基于大數據的質量智能管控模型的探索與實踐

焦華棟 張晟 陳攀登

中移系統集成有限公司 北京 100052

1 數據中心能耗現狀

能耗管理對于數據中心而言，猶如一條呈正態分布的長尾曲線。曲線的頭部由IT設備能耗、空調能耗、電源能耗、建筑、消防及智能化能耗等“大指標”組成，曲線的尾部則是由機柜位置部署、氣流組織分布、機柜距離以及系統維護管理等無數“小指標”組成[1]。數據中心既要滿足高度集中的需求，又要承擔綠色環保的義務。因此，如何提升能源使用效率，打造高效節能的數據中心，成為數據中心維護者的最終目標。

2 數據中心空調系統能耗影響因素

2.1 空調系統的能耗分析

通常，空調設備能耗比例為：冷水機組占55%-70%，循環水泵占15%-20%，冷卻塔5%-10%，末端空調等動力設備占15%-25%。以某數據中心為例，制冷系統能耗是數據中心的第二大能耗，約為24%，其次是電源系統，約為數據中心總能耗的10%，照明及智能化等能耗占比小于1%。可見，降低數據中心PUE最有效的方法是提高數據中心空調系統的能效。

2.2 空調系統制冷能效因子

數據中心制冷能效因子CLF是在單位IT負載上消耗的制冷所用電能，計算公式如下：

式中：Q冷機為冷水機組耗電，Q水泵為水泵耗電，Q冷塔為冷卻塔耗電，Q末端為機房內空調設備末端耗電，Q新風為新風機組耗電，Q補水為補水設備耗電。

綜上，影響空調系統能耗的因素包括冷水機組、循環水泵、冷卻塔、末端空調、新風機組及補水泵等動力設備[2]。其中，冷水機組能耗占比最高，是空調系統的能耗核心；其次是末端空調能耗，具有很大節能潛力。以下結合制冷系統的能效因子，提出多種優化方案提升空調設備的能效，降低數據中心PUE。

3 空調系統節能優化

3.1 自然冷源的充分利用

北方數據中心多采用開式板式換熱器+冷卻塔間接利用自然冷源的方式，在冬季和過渡季室外溫度較低的時間段不開啟冷水機組，利用板式換熱器、冷卻塔與室外冷空氣換熱獲得冷量。

數據中心空調系統的制冷運行模式分為3種：

（1）當t＞10℃時，空調系統采用水冷機組制冷模式；

（2）當6℃＜t＜10℃時，空調系統采用水冷機組+板式換熱器制冷模式；

（3）當t＜6℃時，空調系統采用自然冷卻模式。

3.2 提升空調系統冷凍水溫度

在數據中心空調系統中，冷水機組冷凍水的設計供水溫度為10-12℃。即使在數據中心負載量較低（30%-40%）的情況下，冷機的實際運行電流百分比達到50%-72%，此時冷機制冷能效比EER非常低，不僅能耗嚴重浪費，還造成了設備損耗[3]。因此，冷水機組的功耗是節能的關鍵。

理論分析可知，冷機供水溫度由冷機蒸發器中冷媒的蒸發溫度和壓力決定，兩者成正比關系。冷機壓縮機是冷機的耗能主體，蒸力與冷凝壓力的差值決定著它做功的多少。蒸發壓力提升發壓，冷凝壓力不變，兩者的差值變小，壓縮機做功也會減少。因此，提高冷機冷凍水出水溫度，能有效降低冷機的工作能耗。騰訊數據中心冷水機組實驗研究表明：在冷機能耗相同的情況下，冷凍水供水溫度每提高1℃，冷水機組產冷量增加3%。同理，當制冷量一樣時，冷凍水供水溫度每提高1℃，冷機自身能耗將減少3%。呼和浩特地區冷機運行時間為5-9月，當制冷負荷為50%時，將冷凍水溫度從12℃提升至15℃，以此比較對應溫度下的耗電量。經測算，可得全年可節省電量約22%。可見，供水溫度的提升，對冷機系統節能意義重大。

3.3 提高末端空調送風溫度

數據中心通常將機房環境控制在20℃，不僅會出現過度冷卻產生冷凝水，而且造成能源浪費，因此合理設定機房空調的溫度尤其重要。理論研究表明：末端空調的蒸發溫度相應提高，制冷系數提高，機房回風溫度每提高1℃，機房空調的耗電量能節約2%-5%。隨著服務器功能的提升，IDC機房環境溫度可以提升至28℃。為驗證該理論，中國移動數據中心自2018年2月起，以20℃為基準，每月將環境溫度提升1℃，直至溫度達到28℃，以此測試每月的耗電量變化趨勢。分析耗電量數據可知：通過提高末端空調出風溫度，將機房環境溫度由20℃提升至28℃，能耗可降低21%。可見，提高末端空調送風溫度可以有提升空調能效。

4 結語

近年來隨著云計算技術的大發展，數據中心越來越多呈現出高度集成、高耗能的特點，需要行之有效的能耗管理。因此，在保證空調系統高可用性的同時，提高了末端空調運行維護效率，對最終實現數據中心的節能運行具有重要的現實意義。