數(shù)據中心機房節(jié)能改造效果評價方法和驗證

沈佳

（上海建科節(jié)能技術有限公司）

1 引言

根據工信部2019年《三部門關于加強綠色數(shù)據中心建設的指導意見》（工信部聯(lián)節(jié)[2019]24號）要求“2022年數(shù)據中心平均能耗基本達到國際先進水平，新建大型、超大型數(shù)據中心的電能使用效率值達到1.4以下”。通過先進技術投入與實施，降低數(shù)據中心機房能效水平已成為重中之重，對機房節(jié)能技術的評價分析亦同樣重要。

節(jié)能量和節(jié)能率是評價數(shù)據機房節(jié)能效果的兩個重要指標。

①節(jié)能量是反映節(jié)能效果的重要指標，它反映了一定時期內節(jié)約能源的數(shù)量，也稱為能源節(jié)約量，是一個相對比較量，需在基礎指標計算前提下，通過對比得出。

②節(jié)能率能夠衡量節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能程度，節(jié)能率越大所節(jié)約的電能越多，節(jié)能效率越高。

因此，在評價數(shù)據中心機房節(jié)能技術效果時，有必要對其節(jié)能率進行考量。

數(shù)據機房的能耗主要包括制冷系統(tǒng)能耗和供配電系統(tǒng)能耗，制冷系統(tǒng)的節(jié)能技術主要分為以下兩種：

①采用節(jié)能的冷源設備產品；

②采用合理的氣流組織設計。

供配電系統(tǒng)節(jié)能技術可從整體效率和不同負載率條件下的效率兩方面分析。所謂整體效率就是供配電系統(tǒng)從進行入機房到IT設備間的效率，不同負載率下的效率則是供配電系統(tǒng)采用不同負載率所產生的效率。

本研究主要通過數(shù)據機房的實際運行效果進行節(jié)能改造并開展全年溫度和電量實測，根據實測結果分析節(jié)能改造效果和設備運行效率，驗證改造方案的適宜性。

2 數(shù)據中心機房節(jié)能改造

對現(xiàn)有機房進行調研統(tǒng)計，根據機房的不同情況選擇合適的節(jié)能技術，進行節(jié)能改造。選取某機房6臺空調機組中的3臺加裝氟泵。氟泵節(jié)能改造原理即在原有風冷室外機基礎上，在冷媒管的液管處串聯(lián)一個節(jié)能模塊，同時對室內機（電動閥等）進行改造。冬季室外溫度低于10℃時，該系統(tǒng)利用環(huán)境溫度冷卻制冷劑進行制冷，利用高效的氟利昂泵代替壓縮機輸送制冷劑，從而實現(xiàn)節(jié)能運行。過渡季節(jié)室外溫度≤20℃時，該系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)（壓縮機和氟泵）進行制冷，從而減輕壓縮機的運行壓力。

選取安裝了氟泵的3臺空調進行節(jié)能率現(xiàn)場測試。通過比較精密空調（未改造空調系統(tǒng)）和氟泵空調的運行參數(shù)、運行效率等數(shù)據，得出在相同工況下氟泵空調的節(jié)能率。

3 空間、時間耦合的節(jié)能評價方法

機房的節(jié)能效果受時間、地域等因素的影響。不同時間機房節(jié)能效果不同，而在同一時間內采用相同節(jié)能技術的不同機房，其節(jié)能效果也存在很大差異。對機房某一節(jié)能技術進行評價時，以單一機房為對象，會使評價結果偏高或偏低，無法真實反映節(jié)能技術效果的真實水平。因此，需要對多個機房節(jié)能效果進行綜合評價，才能真實反映出節(jié)能技術的效果。

同時，機房的節(jié)能效果會隨著時間發(fā)生變化，不同季節(jié)下其節(jié)能效果存在明顯差距，有的節(jié)能技術隨著時間的延長，其節(jié)能效果會出現(xiàn)衰減。只將某一時間點的節(jié)能效果，作為機房節(jié)能技術運行的全年節(jié)能效果比較片面。因此，對單一節(jié)能技術的效果進行評價時，必須是連續(xù)時間內的綜合評價分析，而不是某一時間點上的節(jié)能效果。

