近幾年，我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅速，2015年我國數(shù)據(jù)中心突破1500萬平方米，而其日益突出的能耗問題也越來越不容忽視，2015年數(shù)據(jù)中心的電耗為1000億度，年耗電量超過全社會用電量的1.5%。據(jù)調(diào)查，國外數(shù)據(jù)中心采取多樣的節(jié)能改造措施，將PUE平均值控制在1.2以下：美國俄勒岡州Facebook數(shù)據(jù)中心，通過在頂部修建巨大的中央通風(fēng)系統(tǒng)和蒸發(fā)間，讓干空氣帶走熱量，將PUE控制在1.05~1.10；芬蘭哈米納的Google數(shù)據(jù)中心，利用海水循環(huán)降溫，將PUE控制在1.14；冰島雷雅內(nèi)斯巴的Verne Global數(shù)據(jù)中心，采用當(dāng)?shù)刎S富、便宜的地?zé)岷退Y源供電，利用冰島天然的寒冷，干燥的天氣用于設(shè)備降溫，將PUE值控制在1.2。而我國數(shù)據(jù)中心能源利用效率水平整體偏低，我國的大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE值大于2.0，平均值更是高達2.5。但研究表明，應(yīng)用現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)，可使數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)平均實現(xiàn)節(jié)能25%、36%和18%，使數(shù)據(jù)中心整體平均實現(xiàn)節(jié)能35%。因此，對我國數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能優(yōu)化是十分有必要的。
數(shù)據(jù)中心能耗調(diào)研
1、調(diào)研對象及內(nèi)容
本次調(diào)研對象為北京市12處數(shù)據(jù)中心，其基本信息見表1。本次調(diào)研對象從投入使用時間、規(guī)模以及制冷形式來看，基本涵蓋了北京市所有數(shù)據(jù)中心的類型，選取的數(shù)據(jù)中心樣本具有一定的代表性。調(diào)研內(nèi)容包括數(shù)據(jù)中心基本信息、能源評價信息、能耗指標(biāo)信息、能源管理系統(tǒng)信息。
2、調(diào)研方法
對主要耗電量（供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）分別計量，采用2h一次的測量周期。在UPS的輸入端與輸出端分別安裝電表，利用兩者差值計量供電系統(tǒng)的用電量。監(jiān)測制冷系統(tǒng)的用電量應(yīng)包括室內(nèi)空調(diào)末端，水冷式制冷還包括壓縮機、冷凍水泵、冷卻水系統(tǒng)、末端冷凍水系統(tǒng)的耗電量。
3、調(diào)研結(jié)果
根據(jù)上述方法，得到各數(shù)據(jù)中心的總用電量、IT設(shè)備用電量、空調(diào)用電量、可再生能源發(fā)電量等能耗指標(biāo)，整理后得到各數(shù)據(jù)中心的PUE和CLF值。具體信息如表2所示。
3、調(diào)研分析
1、數(shù)據(jù)中心投入使用時間對PUE的影響
由圖1可以看出，2012年后投入使用的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.3-1.8之間，2012年前建成的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.8-2.5之間。說明新建成的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)開始重視數(shù)據(jù)中心高能耗的問題，越來越注重節(jié)能措施在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用。
2、數(shù)據(jù)中心規(guī)模對PUE的影響
由圖2可以看出，數(shù)據(jù)中心的面積對于數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)PUE值有一定的影響。定性地分析，數(shù)據(jù)中心的PUE與面積的大小基本成反比關(guān)系，面積較大的數(shù)據(jù)中心的PUE值較低，而面積較小的數(shù)據(jù)中心的PUE值相對較高。
3、數(shù)據(jù)中心制冷形式對PUE的影響
