【摘 要】隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展，原有老舊數(shù)據(jù)中心的機(jī)電系統(tǒng)已落后于時(shí)代發(fā)展，需進(jìn)行升級改造使其更加節(jié)能高效。以某數(shù)據(jù)中心為例，研究了數(shù)據(jù)中心主要系統(tǒng)及能耗組成，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(yùn)行提出了節(jié)能降耗優(yōu)化思路，提高了數(shù)據(jù)中心的安全性和經(jīng)濟(jì)性，項(xiàng)目預(yù)估年節(jié)能約為300.7萬kWh，節(jié)水2100t，綜合節(jié)能率為8.1%。

1 綜述

能效診斷是通過對該項(xiàng)目能源數(shù)據(jù)分析、用能設(shè)備及系統(tǒng)能效對標(biāo)、能源管理等方面進(jìn)行集中勘察和梳理，采用科學(xué)有效的研判和診斷，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能目標(biāo)的方法。如某公司要求對其數(shù)據(jù)中心進(jìn)行能效診斷，分析能源利用狀況，通過現(xiàn)場調(diào)研和資料核查，研究數(shù)據(jù)中心存在的用能問題，分析挖掘節(jié)能潛力，提出可行的節(jié)能措施，指導(dǎo)數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人員提高能源利用水平。

數(shù)據(jù)中心能效診斷需調(diào)研歷年能源消耗情況，主要范圍涉及空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)等。診斷步驟及方法為：根據(jù)建筑能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，核實(shí)并采集各主要設(shè)備能耗，檢查設(shè)備利用負(fù)荷，測試及判斷空調(diào)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等各類設(shè)備的運(yùn)行工況。通過調(diào)研、對比、診斷和審核，研判各用能設(shè)備的能耗是否處于合理區(qū)間，評價(jià)數(shù)據(jù)中心設(shè)備用能及系統(tǒng)使用是否規(guī)范，管理是否科學(xué)，提出改造措施，完成能效測評報(bào)告。

2 建筑用能情況

該數(shù)據(jù)中心作為災(zāi)備中心使用，大樓建筑面積約2.5萬㎡，地上四層，地下二層，共16個(gè)機(jī)房約1萬㎡，配電系統(tǒng)采用了2N進(jìn)線，單線供電容量為10MW，配有8個(gè)高壓變配電室、8個(gè)UPS室及電池室、24個(gè)精密空調(diào)室機(jī)房，配置地下柴油發(fā)電機(jī)房，年平均用電量約3700萬kWh。

數(shù)據(jù)中心及設(shè)備用房占總面積的90%，辦公區(qū)占地約10%，數(shù)據(jù)中心供電、供冷要求高，機(jī)房溫度全年24h保持在22±2℃，濕度45%~55%，制冷系統(tǒng)采用N+1環(huán)供冗余方式建設(shè)，運(yùn)行時(shí)至少有兩臺制冷機(jī)組及相關(guān)配套設(shè)施同時(shí)運(yùn)行。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心大樓采用集中空調(diào)系統(tǒng)供冷，主要設(shè)備有冷水機(jī)組（離心機(jī)組4 臺， 螺桿機(jī)組2臺），冷卻塔（52kW兩臺、37kW一臺、46kW兩臺），冷凍泵（90kW兩臺，75kW兩臺，37kW三臺）；冷卻泵（90kW四臺，75kW三臺，37kW三臺）。冷凍水通過環(huán)形雙母管直供132臺水冷精密空調(diào)；新風(fēng)機(jī)組為辦公區(qū)域和UPS室、電池室、配電室等機(jī)房設(shè)備供冷。調(diào)研發(fā)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)未完成水力平衡，存在大馬拉小車的現(xiàn)象，冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量通過人工介入調(diào)節(jié)。

2.2 照明系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)節(jié)能燈及筒燈約4100個(gè)，照明功率合計(jì)140.8kW，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。