綜上，需要采用空間、時間耦合加權的節(jié)能分析方法，對多個機房節(jié)能效果進行綜合評價，同時進行連續(xù)時間內的綜合評價分析。

4 節(jié)能效果測試方法

4.1 測試方案

為保障測試結果的準確性和科學性，測試時間為節(jié)能改造完成1年后，測試周期為1年，包含了夏季、冬季、過渡季三種工況，測試示范機房在不同工況下的運行效率、機房內氣流組織、節(jié)能量，并計算節(jié)能率，評估節(jié)能效果，確定技術的適宜性。

4.2 溫度測試

通過對某數(shù)據中心機房實地勘察，兩列機柜之間的出風溫度高達40℃，峰值超過45℃，超過空調設計回風溫度，影響服務器正常運行。因此在B、C兩列服務器之間，安裝紅外溫度監(jiān)控探頭，實時監(jiān)控機柜出風溫度，共安裝3套紅外溫度熱像儀。數(shù)據中心機柜高約2m，機柜的排列間距約1.5m，將監(jiān)測點放置在屋頂或相鄰機柜頂部（見圖1）。

圖1 紅外監(jiān)控探頭現(xiàn)場安裝位置

4.3 節(jié)能率

機柜能耗數(shù)據監(jiān)測采用動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過開發(fā)數(shù)據采集接口程序，與動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據對接，實現(xiàn)對機房機柜能耗數(shù)據的實時監(jiān)測。節(jié)能率計算方法如下。

加裝氟泵的空調具有“雙擎三模”工作模式（壓縮機與氟泵兩個動力，壓縮機模式、混合模式、純泵模式），充分利用自然冷卻。壓縮機模式是指室外溫度＞20℃、混合模式是指室外溫度為10℃～20℃、純泵模式是指室外溫度＜10℃。測試期間系統(tǒng)分別采用“壓縮機模式”“、混合模式”“、純泵模式”運行，然后以壓縮機模式能耗為基準值，三者進行對比，分析計算節(jié)能率，公式如下：

S1=（P3-P1）/P3×100%

式中：S1為混合模式節(jié)能率（%）；S2為純泵模式節(jié)能率（%）；S3為全年節(jié)能率（%）；P1為混合模式小時用電量；P2為純泵模式小時用電量；P3為壓縮機模式小時用電量；X1為混合模式年運行小時；X2為純泵模式年運行小時；X3為壓縮機模式年運行小時。

4.4 空調能效比COP

通過對空調的送回風口使用溫濕度記錄儀，測試機組送回風的焓差，同時采用矩陣風速儀，在空調回風口處采集風速數(shù)據，測算出測試工況下的制冷量，再根據電能計量的能耗，計算出能效比。

能效比計算按以下公式：

式中：COP為制冷性能系數(shù)；Q為輸出冷量（kW）；N為輸入電功率（kW）；h1為回風比焓值（kJ/kg），根據溫度和相對濕度查焓濕圖；h2為出風比焓值（kJ/kg），根據溫度和相對濕度查焓濕圖；ρ為空氣密度（kg/m3）；V為風量（m3/h）；Vs為風速（m/s）；A為測試截面積（m2）。

5 測試結果和分析

5.1 測試結果

3套加裝氟泵節(jié)能改造的機組節(jié)能率和全年節(jié)能率如表1所示。

表1 2#、5#和7#機組測試及計算依據

5.2 綜合節(jié)能率和空調能效比

本次測試在現(xiàn)場實際運行模式下進行，分別采用“壓縮機模式”“、混合模式”、“純泵模式”運行進行測試。3套機組的綜合節(jié)能率為18.42%，三種不同模式下的實測能效比分別為2.49、3.64、3.65。

6 結語

通過實測得到以下結論：

①當前工程的氟泵全年節(jié)能率在20%左右；

②根據當前數(shù)據，估計氟泵模式下室外氣溫越低節(jié)能效果越好；

③若能實現(xiàn)全年的實時冷量監(jiān)測，可實現(xiàn)更細致的分析。