劉宏偉，黃國(guó)瑞，白聚瑩，趙耀，代彥軍

（上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上海 200240）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)和通信需求的增長(zhǎng)，全國(guó)數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，服務(wù)器功率密度也不斷增加[1]，使得數(shù)據(jù)中心的能耗不斷增加，從而導(dǎo)致高昂的運(yùn)營(yíng)成本和環(huán)境污染問(wèn)題[2]。高緯環(huán)球預(yù)測(cè)到2025年，數(shù)據(jù)中心電力消耗將占全球用電的4.5%。故在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造和應(yīng)用可再生能源技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)有著重要意義。

體現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能的關(guān)鍵指標(biāo)是能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），PUE 指數(shù)據(jù)中心總用電量與數(shù)據(jù)中心（Information Technology，IT）設(shè)備消耗電量的比值，PUE 值越大，表示制冷和供電等配套基礎(chǔ)設(shè)施所消耗的電能越多，節(jié)能效果越差。上海地區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行PUE 普遍偏高，在1.5～2.0 之間，亟待改善[3]。上海市經(jīng)信委在新發(fā)布的文件中要求：推動(dòng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能技改和結(jié)構(gòu)調(diào)整，存量改造數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.4，新建數(shù)據(jù)中心PUE 限制在1.3 以下[4]。

可再生能源技術(shù)的應(yīng)用對(duì)降低PUE 和減少二氧化碳排放有積極作用[5]，已被國(guó)外多個(gè)著名數(shù)據(jù)中心用于電力供應(yīng)，國(guó)內(nèi)也出臺(tái)了相關(guān)政策鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用可再生能源[6]。利用低溫環(huán)境的自然冷卻技術(shù)在國(guó)內(nèi)外也有多個(gè)典型工程案例，被證明能有效減少數(shù)據(jù)中心的能耗[7]。目前，上海市存量數(shù)據(jù)中心部分利用風(fēng)冷精密空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱，其PUE 高達(dá)1.7～1.9，能效有較大的提升空間。而目前無(wú)針對(duì)此類數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)性改造分析。因此，結(jié)合上海地區(qū)環(huán)境氣候和特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)碳減排有重大意義[8]。

1 數(shù)據(jù)中心概況

1.1 數(shù)據(jù)中心介紹

研究的風(fēng)冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心共有五層，為租賃型數(shù)據(jù)中心，現(xiàn)已基本滿載。該數(shù)據(jù)中心由兩路3 600 kVA 容量的市電分別從不同電站接入進(jìn)行供電；2N 配置的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）組合互相隔離，電池支持UPS 滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)30 min；并且配有室外柴油發(fā)電機(jī)組，埋地式儲(chǔ)油罐可供發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)不低于12 h。

本文以該數(shù)據(jù)中心的第4 層機(jī)房作為研究對(duì)象。機(jī)房建筑面積586.8 m2，機(jī)房?jī)?nèi)共有80 個(gè)機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜滿負(fù)載功率2.5 kW。機(jī)房使用5 臺(tái)風(fēng)冷精密空調(diào)對(duì)房間冷卻，單臺(tái)制冷量為54 kW，其中4臺(tái)常開(kāi)，1 臺(tái)備用。機(jī)房無(wú)人值守，內(nèi)部布局如圖1 所示。這些風(fēng)冷精密空調(diào)運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)10 年，機(jī)組老舊嚴(yán)重、性能下降和能耗較高。

圖1 機(jī)房?jī)?nèi)布局

機(jī)房送風(fēng)形式為地板下送風(fēng)上回風(fēng)，機(jī)柜之間未設(shè)置冷熱通道分離，混風(fēng)嚴(yán)重，如圖2 所示。

圖2 機(jī)房送風(fēng)形式

1.2 上海氣候條件

根據(jù)海拔7 m，位于北緯31.2°東經(jīng)121.4°的上海市氣象站的數(shù)據(jù)，上海市全年8 760 h 的干濕球溫度變化如圖3 所示。冬季最低濕球溫度可達(dá)-5 ℃以下，如果合理利用冬季低溫環(huán)境進(jìn)行自然冷卻，可有效減少數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的耗能，降低PUE。

