在波峰,有一個(gè)最佳運(yùn)行的負(fù)荷率區(qū)間(40%~60%),在此區(qū)間內(nèi)變頻冷水機(jī)組較定頻冷水機(jī)組有很大優(yōu)勢(shì),而在高負(fù)荷率(90%~100%)時(shí)變頻冷水機(jī)組和定頻冷水機(jī)組的COP相當(dāng)。
因此,既有數(shù)據(jù)中心在節(jié)能改造選型時(shí)要考慮業(yè)務(wù)的分期建設(shè)和業(yè)務(wù)的負(fù)荷率發(fā)展情況而合理地進(jìn)行設(shè)備選擇。以某運(yùn)營(yíng)商西部某通信基地存量數(shù)據(jù)中心為例,其裝機(jī)時(shí)間較早,單機(jī)平均功率較低,業(yè)務(wù)負(fù)荷率約為50%,因此將空調(diào)末端由定頻改為變頻,取得了較好的節(jié)能效果。
存量傳感器只能給出信號(hào)的測(cè)量值,不能同時(shí)給出該測(cè)量值的準(zhǔn)確度和可信度等參數(shù)。傳感器測(cè)量值的準(zhǔn)確度范圍是由傳感器生產(chǎn)廠家或用戶定期經(jīng)過(guò)標(biāo)定給出。在數(shù)據(jù)中心工作一段時(shí)間后,傳感器給出的測(cè)量值是否還在校準(zhǔn)時(shí)給出的準(zhǔn)確度范圍之內(nèi),其輸入、輸出特性有無(wú)發(fā)生變化,傳感器是否發(fā)生故障,這些情況用戶都不能直接判斷出來(lái)。因此對(duì)既有老舊數(shù)據(jù)中心改造時(shí),要注意對(duì)傳感器的檢定、測(cè)量,保證其數(shù)據(jù)的可靠性。如發(fā)現(xiàn)傳感器敏感度降低,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行替換。
除了上述常見(jiàn)的問(wèn)題及改造路徑外,還可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況從數(shù)字孿生、AI 調(diào)優(yōu)、氣流組織優(yōu)化、建設(shè)集中冷池、加強(qiáng)運(yùn)維人員能力等方面助力存量數(shù)據(jù)中心的低碳升級(jí),促進(jìn)其節(jié)能降耗。本文對(duì)存量數(shù)據(jù)中心存在的一些通病進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的局部升級(jí)改造措施,探索存量數(shù)據(jù)中心低碳節(jié)能改造路徑,為提高數(shù)據(jù)中心的改造方案提供更多的可行性參考。