胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘 要：信息社會對數(shù)據(jù)的需求越來也大，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為*重要的基礎設置之一，而隨著國家雙碳政策的逐步推進，數(shù)據(jù)中心這種能耗密度非常高的建筑也成為減碳行動的首要對象，甚至和傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)并列，不少地區(qū)也對新建數(shù)據(jù)中心能源利用效率（PUE）提出了高要求。原有老舊數(shù)據(jù)中心的機電系統(tǒng)已落后，需進行能效診斷和升級改造提高PUE。通過能效管理系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)中心能耗構成，進行能效診斷，并針對性地提出節(jié)能改造主要措施，為數(shù)據(jù)中心綠色高效運行提供節(jié)能降耗優(yōu)化思路，提高了數(shù)據(jù)中心的能源利用效率。
關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；能效診斷；電能治理；節(jié)能改造
1 綜述
數(shù)據(jù)中心能效診斷是通過對數(shù)據(jù)中心總體用能分析、IT設備用能、制冷系統(tǒng)和配電系統(tǒng)耗能及能效對標。制冷系統(tǒng)主要的能效評估指標是制冷負載系數(shù)CLF，是數(shù)據(jù)中心制冷設備耗電與IT設備耗電的比值，而供電負載系數(shù)PLF是數(shù)據(jù)中心供配電設備耗電與IT設備耗電的比值，而數(shù)據(jù)中心PUE值也與這兩個系數(shù)密切相關。如圖1所示：
圖1 數(shù)據(jù)中心CLF、PLF和PUE的關系
在數(shù)據(jù)中心只有IT設備的耗電(圖1中的E4)被認為是“有意義"的電能。所以除了IT設備外，其它設備消耗的電能占比越低，那么數(shù)據(jù)中心的PUE值表現(xiàn)就越優(yōu)秀。Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)主要從以上幾個數(shù)據(jù)來診斷數(shù)據(jù)中心的能效并給出針對性的改造方案。
2 能效診斷
某數(shù)據(jù)中心建成較早，機房建筑面積約1.5萬㎡，地上兩層，一層設置為變配電室、蓄電池室、冷水機組室、運營商機房等電力和網(wǎng)絡基礎設施，見圖2。二層主要設置12間機房，總共可部署約3000組機柜，已部署1500組。供電系統(tǒng)設置兩臺110kV主變，2個10kV開閉所，4個10/0.4kV低壓變配電室，8臺低壓變壓器，總供電容量2萬KVA，低壓配電室配備有UPS設備以保障供電，末端共70面安科瑞ANDPF精密配電柜為IT設備提供主備電源。
圖2 數(shù)據(jù)中心一層平面圖
Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心從110kV變電站到末端精密配電柜實現(xiàn)了全覆蓋的能源管理、設備監(jiān)測和能耗分析，見圖3。主要功能包括：
?電力監(jiān)控：監(jiān)控110kV變電站、2個10kV開閉所，4個10/0.4kV低壓變配電室配電系統(tǒng)運行情況，實現(xiàn)遙測、遙信、越限報警、故障分析、電能質量分析、運行報表等功能；
?設備監(jiān)控：監(jiān)測柴油發(fā)電機、變壓器、UPS、蓄電池組、精密配電柜、精密空調的狀態(tài)以及運行參數(shù)，并提供異常預警、運行報表等功能；
?能耗診斷：統(tǒng)計數(shù)據(jù)中心總能耗、IT設備能耗、制冷系統(tǒng)能耗、供電系統(tǒng)能耗、照明及辦公能耗等分項用能，并計算CLF/PLF/PUE等能耗指標；
?環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、水浸、電池室氫氣濃度等數(shù)據(jù)并提供越限告警；
?運維管理：進行發(fā)布工單、巡檢計劃、工單跟蹤管理等，協(xié)助維護人員高效運維。
