數據中心的節能分析

安 真 （IBM國際商業機器（中國）有限公司，北京 100101）

1 概述

數據中心建筑內設有大量服務器、存儲設備等高散熱量IT設施，耗電量高；另一方面IT服務器在運行過程中大量散熱，耗冷量也高。因此，在數據中心電力系統、機械空調系統的設計過程中，不但要考慮系統的可靠性，還要重點考慮系統節能。機械空調系統的能耗在數據中心能耗中占據30%～45%的比例，因此在空調規劃中采取節能措施直接影響到PUE的數值和運行階段的維護成本，對整個數據中心的節能有著十分重要的意義。

圖1 PUE定義

圖2 數據中心的能源消耗概況

2 PUE概念及數據中心能耗分析

2.1 PUE的概念

PUE 是Power Usage Effectiveness的簡寫，是評價數據中心能源效率的指標，是數據中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比，是DCIE(data center infrastructure efficiency )的反比(見圖1)。

PUE = 數據中心總設備能耗/IT設備能耗，PUE是一個比率，越接近1表明能效水平越好。在數據中心運行過程中，瞬時PUE會隨氣象條件、運行負荷、所采用的節能方式等條件變化而發生較大的變化，因此，我們通常意義上的PUE需要采用全年能耗的統計數據。

2.2 數據中心能耗分析

從圖2可見數據中心的能源消耗概況，其主要包括機械系統和電氣系統兩方面。

機械系統的能源消耗包括數據中心制冷系統的所有部件，能耗量取決于機械系統的類型，能耗值將隨數據中心具體情況而變化。機械系統包括向服務器提供 HVAC 的主系統和向數據中心提供服務的機房（例如，活動地板區域、UPS間和開關設備間等）。這將包括從中壓（MV）到低壓（LV）的電源轉換（一般效率為 0.96～0.98）以支持機械系統，使用備用 UPS電源為那些機械部件提供機械 UPS 電源轉換。例如，CRAC 風扇或冷卻水泵（一般效率為 0.85～0.95）、機械布線損耗（一般效率為 0.98～0.99）、專用的機械設備（包括制冷器、冷卻水泵、冷卻塔風扇、干燥或隔熱冷卻風扇、補水泵、換氣風扇）和 CRAC 單元（包括壓縮機、內部和外部風扇和加濕器和再熱器）。各機械系統通常會使PUE值增加 0.4，甚至可能使得PUE值高達 2。

電氣消耗包括 IT 設備使用UPS、PDU 和 RPP 時耗費的所有電能。電氣系統包括通過 UPS 系統為服務器提供最終電源的主系統，其中包括通過靜態變送開關（STS）和電源配送單元（PDU）向服務器供電的電源、UPS 電源（通常效率為 0.85～0.96）以及配電損失（通常損失為 1%～1.5%）。各配電系統通常將使PUE值增加0.08～0.5。

除以上提及的幾種主要數據中心能源消耗外，照明用電和數據大廳/機房用電、火警系統（包括氣體滅火系統）、BMS（通常在 UPS上）、EPMS（通常在UPS上）、安全系統（通常在UPS上）以及機房和控制室的 HVAC（BMS、EPMS、安全、設備管理和維護）等少量用電也包括在PUE的定義之內。然而用于數據中心照明的電能僅占所有電能消耗中的一小部分，節能在很大程度上取決于數據中心無人時間的長短。現代化的數據中心使用“熄燈”理論，即為僅當有需要的時候才為其提供照明。正確的照明控制系統能輕松節約50%的照明能源。這些系統的損耗，將使PUE值增加0.02～0.05。

因為數值相對較小，總體評估某個數據中心時可將其他各種設備的PUE包含在電氣方面PUE之內計算。

因此，設備所有的 PUE 為機械 PUE 和電氣 PUE的總和。

圖3 不同空調系統的PUE

2.3 不同空調系統對PUE的影響

不同空調系統的PUE統計數據如圖3：由圖3可以看出，風冷空調的PUE值通常＞2.0，特別是大型數據中心的體量較大，冷媒管路相對較長，室外機數量較多，互相干擾，影響散熱，這些都是不利于節能的因素。此外，管理水平對PUE也有一定影響，上述各種不利因素使得國內很多數據中心的PUE高達2.5～3.0。

3 數據中心優選的節能措施

由于數據中心能耗較高，在數據中心項目中應采取多種技術措施，節省能耗，降低PUE。節能包括但不局限于下列內容:

3.1 空調系統節能措施

對于較大規模的數據中心，可采用冷凍水型精密空調替代傳統的DXA型直膨型空調。

● 條件許可時，可以采用新風冷卻等技術手段，減少使用電制冷的時間和比例。

● 環境條件具備時，可以利用其他能源，如風能、太陽能等清潔能源。

● 在滿足設備要求的前提下，盡量提高冷凍水的供水溫度。

傳統的空調水溫為7～12℃，供回水溫度提高到12～18℃后，可以提高冷水機組的COP，冷凍水供水溫度及冷卻水供水溫度對冷水機組COP的影響見表1。

表1 冷水機組COP變化趨勢

完全自然冷卻時間 部分自然冷卻時間 無自然冷卻時間（小時數/百分比） （小時數/百分比） （小時數/百分比）冷凍水供水溫度7℃ 2825h/32.2% 1080h/12.3% 4855h/55.4%冷凍水供水溫度12℃ 3281 h/37.5% 1070 h/12.2% 4409 h/50.3%

可見，提高冷凍水供水溫度可以有效延長完全自然冷卻的時間。

● 采用自然冷卻系統和部分自然冷卻技術

冬季冷水機組無需運行，過渡季節將減少冷機的運行負荷，降低能耗。該時段越長，能耗下降越明顯，對PUE的降低影響重大。

● 改善精密空調系統

傳統的精密空調回風溫度為24℃，RH為50%，配有加濕段和加熱段方能滿足IT設備運行。現有方案取消了加濕段、加熱段，設備造價和運行費用都會下降。

● 改善加濕方式

傳統的精密空調配有加濕段，通常采用電極加濕，現有方案采用濕膜加濕，可以降低能耗。

● 冷卻塔風機變頻驅動，在低負荷時節省能源。

本文以柔爆索爆炸加載為研究對象，通過發展理論模型，探索了在小裝藥比情況下內爆引起雙層殼體碎片飛散的速度計算方法，得到以下結論：

● 機房用精密空調采用變頻風扇，通過調整轉速，降低能耗。

● 盡可能減少旁通氣流，如減少地板出線，必須出線的孔洞也應在穿線后嚴密封堵；利用盲板密接服務器柜內各服務器之間的未安裝服務器處。

● 地板開孔格柵采用可調節型，關閉無用的開孔。

3.2電氣系統節能措施

● 變電站靠近負荷中心，特別是模塊化變電站就近設在模塊旁邊，大大減少了低壓線路損耗，節省了線路造價。

● 采用中壓柴油發電機組，減少了低壓線路損耗，節省了中間環節，節省了造價。

● 采用高功效UPS，增加了UPS效率，降低了損耗。

● 采用新型干式變壓器，減少了變壓器的損耗。

● 照明燈具采用高效節能型熒光燈，采用的智能化照明控制，節省了能耗。

3.3 建筑設計節能措施

● 外墻盡量不要設外窗,對于設外窗的IT機房內采取封堵；最大限度降低室外輻射的熱，節約空調能耗。

● 建筑結構墻體做外保溫；降低建筑冷負荷。

● 機房區與非機房區之間做保溫；降低建筑冷負荷。

● 機房區之間的樓板進行保溫處理；降低建筑冷負荷。

● 主機房區內做防潮處理保持房間內濕度，降低濕負荷。

3.4 給排水設計節能措施

● 使用節水型衛生器具,減少用水量及加壓設備能耗；

● 合理配置減壓裝置，將水壓控制在限值要求內、減少超壓出流，節約用水；

● 合理設置和使用水表，水表前加裝過濾器，提高水表壽命及計量的準確性，節約用水；

● 合理利用市政管網余壓，采用分區供水方式，減少二次加壓能耗；

● 開發第二資源——中水，節約水資源；

● 精密空調加濕采用濕膜法直接排放方式時，將此部分水收集至室外雨水收集池，用于綠化澆灑，充分節約水資源。

4 小結

可見，數據中心各系統的節能包含許多內容，在設計過程中應根據項目具體情況選用適宜的節能措施，優化系統設計，進一步降低能源消耗，并改善數據中心的PUE值。

[1] 中華人民共和國工業和信息化部. GB50174-2008電子信息系統機房設計規范[S]. 北京:人民出版社, 2009.

[2] Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers（TIA/EIA-942）[S].

[3] UPTIME INSTITUTE, LLC. Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology[S].