2.3 變配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心共有22臺變壓器，外線采用2N方式供電，分別來自2個(gè)開關(guān)站，變配電系統(tǒng)采用雙路互備模式接入，UPS系統(tǒng)為16個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房服務(wù)器供電，地下室配有多組柴油發(fā)電機(jī)為供電提供應(yīng)急電源，通過現(xiàn)場對空調(diào)機(jī)房及變壓器低壓側(cè)測量發(fā)現(xiàn)諧波較為嚴(yán)重，現(xiàn)場未安裝主動諧波治理裝置。

2.4 IT服務(wù)器及UPS系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有5500臺IT服務(wù)器；共8個(gè)UPS機(jī)房56臺UPS，每層兩個(gè)UPS機(jī)房為該層的4個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房供電，數(shù)據(jù)機(jī)房的機(jī)柜供電按照數(shù)據(jù)重要程度分為雙路UPS供電和單路UPS加單路市電供電的模式，通過勘測及負(fù)荷測量發(fā)現(xiàn)部分機(jī)房服務(wù)器負(fù)荷分布不均，機(jī)房整體功率密度較低，負(fù)載區(qū)域分布及負(fù)荷原因造成UPS低負(fù)載率損耗相對較大。

2.5 設(shè)備構(gòu)成及占比分析

依據(jù)設(shè)備能耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對主要設(shè)備能耗構(gòu)成進(jìn)行能源拆分，參照數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)正常開啟工況，IT系統(tǒng)耗能占整體用電量的56.7%，制冷系統(tǒng)耗能約占29.7%，UPS損耗約占8.5%，變壓器損耗約占2%，照明弱電及其他用電約占3.1%。通過計(jì)算得出夏季工況PUE為1.7~1.8，冬季工況PUE為1.4~1.6。能源占比分析圖如圖1所示。

圖1 能源占比分析圖

通過能源占比分析圖1得出，在保障IT設(shè)備業(yè)務(wù)量的前提下，空調(diào)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)是本次節(jié)能改造的重點(diǎn)。針對以上數(shù)據(jù)中心存在的能耗問題，進(jìn)行設(shè)備構(gòu)成能效分析后，制定如下技術(shù)改造方案。

3 技術(shù)方案

3.1 措施一：自然冷源系統(tǒng)

供冷站負(fù)荷分為數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷和辦公樓負(fù)荷，系統(tǒng)配備冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔。

新增數(shù)據(jù)中心樓頂微型氣象站，接入天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)了解天氣變化優(yōu)化供冷模式進(jìn)行相對應(yīng)的工況調(diào)整，新增一套自然冷源供冷系統(tǒng)，在冬季和過渡季節(jié)室外溫度較低時(shí)，開啟板式換熱器進(jìn)行熱量交換，充分利用自然冷源，實(shí)現(xiàn)冷卻塔免費(fèi)為機(jī)房供冷，從而減少離心機(jī)組開機(jī)數(shù)量，自然冷源供冷在北方寒冷地區(qū)使用節(jié)能效果尤為明顯，該措施預(yù)估年節(jié)約125.2萬kWh。自然冷源系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 自然冷源系統(tǒng)原理圖

3.2 措施二：機(jī)房群控系統(tǒng)

升級機(jī)房群控系統(tǒng)，對原有冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵等設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)制，根據(jù)實(shí)際制冷量、機(jī)房溫度等實(shí)測參數(shù)，通過PID調(diào)節(jié)，優(yōu)化制冷機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷。區(qū)分夏季、春秋、冬季工況分別編程，調(diào)升冷水機(jī)組在夏季冷凍水5℃出水春秋季節(jié)7.5℃出水溫度，在匹配末端溫度不變的情況下，有效提高制冷機(jī)組的效能。研究表明通過優(yōu)化制冷機(jī)組運(yùn)行模式，使定頻制冷機(jī)組運(yùn)行在80%~90%負(fù)荷區(qū)間，變頻制冷機(jī)組運(yùn)行在60%~70%負(fù)荷區(qū)間系統(tǒng)可達(dá)到最高系統(tǒng)能效狀態(tài)，測量得到兩項(xiàng)措施使冷水機(jī)組能效提高約8%，該項(xiàng)節(jié)能措施預(yù)估年節(jié)能20萬kWh。