圖3 Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)高壓配電系統(tǒng)和精密配電柜監(jiān)測
2.1 能效分析
系統(tǒng)調試完畢經(jīng)過一年時間運行后，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能源利用效率比較低。經(jīng)過系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，全年IT設備用能占比51%，制冷系統(tǒng)(冷凍水機組、空調末端、新風等)用能占比36%，供電系統(tǒng)(變壓器、UPS、發(fā)電機、開關)10%，照明及辦公等占比約3%。
PUE值約為1.96；
CLF約為0.71；
PLF約為0.2；
由于數(shù)據(jù)中心機電設備老舊，缺乏有效的節(jié)能管理控制措施，能效利用效率較低，落后于新建數(shù)據(jù)中心。
2.2 空調系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心大樓采用集中空調系統(tǒng)供冷，主要設備有冷水機組、冷卻塔、冷凍泵、冷卻泵。通過系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)空調系統(tǒng)水冷式制冷主機全年不間斷運行，定頻制冷主機負荷率在80%-90%時，變頻制冷主機負荷率在60%-70%時主機運行時綜合能效*高。但系統(tǒng)運行操控過程中，兩種主機大部分時間均未運行在較高效率區(qū)間，夏季、春秋、冬季工況時，系統(tǒng)冷凍水出水溫度保持恒定5℃，未根據(jù)實際環(huán)境負荷的變化而調整系統(tǒng)出力，也未充分利用冬季自然冷源。
2.3 變配電系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有8臺變壓器，分別來自2個10kV開閉所，變配電系統(tǒng)采用雙路互備模式接入，UPS系統(tǒng)為5個數(shù)據(jù)機房服務器供電，通過系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)變壓器低壓側測量發(fā)現(xiàn)諧波較為嚴重，現(xiàn)場未安裝諧波治理裝置。UPS系統(tǒng)大量蓄電池組單體電池性能不一致，內阻過大導致整組電池充放電發(fā)熱，損耗增加，存在安全隱患。
2.4 照明系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)采用節(jié)能燈和筒燈，公共區(qū)域及數(shù)據(jù)中心區(qū)域采用手動控制，大樓照明光源主要采用普通熒光燈和筒燈等，燈具規(guī)格品種較多，部分區(qū)域照度不滿足規(guī)范規(guī)定的照度要求，控制方式也比較落后。
3 節(jié)能改造措施
3.1 充分利用自然冷源
當室外濕球（或者干球溫度）低于室內空調設計溫度并達到一定數(shù)值時，用流經(jīng)冷卻塔的冷凍水或冷卻水直接或間接為空調系統(tǒng)提供冷量，來消除室內冷負荷，這樣就是利用自然冷源。
3.2 空調機組高效控制
完善機房內設備的參數(shù)監(jiān)測和控制，監(jiān)測主機負荷率、冷凍冷卻出回水溫度壓力、室外濕球溫度等參數(shù)，為中央空調系統(tǒng)提供全系統(tǒng)優(yōu)化運行平臺。自動調節(jié)制冷主機運行在高效率區(qū)間，實時根據(jù)負荷變化情況，調整出水溫度，預計將使冷水機組能效提高約8%。
3.3 電能質量治理
由于數(shù)據(jù)中心主要負載均為IT設備，供電使用較多的UPS、制冷系統(tǒng)使用較多變頻設備，其在工作過程中會對低壓電網(wǎng)側造成諧波反饋，嚴重影響配電系統(tǒng)電能質量，變壓器低壓側諧波畸變率達到50%，遠遠超出國家標準。這也會導致電纜發(fā)熱，增加電能損耗，影響開關電源使用壽命，降低設備使用性能。
在每臺變壓器下加裝500A有源諧波治理系統(tǒng)裝置進行集中治理，型號為AnSin-500-M Ⅰ型，自動跟蹤補償負載產(chǎn)生的諧波電流，大大降低諧波畸變和中性線電流,保證供電系統(tǒng)安全可靠運行，同時也降低了系統(tǒng)損耗，見圖4。
圖4 AnSin-500-MⅠ型集中治理裝置