本次調(diào)研中，風(fēng)冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.9左右，水冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.7左右。風(fēng)冷式直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)的初投資成本最低，系統(tǒng)組成簡單、器件少、施工簡單工期短，但是制冷系統(tǒng)效率低，運行穩(wěn)定性差，維護成本極高，適用于水源缺乏的地區(qū)、小型數(shù)據(jù)中心[9]。水冷式直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)的初投資成本稍高，需要布置冷卻塔及空調(diào)水系統(tǒng)，但是制冷系統(tǒng)效率高，維護成本低，適用于有集中冷卻水系統(tǒng)的場所[10]。因此，風(fēng)冷式數(shù)據(jù)中心的PUE值要高于水冷式數(shù)據(jù)中心。
數(shù)據(jù)中心節(jié)能優(yōu)化
根據(jù)上述調(diào)研結(jié)果，以北京市某數(shù)據(jù)中心為對象，對其進行DeST能耗模擬及節(jié)能優(yōu)化。該建筑主要功能房間現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計、空氣處理設(shè)備以及冷熱源設(shè)計如表3所示。
1、空調(diào)系統(tǒng)方案改造
對原有空調(diào)系統(tǒng)進行改造，提出兩種改造方案：
1、風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的運行作息按照辦公室空調(diào)啟停作息，根據(jù)人均新風(fēng)量和維持室內(nèi)正壓最小新風(fēng)量綜合確定房間總的新風(fēng)量；
2、全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)，各房間的送風(fēng)范圍4-8次/h。
對上述空調(diào)系統(tǒng)方案進行模擬計算，可以計算得到各系統(tǒng)全年滿意（系統(tǒng)可達到設(shè)計要求）小時數(shù)如表4所示，對比發(fā)現(xiàn)各房間全年滿意小時數(shù)有明顯增加，有的甚至增加了一倍。
選取全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)和風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)在不滿意時刻（3月6號上午9點）各個房間室溫和送風(fēng)量情況，系統(tǒng)大部分需要供熱，一部分房間需要制冷。有些房間溫度已經(jīng)達到室溫下限，有些房間溫度已超出室溫要求上限，因為是定風(fēng)量系統(tǒng)，所以并不能通過風(fēng)量來調(diào)整，從而系統(tǒng)無法同時滿足各個房間的要求。選取全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)同一時刻，系統(tǒng)大部分需要供熱，一部分房間需要制冷。有些房間溫度已經(jīng)達到室溫下限，將風(fēng)量調(diào)小可以使房間溫度上升，達到室內(nèi)要求溫度；有些房間溫度已超出室溫要求上限，將風(fēng)量調(diào)大可以使房間溫度下降。因此全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)可以通過調(diào)整各房間的風(fēng)量來同時滿足各個房間的要求。
2、空氣處理設(shè)備方案改造
1、冷器選型
利用DeST對原有方案全年運行情況進行逐時模擬計算。計算得到，方案不能滿足設(shè)計送風(fēng)狀態(tài)要求的小時數(shù)達到295h。針對某一不滿足要求的時刻，設(shè)備無法將空氣處理到此時此刻系統(tǒng)要求的送風(fēng)狀態(tài)點S點，只能將空氣處理到與其溫度相當(dāng)?shù)腛點，但要求的除濕量卻相差很大，使室內(nèi)含濕量過大。因為8排的表冷器的通用換熱效率高，濕工況運行時，表冷器處理空氣狀態(tài)點接近飽和線，如果此時將空氣從混風(fēng)狀態(tài)點M點除濕到與S點等濕值得狀態(tài)點，空氣溫度會比送風(fēng)狀態(tài)點S點低很多，送風(fēng)溫度無法滿足要求，所以此時此刻設(shè)備無法同時滿足送風(fēng)溫度和濕度的要求。采用4排帶旁通的表冷器，通過處理部分空氣到低溫低濕狀態(tài)再與未處理空氣混合便可以達到送風(fēng)狀態(tài)點，可以很好地避免上述問題。
2、熱回收處理方案改造
利用DeST對不設(shè)新排風(fēng)換熱器、設(shè)置顯熱回收器、設(shè)置全熱回收器三種方案進行模擬，比較三種熱回收方案的運行能耗。設(shè)置顯熱回收器額定的溫度效率為0.7，全熱回收器額定的溫度效率0.7，額定的濕度效率0.7。模擬得到三種方案的運行能耗依次為18863.6kWh、15562.5kWh、11523.8kWh。該系統(tǒng)采用全熱回收的方式運行與不設(shè)置熱回收裝置相比可節(jié)省了38%的運行能耗。