3.3 措施三：優(yōu)化水泵運(yùn)行邏輯

在初期設(shè)計(jì)水泵系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)院考慮到冗余通常會超配，如果控制策略不理想會使水泵工作在冗余狀態(tài)造成大馬拉小車。在滿足流量情況下，變頻水泵可在部分負(fù)荷時(shí)通過降低水泵運(yùn)行頻率來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，通過群控軟件升級，制定符合實(shí)際工況的控制程序，將制冷系統(tǒng)的制冷量與循環(huán)水泵流量進(jìn)行匹配，提高水泵效能，通過變頻電機(jī)及工頻電機(jī)的邏輯組合降低水泵系統(tǒng)的冗余能耗，使系統(tǒng)工作在最佳水力平衡狀態(tài)，通過以上措施可降低水泵耗能約5%，該項(xiàng)措施預(yù)估年節(jié)能8萬kWh。

3.4 措施四：冷卻塔邏輯控制

完善冷卻塔邏輯控制，采用自動控制技術(shù)提升冷卻塔節(jié)能效率，安裝防凍傳感器預(yù)防冬季管盤結(jié)冰，當(dāng)室外溫度降低達(dá)到零度閾值前開啟相關(guān)冷卻塔，優(yōu)先利用冷卻水水溫進(jìn)行接水盤升溫避免填料結(jié)冰，進(jìn)而降低冷卻管路電伴熱使用時(shí)長，節(jié)約電能。在夏季可通過增加冷卻塔開啟數(shù)量增加換熱面積，降低冷卻塔風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，增加風(fēng)扇開啟數(shù)量以降低整體能耗，協(xié)同冷卻水泵變頻控制達(dá)到冷卻管道的水力平衡，通過邏輯控制提高系統(tǒng)的安全性。該項(xiàng)措施預(yù)估年節(jié)能5萬kWh。

3.5 措施五：機(jī)房冷通道系統(tǒng)

根據(jù)服務(wù)器安裝密度及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量分區(qū)推進(jìn)機(jī)房冷通道系統(tǒng)的實(shí)施，機(jī)房冷通道系統(tǒng)區(qū)別于常規(guī)開放式機(jī)柜布局。即，它利用在機(jī)房內(nèi)將機(jī)柜獨(dú)立隔離空間，利用“先冷設(shè)備，再冷環(huán)境”的理念，讓冷風(fēng)通過前進(jìn)后出方式進(jìn)行冷熱空氣交換，冷通道系統(tǒng)可有效提高系統(tǒng)的換熱效率，較敞開式空調(diào)系統(tǒng)降低了冷風(fēng)離散度，使冷熱空氣各行其道，避免了二次混合。按照機(jī)房1/4區(qū)域布置冷通道系統(tǒng)，該項(xiàng)措施預(yù)計(jì)年節(jié)約空調(diào)耗能約53.7萬kWh。

3.6 措施六：智能照明系統(tǒng)

對數(shù)據(jù)中心機(jī)房選用高光效、壽命長、顯色指數(shù)好的LED光源燈管進(jìn)行替換，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)域安裝人體感應(yīng)傳感器，通過直接數(shù)位控制器DDC進(jìn)行控制，結(jié)合燈具分區(qū)調(diào)整布線，做到人來燈亮、人走燈滅，通過人體感應(yīng)及定時(shí)控制措施預(yù)計(jì)年節(jié)能約6.5萬kWh。

3.7 措施七：UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)

機(jī)房管理上通過優(yōu)化服務(wù)器布局、虛擬化等技術(shù)降低冗余服務(wù)器能耗，數(shù)據(jù)中心多采用鉛酸蓄電池系統(tǒng)，當(dāng)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(nèi)阻增大，會導(dǎo)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。建議增加儲能電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過電池管理系統(tǒng)進(jìn)行組串管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組串的總電壓、分體電壓、內(nèi)阻等，對電池在充電過程中進(jìn)行脈沖活化，改善蓄電池的硫化現(xiàn)象，延長蓄電池使用壽命，降低蓄電池每年的報(bào)廢率。電池管理系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 電池管理系統(tǒng)圖