在對一些諧波比較嚴重的回路進行就地補償，比如選取該中心UPS出線端對前后波形數(shù)據(jù)進行對比，通過裝設AnSin-300-B Ⅰ型有源濾波治理系統(tǒng)后，電壓畸變率從6.32%降值2.05%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提升了電網(wǎng)波形質量，見圖5。
圖5 AnSin-300-BⅠ型壁掛式治理裝置
3.4 UPS蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)
UPS供電系統(tǒng)是滿足數(shù)據(jù)中心供電可靠性的核心部分，而蓄電池又是整個系統(tǒng)中*重要的組成之一，是整個供電系統(tǒng)的“*后一道屏障"。當組串中的一只電池因過充、過放等原因造成電池性能下降，電池內阻增大，會導致電池出現(xiàn)發(fā)熱、鼓包等現(xiàn)象，將造成供電系統(tǒng)安全性的整體下降，同時增加蓄電池充放電的損耗。
系統(tǒng)在電池室增加氫氣濃度監(jiān)測傳感器，當氫氣濃度超標時可啟動排風系統(tǒng)，同時增加蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測蓄電池的電壓、內阻與內部溫度功能，數(shù)據(jù)接入Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)，通過對蓄電池系統(tǒng)科學的運維管理，監(jiān)測維護，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，從而客觀上延長蓄電池的使用壽命，保障供電安全，降低總體擁有成本，見圖6。
圖6 蓄電池在線監(jiān)控示意圖
3.5 智能照明控制系統(tǒng)
對數(shù)據(jù)中心機房選用高光效的LED光源燈管替換原有節(jié)能燈和筒燈，增加智能照明控制系統(tǒng)。在走廊、電梯前室、洗手間等公共照明區(qū)域安裝紅外人體感應傳感器，通過智能照明控制器進行控制，做到人來燈亮、人走燈滅，同時在值班室的Acrel-8000系統(tǒng)主機上也可以集成整個數(shù)據(jù)中心照明的集中控制和狀態(tài)監(jiān)視，節(jié)約照明用電，見圖7。
圖7 智能照明控制系統(tǒng)示意圖
3.6 光伏發(fā)電系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心樓頂具有較大的光伏組件安裝面積，通過增加光伏太陽能組件及逆變器，采用自發(fā)自用、余電上網(wǎng)模式并入低壓電網(wǎng)，為數(shù)據(jù)中心提供清潔能源供電，降低數(shù)據(jù)中心碳排放。光伏組件吸收太陽能轉化電能的同時也將反射、折射太陽熱量，在屋頂形成一個遮蔽結構，*大限度避免數(shù)據(jù)中心因陽光直射造成熱量聚集，有效降低建筑物夏季空調能耗，進而減少數(shù)據(jù)中心空調能耗，預計光伏系統(tǒng)每年發(fā)電量40萬kWh。
3.7 其它應用
安科瑞針對數(shù)據(jù)中心的能效產(chǎn)品除了能效管理系統(tǒng)和上述電能質量治理裝置、蓄電池監(jiān)測、智能照明控制和分布式光伏外，還包括高低壓配電綜合保護和監(jiān)測產(chǎn)品、電能質量在線監(jiān)測裝置(A類)、智能小母線系統(tǒng)、精密配電柜、電氣消防類解決方案等。
4 結束語
隨著新建的數(shù)據(jù)中心越來越多，政府對數(shù)據(jù)中心的要求也越來越高，無論是新建的，還是已經(jīng)運行多年的數(shù)據(jù)中心都有必要通過技術手段來診斷數(shù)據(jù)中心的能源利用效率，找到節(jié)能空間，確定適合本項目的節(jié)能改造方法，從而提高數(shù)據(jù)中心PUE值。Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)，加上安科瑞電力監(jiān)控、電能質量監(jiān)測和治理、蓄電池監(jiān)測、智能照明控制和分布式光伏等硬件產(chǎn)品，結合空調控制的相關技術，幫助數(shù)據(jù)中心提高能效，減低碳排放，建造綠色、環(huán)保數(shù)據(jù)中心。
