數據中心能耗分析

數據中心能耗分析數據中心能耗實例分析前言：本文著重分析了影響數據中心能耗的因素，從數據中心的空調、UPS、運維等方面對其能耗進行了綜合分析。本文認為影響數據中心能耗的關鍵因素是空調系統(tǒng)，并以2個數據中心的空調系統(tǒng)為例，結合作者在數據中心建設和運維中的經驗，提出了數據中心節(jié)能的建議。數據中心節(jié)能的必要性近年國內大型數據中心的建設呈現(xiàn)快速增長的趨勢，金融、通信、石化、電力等大型國企、政府機構紛紛建設自己的數據中心及災備中心。隨著物聯(lián)網、云計算及移動互聯(lián)概念的推出，大批資金投資到商業(yè)IDC的建設中。數據中心對電力供應產生了巨大的影響，已經成為一個高耗能的產業(yè)。在北京數據中心較集中的幾個地區(qū)，其電力供應都出現(xiàn)飽和的問題，已無法再支撐新的數據中心。目前某些數據中心移至西北等煤炭基地，利用當地電力供應充足、電價低的優(yōu)勢也不失為一個明智的選擇。隨著數據中心的不斷變大，綠色節(jié)能數據中心已經由概念走向實際。越來越多的數據中心在建設時將PUE值列為一個關鍵指標，追求更低的PUE值，建設綠色節(jié)能數據中心已經成為業(yè)內共識。例如，微軟公司建在都柏林的數據中心其PUE值為1.25。據最新報道Google公司現(xiàn)在已經有部分數據中心的PUE降低到1.11。而我們國內的PUE平均值基本在1.8~2.0，中小規(guī)模機房的PUE值更高，大都在2.5以上。我們在數據中心綠色節(jié)能設計方面與國外還存在很大差距，其設計思想及理念非常值得我們借鑒。根據對國內數據中心的調查統(tǒng)計，對于未采用顯著節(jié)能措施的數據中心，面積為1000平方米的機房，其每年的用電量基本都在500多萬kWH左右。因此對于新建的大型數據中心，節(jié)能的必要性十分重要。從各大數據中心對電力的需求來看，數據中心已經成為重要的高耗能產業(yè)而非“無煙工業(yè)”，建設綠色、節(jié)能的數據中心急需從概念走向實際。影響數據中心能耗的因素數據中心的能耗問題涉及到多個方面，主要因素當然是空調制冷系統(tǒng)，但UPS、機房裝修、照明等因素同樣影響著數據中心的能耗，甚至變壓器、母線等選型也影響著能耗。例如，對UPS而言，根據IT設備的實際負荷選擇合理的UPS容量，避免因UPS效率過低而產生較大的自身損耗。同時，選擇更加節(jié)能的高頻UPS、優(yōu)化UPS拓撲結構都可起到節(jié)能的效果。UPS對數據中心能耗的影響數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第1頁。UPS主機的自身損耗是影響數據中心能耗的一項重要因素。提高UPS的工作效率,可以為數據中心節(jié)省一大筆電費。下圖為某大型UPS主機的效率曲線。從該曲線中可以看出，當UPS負荷超過30%時UPS的效率才接近90%。很多數據中心在投運初期IT負荷較少，在相當長的時間內負荷不足20%。在此情況下UPS的效率僅僅為80%左右，UPS的損耗非常大。因此，在UPS配置中盡量選擇多機并聯(lián)模式，避免大容量UPS單機運行模式。例如，可以用兩臺300kVAUPS并聯(lián)運行的模式代替一臺600kVAUPS單機運行模式。其優(yōu)點在于IT負荷較少時只將一臺300kVAUPS投入運行，另一臺UPS不工作，待IT負荷增加后再投入運行。這種UPS配置方案及運行模式可以提高UPS效率，降低機房能耗數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第1頁。2、供配電系統(tǒng)對數據中心能耗的影響數據中心的用電負荷非常巨大，并且有很多變頻設備例如冷水機組、水泵、冷卻塔、照明燈具等，這些變頻設備會產生很大的諧波。此外，UPS、IT設備等也會產生很大的諧波。諧波對數據中心有非常大的危害，而且會增加能耗。對于用電負荷為1000kW的數據中心，進行諧波治理后，每年可節(jié)能100多萬度電。3、空調系統(tǒng)對數據中心能耗的影響數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第2頁。據美國采暖制冷與空調工程師學會（ASHRAE）技術委員會9.9（簡稱TC9.9）統(tǒng)計報告顯示，數據中心各部分的用電量分布數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第2頁。從上圖可看出，空調制冷系統(tǒng)占數據中心總電量的近三分之一，是影響機房能耗的關鍵指標。每個數據中心空調制冷的能耗存在很大差異，好的空調制冷方案可以極大降低能耗，降低PUE值。因此，本文以2個數據中心為例，著重分析空調系統(tǒng)對數據中心能耗的影響。