通過更換不良電池降低充放電熱損耗。該項(xiàng)措施預(yù)計(jì)年節(jié)能27.8萬kWh。

3.8 措施八：有源濾波器系統(tǒng)

根據(jù)IEC60364-5-52要求進(jìn)行諧波測量，因數(shù)據(jù)中心所用的電源多為開關(guān)電源，其在工作過程中會對低壓電網(wǎng)側(cè)造成諧波反饋，影響網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量，諧波會導(dǎo)致線路損耗增大，并影響配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，為降低諧波影響，提高電能質(zhì)量，研究通過在數(shù)據(jù)中心變壓器低壓側(cè)加裝電流互感器及有源濾波器系統(tǒng)APF（Active power filter）來濾除3~50次的奇次諧波，改善電流總諧波畸變率THDi。APF除了能夠進(jìn)行諧波治理外，對原有無源LC濾波器也具有動態(tài)補(bǔ)償及三相平衡調(diào)節(jié)功能，有源濾波器系統(tǒng)可提高IT設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低線路損耗、減少控制系統(tǒng)失靈機(jī)率、降低繼電保護(hù)裝置誤動作等作用。該項(xiàng)措施預(yù)估年節(jié)能42萬kWh。

3.9 措施九：中水回用系統(tǒng)

中水回用系統(tǒng)是把外排廢水、冷凝水等經(jīng)過多級過濾及膜反應(yīng)等處理，去除水中各種雜質(zhì)及有害成分，使其達(dá)到清澈、無色、無味的可用狀態(tài)，收集中水并重復(fù)利用。數(shù)據(jù)中心內(nèi)精密空調(diào)和風(fēng)機(jī)較多，設(shè)備制冷后集水盤會產(chǎn)生大量冷凝水，通過在制冷設(shè)備冷凝管道處安裝PPR管引至中水水箱，將冷凝水轉(zhuǎn)化為可重復(fù)利用的回用中水供衛(wèi)生間便池沖廁及綠化澆灌使用，以減少市政供水量達(dá)到節(jié)水效果。

本項(xiàng)成效預(yù)估年節(jié)水2100t。按當(dāng)?shù)厮畠r(jià)6元/t計(jì)算，該項(xiàng)措施預(yù)計(jì)年節(jié)約費(fèi)用為1.3萬元。

3.10 措施十：光伏發(fā)電系統(tǒng) 

經(jīng)勘測，該數(shù)據(jù)中心樓頂具有1000㎡空置面積，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)模式低壓入網(wǎng)，為大樓照明等系統(tǒng)提供清潔能源供電，光伏發(fā)電系統(tǒng)配置裝機(jī)容量約100kWp，根據(jù)該項(xiàng)目所處的北京昌平地區(qū)年日照小時(shí)約1482h，光伏發(fā)電系統(tǒng)預(yù)計(jì)年發(fā)電量12.7萬kWh。

4 結(jié)束語

以某數(shù)據(jù)中心為例，研究了數(shù)據(jù)中心能效診斷的主要系統(tǒng)，闡述各系統(tǒng)工作原理并提出了數(shù)據(jù)中心建筑節(jié)能改造的主要方向，通過以上節(jié)能改造措施使數(shù)據(jù)中心PUE有效降低。該數(shù)據(jù)中心預(yù)估年節(jié)能約300.7萬kWh，節(jié)水2100t，按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)及水價(jià)估算，年節(jié)約費(fèi)用約為271.9萬元，總投資估算約為1250萬元，靜態(tài)回收期約為4.6年，項(xiàng)目綜合節(jié)能率為8.1%，本研究為數(shù)據(jù)中心類建筑提供了節(jié)能降耗的多種思路，節(jié)能降耗的同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)中心機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心能效診斷及節(jié)能改造的技術(shù)措施

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