圖3 上海市干濕球溫度

2 仿真模型的建立

2.1 冷負(fù)荷模型

數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷包括IT 設(shè)備、維護(hù)結(jié)構(gòu)、人員、燈光和滲透等[9-10]。該機(jī)房為無(wú)人值守機(jī)房，相比于IT 設(shè)備產(chǎn)生的發(fā)熱量，人員流動(dòng)產(chǎn)生的冷負(fù)荷很小，可以忽略不計(jì)。數(shù)據(jù)中心的總冷負(fù)荷可以通過(guò)下列計(jì)算公式計(jì)算：

式中，Qload(i)為數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷，kW；Qenvelop(i)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷，kW；Qlighting(i)為燈光冷負(fù)荷，kW；QIT(i)為IT 設(shè)備冷負(fù)荷，kW。

2.2 制冷系統(tǒng)模型

圖4 所示為風(fēng)冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心模型。模型中制冷系統(tǒng)主要設(shè)備包括機(jī)房建筑模型、風(fēng)冷型精密空調(diào)和機(jī)柜等。根據(jù)設(shè)備的性能參數(shù)對(duì)設(shè)備模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，采用瞬態(tài)逐時(shí)計(jì)算，全面分析系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖4 風(fēng)冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心模型

通過(guò)TRNSYS模型8 760 h 的冷負(fù)荷模擬計(jì)算，得到的冷負(fù)荷分布規(guī)律圖5 所示。由圖5 可知：該數(shù)據(jù)中心機(jī)房的冷負(fù)荷在190～210 kW 波動(dòng)，且呈現(xiàn)出冬季冷負(fù)荷小，夏季冷負(fù)荷大的特點(diǎn)。

圖5 冷負(fù)荷分布規(guī)律

2.3 能效指標(biāo)

一般計(jì)算基準(zhǔn)PUE 時(shí)需考慮數(shù)據(jù)中心的總能源消耗量，對(duì)于沒(méi)有外供冷的數(shù)據(jù)中心，基準(zhǔn)PUE計(jì)算公式為：

式中，Es為數(shù)據(jù)中心基準(zhǔn)PUE，kW·h；Ptotal為數(shù)據(jù)中心總用電量，包括IT 用電、制冷系統(tǒng)用電、電力損耗和照明用電等，kWh；Poffice為辦公用電量，kW·h；PIT為IT 設(shè)備用電量，kW·h。

綜合考慮若干及技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心自身及城市整體能效提升的作用，上海市經(jīng)信委在基準(zhǔn)PUE指標(biāo)基礎(chǔ)上計(jì)算綜合PUE 指標(biāo)，并以綜合PUE 指標(biāo)作為對(duì)各數(shù)據(jù)中心的約束條件。

綜合PUE 的計(jì)算[11]：

式中，Ec為數(shù)據(jù)中心綜合PUE；γi為各項(xiàng)技術(shù)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)因子。

各項(xiàng)技術(shù)包括：太陽(yáng)能等可再生能源利用、峰谷蓄電、錯(cuò)峰蓄冷、利用周邊企業(yè)的余熱廢冷、液冷技術(shù)、能耗計(jì)量細(xì)致化， 調(diào)節(jié)因子γi的取值根據(jù)不同技術(shù)的應(yīng)用程度來(lái)決定。

2.4 模型誤差分析

首先對(duì)改造前的數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗進(jìn)行模擬，通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)，不斷調(diào)整優(yōu)化模型，使其誤差達(dá)到可接受范圍之內(nèi)。圖6 所示為實(shí)際運(yùn)行PUE 與仿真模型PUE 對(duì)比。由圖6 可知：實(shí)際運(yùn)行PUE 受上海市環(huán)境溫度的影響，在1.74～1.92變化，且呈現(xiàn)出夏季高、冬季低的變化規(guī)律；仿真模型PUE 在1.67～1.79 變化，其隨溫度變化規(guī)律與實(shí)際運(yùn)行PUE 一致，且相對(duì)誤差在7%以內(nèi)，說(shuō)明模型較為準(zhǔn)確，具備一定可靠性。

圖6 實(shí)際運(yùn)行PUE 與仿真模型PUE 對(duì)比

3 節(jié)能改造措施

3.1 精密空調(diào)改造

當(dāng)前該數(shù)據(jù)中心機(jī)房使用的是單臺(tái)總制冷量54 kW 的風(fēng)冷型精密空調(diào)，將其更換制冷量相近的氟泵精密空調(diào)。在過(guò)渡季節(jié)時(shí)，氟泵精密空調(diào)能夠使用氟泵增壓，使機(jī)組能效比提升；在低溫季節(jié)時(shí)，氟泵精密空調(diào)可以關(guān)閉壓縮機(jī)，僅使用氟泵驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)，充分利用自然冷卻，從而減少制冷系統(tǒng)的耗能[12-13]。表1 所示為改造前后精密空調(diào)參數(shù)對(duì)比。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB40879—2021《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級(jí)》[14]中全國(guó)部分城市溫度分布系數(shù)表，氟泵精密空調(diào)的性能參數(shù)如表2 所示。