3、冷熱源方案改造
利用DeST對建筑逐時需要冷量分布情況進行分析，分析結(jié)果見表5。可以發(fā)現(xiàn)，冷量需求在低于1600kW的范圍內(nèi)比較集中，尤其是冷量需求低于1200kW的小時數(shù)占到需要開啟冷機總小時數(shù)的60%。
數(shù)據(jù)中心最大的冷量需求為2980kW，對此選出兩種冷機搭配方案：
1、額定冷量為1500kW離心機2臺；
2、額定冷量為1140kW離心機2臺，額定冷量為720kW離心機1臺。
本次數(shù)據(jù)中心采用二次泵水系統(tǒng)形式，冷機的工況和水系統(tǒng)直接相關(guān)。上述兩個搭配方案所選擇的設(shè)備參數(shù)和臺數(shù)見表6。
兩種方案的冷機總額定冷量相同，都滿足系統(tǒng)的逐時冷量需求。系統(tǒng)運行時會根據(jù)末端的冷量需求確定開啟冷機的臺數(shù)，隨著末端冷量需求的變化，冷機大部分時間會工作在部分負荷點，因冷凍機部分負荷時的COP不同，所以不同的冷機搭配會有不同的運行能耗，運行能耗的差別與系統(tǒng)的負荷分布情況有關(guān)。
圖4所示為某一時刻，不同冷機方案下對應(yīng)的冷機電耗及COP。對冷機全年運行電耗進行模擬分析，方案1和方案2的全年運行能耗分別為19165kWh和1589 kWh，方案2的冷機搭配方案下的冷機全年運行電耗與方案1相比有明顯降低，降低了17%的運行電耗。
4、輸配系統(tǒng)方案改造
數(shù)據(jù)中心采用二次泵系統(tǒng)，二次泵的運行方式有兩種：根據(jù)用戶流量需要臺數(shù)控織，根據(jù)供回水壓差變頻控制。對兩種控制方式的水泵運行電耗進行模擬，結(jié)合初投資進行經(jīng)濟性分析，來確定二次泵的運行方案。
由圖5(a)可知，二次泵以臺數(shù)控制的方式運行，水泵的工作點揚程大部分時刻高于11m。由圖5(b)可知，二次泵以變頻控制的方式運行，水泵的工作點揚程維持在11m。對兩種控制方式的水泵運行電耗進行模擬可得，臺數(shù)控制與定壓差變頻控制下的水泵電耗分別為7895kWh、6524kWh，采用定壓差變頻控制方式可節(jié)省電耗16%。
對兩種運行方案的二次泵初投資及生命周期運行費進行計算，見表7。因為初投資的增加，變頻的壽命周期費用僅略小，對數(shù)據(jù)中心而言，從經(jīng)濟性角度看，定壓變頻控制的優(yōu)勢并沒有那么明顯。
結(jié)論
本文通過對北京市12個數(shù)據(jù)中心進行能耗調(diào)研和對北京市某數(shù)據(jù)中心進行能耗模擬，得到如下結(jié)論：
1、數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)PUE值與數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、等級、制冷形式和使用時間等影響因素有關(guān)。投入使用時間在2012年之后的PUE值明顯低于之前的數(shù)據(jù)中心的PUE值。數(shù)據(jù)中心的PUE與面積的大小基本成反比關(guān)系，面積較大的數(shù)據(jù)中心的PUE值較低，而面積較小的數(shù)據(jù)中心的PUE值相對較高。風(fēng)冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在2左右，水冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.5左右。
2、將空調(diào)系統(tǒng)改為全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)，可以保證室內(nèi)IT設(shè)備的正常運行。將通用換熱效率更高的8排表冷器換為通用換熱效率4排帶有旁通的表冷器，很好地解決了某些不滿足要求的時刻無法將空氣處理到送風(fēng)狀態(tài)點的難題。
3、通過設(shè)置全熱回收裝置節(jié)省了38%的運行能耗。根據(jù)系統(tǒng)對冷熱源提出的冷量、熱量需求確定選用的冷熱源的容量，進行冷機搭配。通過分析數(shù)據(jù)中心逐時需要冷量的分布情況，選用多臺離心機，不光提高了冷機的COP，就全年運行電耗而言，也節(jié)省了17%的能耗。
4、對二次泵的兩種運行方式進行電耗模擬，從節(jié)能角度，變頻水泵的節(jié)能效果優(yōu)于控制臺數(shù)，節(jié)省了16%的電耗。對兩種運行方案進行經(jīng)濟性模擬，從經(jīng)濟的角度來說，控制臺數(shù)初始投資小，變頻水泵并無明顯優(yōu)勢。綜合兩者進行考慮，選定控制臺數(shù)的運行方式更為適用該數(shù)據(jù)中心。
（來源：數(shù)據(jù)中心運維管理）