數據中心空調系統(tǒng)實例分析小型數據中心空調系統(tǒng)能耗分析以南方某數據中心為例，說明小型數據中心的能耗。該數據中心2007年建成，IT機房總面積為530平方米，220個機柜。4臺120kVAUPS，3用1備，每個機柜的平均功率為1.3kW。采用風冷式精密空調制冷，配置10臺80kW顯冷量空調，8用2備。經多年運行，目前該機房負荷已接近滿載。該機房是在廠房基礎上改建而成，幾乎沒有采用任何節(jié)能措施，僅在改建過程中對樓板、墻壁、門窗等進行加固、封閉及保溫處理。該機房的年PUE值為2.68。每天的用電量約為1.3萬kWH。該機房原配置8臺精密空調，6用2備。機房建成后出現(xiàn)局部熱點，經分析后，確定由3個因素所致。其一，因機房層高較低，機房架空地板僅為350mm，扣除地板下的強度電纜線槽，有效靜壓箱高度很低，不利于氣流流動。其二，該機房存在空調死角，氣流無法有效流動。其三，空調室外機與室內機的高度較大，超過20米，對額定制冷量有折減。在這類機房中，機房風冷式精密空調的能耗是影響該數據中心能耗的關鍵指標，因其房間結構所限，造成精密空調的效率較低，也影響到數據中心的整體能耗較高。大型數據中心空調系統(tǒng)能耗分析數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第3頁。該數據中心總面積約為3000多平方米，2009年初開始正式投入運行。在本項目中空調冷凍水系統(tǒng)采用了“FreeCooling”技術，在過渡季節(jié)利用壓縮機+自然風冷卻運行模式。在冬季則完全利用自然風冷卻進行板式換熱。在冬季及過渡季節(jié)，外界濕球溫度小于4℃時，采用“FreeCooling”運行模式，即冷水機組停止運行，經冷卻塔散熱后的冷卻水和從精密空調來的冷凍水在板式換熱器內進行熱交換，將機房內的熱量帶走，此時冷卻塔起到冷水機組的作用。在此過程中僅冷卻塔的風扇、水泵及精密空調等設備在耗電，冷水機組完全沒有耗電。在夏季及過渡季節(jié)當外界濕球溫度高于4℃時，“FreeCooling”運行模式已無法滿足數據中心制冷需求，此時冷水機組開始制冷，回到傳統(tǒng)的數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第3頁。開式冷卻塔開式冷卻塔板式換熱器精密空調冷水機組作為數據中心的關鍵基礎設施，冷凍站的設計是最重要環(huán)節(jié)。本項目設置2個相對獨立的制冷機房，每個冷凍機房有2臺3500KW（合1000RT）的離心式冷水機組，3用1備。冷凍水供回水溫度設定為11℃/17℃。考慮前期負荷較小，為避免離心式冷水機組在低負荷時發(fā)生“喘振”現(xiàn)象，系統(tǒng)配置2臺400RT的螺桿式冷水機組。板式換熱器按冷凍水11℃/17℃,冷卻水9為實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的不同運行模式，冷凍水泵選擇了2種不同揚程的變頻水泵以適應“FreeCooling”運行模式和冷水機組制冷模式。本系統(tǒng)的關鍵技術是空調系統(tǒng)的控制邏輯?？刂七壿嫷膬?yōu)劣直接關系的空調系統(tǒng)的能耗及系統(tǒng)安全。在制定空調系統(tǒng)控制邏輯時，首先基于冷水機組、水泵、冷卻塔的能耗數據及本地區(qū)的氣象條件，提出了合理的節(jié)能系統(tǒng)流程圖，并與假定冷水機組全年運行的能耗數據進行比較，在理論上做出節(jié)能運行分析。數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第4頁。其次，為了保證空調系統(tǒng)安全、節(jié)能運行，控制邏輯分為夏季和冬季2種模式。在由冷水機組轉換到自然冷卻時，為了避免冷水機組發(fā)生低溫保護，必須首先開啟冷卻水管道的旁通閥，將冷卻水水溫提高，以便順利開啟冷水機組。數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第4頁。冬季自然冷卻時，冷卻塔處于低溫環(huán)境，而冷卻塔又必須供應低于冷凍水溫的冷卻水（比如6-8℃的冷卻水），控制邏輯必須防止冷卻塔結冰根據近幾年的實際運行經驗，本數據中心最遲從每年的11月下旬就可啟用“FreeCooling”運行模式，一直可持續(xù)到第二年的3月底至4月中旬，即每年至少可使用4~4.5個月的免費冷源，節(jié)能效果非常顯著。下表是該某數據中心的2010年7月份至12月份的用電量統(tǒng)計及相應的PUE值。時間7月8月9月10月11月12月天數313130313031總用電量