表1 風(fēng)冷精密空調(diào)與氟泵精密空調(diào)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表2 上海市溫度分布及氟泵精密空調(diào)能效

3.2 冷熱通道分離改造

改造前該數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用地板下送風(fēng)上回風(fēng)的氣流組織方式，機(jī)柜側(cè)冷熱氣流摻混嚴(yán)重，導(dǎo)致服務(wù)器的散熱效果不佳[15-17]。改善機(jī)房氣流組織的方式之一是冷熱通道隔離[18-19]，考慮施工限制，針對(duì)此機(jī)房采用冷通道封閉來(lái)實(shí)現(xiàn)冷熱通道隔離，機(jī)房氣流組織參數(shù)如表3 所示。冷風(fēng)從開(kāi)口地板進(jìn)入兩排機(jī)柜中間的冷通道，經(jīng)過(guò)負(fù)載設(shè)備后，再進(jìn)入熱通道，從而減少冷熱氣流的摻混[20-21]。

表3 機(jī)房氣流組織參數(shù)

3.3 太陽(yáng)能光伏和儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用

本文研究對(duì)象為數(shù)據(jù)中心第4 層的一間機(jī)房，而光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃應(yīng)當(dāng)按照整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗進(jìn)行設(shè)計(jì)，故本小節(jié)提及的能耗數(shù)據(jù)為整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)中心屋頂及車棚平整，可利用空閑面積安裝光伏系統(tǒng)。屋頂及車棚共可安裝434 塊300 W 的單晶硅光伏組件，年發(fā)電量可達(dá)145 000 kW·h。據(jù)能耗計(jì)量統(tǒng)計(jì)，此數(shù)據(jù)中心年用電量為23 511 900 kW·h。光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量大于數(shù)據(jù)中心年總用電量的0.01%，可使其綜合PUE 降低0.02[11]。

本數(shù)據(jù)中心園區(qū)有空閑地面可放置儲(chǔ)能設(shè)備。設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量430 kW·h，按照90%充放電深度，兩充兩放，充放電效率為90.9%。該峰谷蓄電儲(chǔ)能系統(tǒng)全年蓄能發(fā)電量可達(dá)257 084 kW·h，大于數(shù)據(jù)中心總用電量的1%，可使綜合PUE 降低0.015[11]。照明設(shè)備是長(zhǎng)為1.2 m、管徑為16 mm 的圓管燈，其額功率為28 W；在保證照明要求的同時(shí)，可使用8 W 的LED 燈實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在實(shí)施以上改造的同時(shí)細(xì)化數(shù)據(jù)中心能耗計(jì)量，可再使綜合PUE下降0.01[11]。

3.4 改造后的能源系統(tǒng)

改造后，該數(shù)據(jù)中心機(jī)房能源系統(tǒng)原理如圖7所示。由圖7 可知：數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)分為兩部分，一部分是是包括市電、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能蓄電池組、光伏發(fā)電模塊、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、低壓配電系統(tǒng)、UPS或高壓直流的電力系統(tǒng)；另一部分是機(jī)房?jī)?nèi)部的制冷系統(tǒng)，由5 臺(tái)氟泵精密空調(diào)及機(jī)柜組成，機(jī)柜之間采用冷通道隔離，起到分離冷熱氣流的作用。

圖7 數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)原理

4 改造措施的效果分析

4.1 冷熱通道分離分析

利用AIRPAK 軟件對(duì)機(jī)房氣流組織進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖8 所示為冷熱通道分離前后的溫度分布。當(dāng)送風(fēng)溫度設(shè)置為20 ℃時(shí)，改造前冷通道平均溫度為23.43 ℃，且冷通道內(nèi)溫度分布極不均勻，機(jī)柜內(nèi)聚集有大量熱。冷熱通道分離后冷通道平均溫度為21.45 ℃，且通道內(nèi)溫度分布較為均勻，不易出現(xiàn)熱點(diǎn)[22]。由此可見(jiàn)，冷熱通道分離可以有效優(yōu)化機(jī)房氣流組織，減少制冷量的損耗。在滿足機(jī)房溫度條件的情況下，實(shí)施冷熱通道分離后可以適當(dāng)提高送風(fēng)溫度，從而降低制冷系統(tǒng)能耗[23-24]。

圖8 冷熱通道分離前后溫度分布

4.2 能耗對(duì)比分析

圖9 所示為該數(shù)據(jù)中心改造前后能耗構(gòu)成對(duì)比。改造前總能耗為2 457 782 kW·h，改造后總能耗為2 002 829 kW·h（光伏系統(tǒng)的發(fā)電量未計(jì)入其中，因光伏發(fā)電不穩(wěn)定且發(fā)電量較少，一般用數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)，不用于機(jī)房），其中，IT 設(shè)備、精密空調(diào)、UPS 等損耗、照明和其他耗能分別占57.03%、30.00%、7.98%和4.99%；改造后其對(duì)應(yīng)占比分別為69.98%、16.72%、9.80%和3.50%。

圖9 改造前后能耗構(gòu)成對(duì)比

可知IT 設(shè)備能耗占比有較大提升，能源利用率得到提高；自然冷源的利用使精密空調(diào)能耗占比大大減少；UPS 等電力損耗變化不大，因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)的峰谷蓄電調(diào)節(jié)不能減少數(shù)據(jù)中心用電量，而是用于調(diào)整改善城市整體能效，所以此次改造未對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生太大影響；照明及其他用電有所降低但不明顯，說(shuō)明照明改造有節(jié)能效果，但燈具功率較低，對(duì)總能耗影響較小。

4.3 PUE 分析

圖10 所示為改造前后基準(zhǔn)PUE 與綜合PUE 對(duì)比。由圖10 可知：改造前該數(shù)據(jù)中心的PUE 為1.75，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上海市要求的存量改造數(shù)據(jù)中心PUE 不高于1.4 的目標(biāo)。通過(guò)氟泵精密空調(diào)改造、氣流組織優(yōu)化以及照明改造，該數(shù)據(jù)中心的基準(zhǔn)PUE 降低至1.43。相較于改造前，PUE 減小了18.3%，但仍未達(dá)到改造目標(biāo)。由于場(chǎng)地條件限制，很難從降低非IT 設(shè)備能耗方向上著手進(jìn)一步降低PUE。因此，利用園區(qū)屋頂及空地增設(shè)光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)，并完善對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗計(jì)量，既響應(yīng)國(guó)家對(duì)新能源技術(shù)應(yīng)用的政策，又能進(jìn)一步降低PUE，最終可使綜合PUE 降低至1.385，達(dá)到改造目標(biāo)。

圖10 改造前后基準(zhǔn)PUE 與綜合PUE 的對(duì)比

5 結(jié)論

本文以上海某典型風(fēng)冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心機(jī)房為對(duì)象，利用TRNSYS 平臺(tái)搭建了該數(shù)據(jù)中心全年動(dòng)態(tài)能耗模型以及能源系統(tǒng)模型，對(duì)其能耗進(jìn)行仿真模擬，研究了應(yīng)用氟泵自然冷卻技術(shù)、氣流組織改善優(yōu)化、光伏發(fā)電技術(shù)、峰谷蓄電儲(chǔ)能技術(shù)和照明改造等各項(xiàng)節(jié)能措施對(duì)該數(shù)據(jù)中心能耗的影響，分析了不同節(jié)能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心能源利用效率的影響，得出如下結(jié)論：

1）采取文中分析的措施進(jìn)行改造后，該風(fēng)冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心的基準(zhǔn)PUE 從1.75 降低至1.43，綜合PUE 從1.75 降低至1.385，滿足上海市存量改造數(shù)據(jù)中心PUE 不高于1.4 的要求；

2）制冷系統(tǒng)優(yōu)化（包括精密空調(diào)改造、氣流組織優(yōu)化和照明改造）使基準(zhǔn)PUE 降低了0.32；光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)改造雖然對(duì)降低能耗幫助不大，但能夠使綜合PUE 降低0.035；

3）對(duì)于類似的使用風(fēng)冷精密空調(diào)作為制冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心改造，由于場(chǎng)地等條件的限制，可以優(yōu)先考慮使用氟泵精密空調(diào)，利用自然冷卻技術(shù)降低制冷系統(tǒng)能耗；其次考慮冷熱通道分離技術(shù)，提升機(jī)房制冷效率；再利用光伏技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)，降低綜合PUE。