（度）408,300482,400492,240545,580555,180650,040平均用電/天(度)13,17115,56116,40817,59918,50620,969辦公用電、空調、UPS損耗及照明用電/天(度)4,8816,0525,9576,8444,8295,186UPS用電/天(度)7,4879,50910,45111,30413,67715,783PUE值/天1.761.641.571.561.351.33從上表可知，8月份IT設備的負荷比7月份有所增加，因此8月份的PUE值比7月份略有降低。9、10月份平均氣溫低，此時冷卻水溫度較低，冷水機組效率得以提高，因此9、10月份的PUE值比7、8月份PUE值明顯偏低。因當年11、12月份的氣溫較低，該系統(tǒng)已完全具備FREE-COOLING運行模式所需的條件，冷水機組壓縮機已停止工作不再耗電。因此，此時雖然UPS的用電量在逐步加大，但空調的用電量卻比7、8、9、10月份的用電量還要低，PUE值從1.76降低到1.33，節(jié)能效果非常巨大。數據中心水處理系統(tǒng)與能耗的關系大型數據中心通常采用冷水機組作為機房冷源，因此數據中心的水系統(tǒng)（冷卻水及冷凍水）對于數據中心而言極為重要，其安全可靠性直接關系到數據中心的運行。不僅如此，水質也直接關系到節(jié)能的問題，例如北京地區(qū)水質較硬，當水系統(tǒng)中的結垢現(xiàn)象很嚴重時，空調系統(tǒng)的能耗也隨之增加。數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第5頁。冷卻水與空氣接觸進行熱交換的同時也將空氣中的污染物帶入系統(tǒng)，進而會影響設備的正常運行?？照{的冷卻水系統(tǒng)易受到結垢，腐蝕，污垢，微生物等問題的困擾。其主要原因是冷卻塔在通過水的蒸發(fā)將熱量帶走的同時，水中的離子濃度會不斷升高，進而會加劇系統(tǒng)設備和管道的結垢、腐蝕。另外，在滿足一定的溫度、陽光、空氣等條件時，水中會滋生很多微生物，微生物的存在會影響系統(tǒng)設備和管道的正常運行。數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第5頁。在空調專業(yè)上將冷卻水出水溫度與制冷劑的冷凝溫度之差稱之為冷凍機趨近溫度。當冷水機組內的銅管干凈時，該差值小也即趨近溫度低；反之，當銅管有水垢粘附時，差值大也即趨近溫度高。趨近溫度越高，空調壓縮機需要額外多做功壓縮制冷劑，產生額外的電耗。根據實際運行中的統(tǒng)計，趨近溫度每增加1℃，冷水機組即增加3%的能耗。此外，當趨近溫度達到7水系統(tǒng)自動檢測及自動加藥設備通過在線的、實時的控制，可以嚴格地控制水的電導率，控制電導率在合理范圍內，根據電導率大小自動控制排污閥的開或關，使補水量更精確，從而達到節(jié)約用水的目的。下面以實例說明自動水處理系統(tǒng)在節(jié)電、節(jié)水方面所取得的效果。某數據中心在采用自動水處理系統(tǒng)前遭遇冷凍機組結垢、微生物滋生等問題困擾，造成趨近溫度升高，最高時達到6.5℃，產生了嚴重的能源浪費和運行風險。經過自動處理系統(tǒng)后，現(xiàn)趨近溫度穩(wěn)定在1℃以下。在處理前，冷水機組耗電量為202kw。處理后，在相同的負荷下，耗電量降為170kw。在采用“Freecooling”技術的前提下，冷水機組每年運行7.5個月計算，則一年節(jié)約（202-165）kW*24h*225d=199800kWh。數據中心運維能耗分析1、提高機房環(huán)境溫度。國內機房運行溫度普遍偏低。我國關于機房的國標規(guī)定，A級機房的溫度為23℃~24℃。通常情況下機房管理人員將此溫度設為機房精密空調的回風溫度。那么，精密空調的出風溫度通常是18℃~19℃。但隨著芯片技術的不斷提高，芯片耐高溫性能也在不斷更新，IT設備可正常運行的溫度也在不斷地提高。國外有越來越多的數據中心設計和管理人員將機房精密空調的出風溫度設置到27℃。據估算，制冷參數變化1℃，可能會產生5%~10%的2008年ASHRAE給出了推薦的機房環(huán)境溫度，如下圖所示。圖中紅色線條區(qū)域為推薦的環(huán)境溫度。在最新的白皮書《數據處理環(huán)境熱指南（thermalguidelinesfordataprocessingenvironments）》中，該溫度又有了提高。ASHRAE所給出機房環(huán)境溫度是經過國際上主流IT設備供應商確認的，也就是說該機房環(huán)境溫度并不與IT設備供應商的要求相抵觸。數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第6頁。數據中心能耗分析全文共7頁，當前為第6頁。2、UPS節(jié)能運行。在市電供電質量好的情況下，將UPS主機運行在旁路模式，使逆變器處于“休眠”狀態(tài)，但當市電不滿足要求時，逆變器迅速投入工作。這種工作模式可以有效的降低UPS自身損耗。3、嚴格有效的數據中心管理可以極大的降低能耗，根據機房IT負載的變化及時調整精密空調的運行數量，調整風口地板出風