數據中心關鍵節能技術措施測試驗證

謝靜 王穎 姚志強

上海郵電設計咨詢研究院有限公司

0 引言

數據中心作為新一代信息通信技術的重要載體，已經成為數字經濟時代的創新中心和能力底座，具有空前重要的戰略地位。2020 年12 月，中央經濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和工作”列為 2021 年八項重點任務之一，短期內數據中心節能減排是“碳中和”政策的重點[1]。上海已搭建“數據中心在線能源審計平臺”，通過數據接口掌握用能情況，對現有數據中心實施達標監測和節能挖潛[2]。

在確保安全的前提下，立足上海氣候特征，結合數據中心的負載變化，運營模式及能效情況，通過對典型數據中心的測試驗證，不僅可以積累大量節能技術樣本數據，為后續方案編制及能耗優化提供數據支撐[3]，而且厘清了現有數據中心實際運行的問題，便于制定科學的運維策略，建立綠色管理體系[4]。

總結歸納具有可復制的關鍵節能技術措施，繼而進行有序的規模推廣，提升現有數據中心能效水平，最大限度降低存量市場的能源消耗，以實際行動為“雙碳”工作做出積極貢獻。

1 測試驗證原則及目標

測試驗證原則：對現網運行影響程度最小，數據設備負載穩定，各系統運行正常，具備測試驗證可行性并有一定代表性的典型數據中心[5]。

測試驗證目標：通過對定性理論進行定量的測試驗證，為今后制定針對性的節能措施和節能目標，推廣數據中心關鍵節能技術措施的應用，做好樣本積累和數據支撐。

2 測試驗證內容

2.1 提高冷凍水供水溫度

2.1.1 測試驗證要求

數據中心大多運行在部分負荷下，冷水機組設計供水溫度有一定提升空間。在確保安全運行的前提下，根據機房的實際 IT 負載，可提高冷凍水供水溫度設定[6]。冷凍水供水溫度設定為 9 ℃、1 0.5 ℃、1 2 ℃，測試驗證對冷水機組運行參數及系統總用電量的影響。

2.1.2 測試驗證數據

測試數據中心建筑面積 18278 m2，地上四層，建筑高度24.3 m。一層為變配電室、制冷機房、網管監控室、會議室等配套用房。二層至四層為主機房及其配套電力室，主要功能為數據機房。

空調冷源系統設計工況為3 臺冷水機組（2 用 1備）進行供冷，目前開啟一臺冷水機組，I T 負載平穩。冷水機組供水溫度分別設定為 9.0 ℃、1 0.5 ℃、1 2.0℃，對冷源系統的相關運行數據進行了記錄，詳見表 1（濕球溫度14 ℃）。

表1 提高冷凍水供水溫度

2.1.3 測試驗證結論

當冷凍水設定供水溫度為 9.0 ℃、1 0.5 ℃、12.0 ℃，冷水機組COP 值分別為11.9、1 2.5、1 3.2。供水溫度每提高1.5 ℃，冷水機組 COP 值提升5%左右，冷水機組輸出功率及電流百分比均相應下降，冷源系統用電量下降2%～3%。

2.2 調整水冷末端空調運行方式

2.2.1 測試驗證要求

風機軸功率與轉速三次方成正比。對于冷凍水空調，理論上降低空調風機轉速能顯著降低末端空調能耗。為驗證理論分析的實際效果，通過調整微模塊水冷末端列間空調風機轉速、水閥開度設定，在不影響機房安全運行的前提下，將列間空調風機轉速降低、水閥開度增大，減小冷凍水供回水管道旁通閥門開度，減少旁通流量，測試驗證對微模塊 pPUE（微模塊 pPUE：數據中心微模塊總能耗與微模塊內IT 設備能耗之比）的影響。

2.2.2 測試驗證數據

測試數據中心建筑面積為 11976.58 m2，地上二層，建筑高度14.6 m。一層主要有變配電間、電力電池室、泵房、制冷機房、油機室。二層主要有微模塊機房、網絡機房及監控室，主要功能為數據機房。

測試數據中心末端制冷采用微模塊水冷列間空調，水閥開度 30%、風機轉速80%為設定1 運行方式。水閥開度100%、風機轉速50%為設定2 運行方式。對空調系統相關運行數據進行記錄，詳見表2（濕球溫度約16 ℃）。

表2 調整水冷末端空調運行方式

2.2.3 測試驗證結論

當冷凍水列間空調運行方式由設定1 調整為設定2，冷凍水旁通閥開啟度為 0，列間空調回風溫度提高2 ℃，微模塊pPUE 值降低0.03～0.04。

2.3 延長自然冷源利用小時數

2.3.1 測試驗證要求

提高冷凍水供水溫度及啟用冷水機組+板換聯合制冷模式，測試延長的自然冷源利用小時數[7]，驗證各模式下冷源系統運行狀態及空調系統節能效果。

2.3.2 測試驗證數據

測試數據中心建筑面積15356 m2，地上三層，建筑高度20.6 m。一層為變配電室、制冷機房、備品備件室、運維機房等配套用房。二層至三層為主機房、配電室、電池室，主要功能為數據機房。

測試數據中心設計工況為冷源系統采用 3 臺冷水機組（2 用 1 備）進行供冷，設計冷凍水供水溫度為9 ℃，目前開啟一臺冷水機組，I T 負載平穩。冷源系統運行模式有冷水機組制冷模式、過渡季冷水機組 +板換聯合制冷模式及冬季板換自然冷源制冷模式，實際運營中聯合制冷模式一直未使用。在保證末端專用空調制冷需求的前提下，冷凍水供水溫度由 9 ℃提升至12 ℃，增加過渡季聯合制冷模式，調整過渡季聯合制冷及冬季自然冷源制冷模式的使用條件。

1）當 7 ℃＜室外濕球溫度≤9 ℃時，冷源系統由冷水機組制冷模式切換至過渡季聯合制冷模式。

2）當室外濕球溫度≤7 ℃時，冷源系統由過渡季聯合制冷模式切換至冬季自然冷源制冷模式。

3）當室外濕球溫度＞9 ℃時，冷源系統恢復冷水機組制冷模式。

詳見表3。

表3 延長自然冷源利用小時數

2.3.3 測試驗證結論

以室外濕球溫度10 ℃時冷水機組運行模式為比較基準，冷源系統冷凍水供水溫度由 9 ℃提高到12 ℃，過渡季聯合制冷模式日均節電約2381 kwh，冬季自然冷源制冷模式日均節電約6252 kWh。

以測試年 2020 年上海濕球溫度為例，當冷源系統供水溫度提升至12 ℃，過渡季聯合制冷模式使用天數26 天，冬季自然冷源制冷模式使用天數40 天，合計自然冷源利用天數為 66 天，自然冷源利用小時數為1584h。測試驗證前冷凍水供水溫度為9 ℃，冬季自然冷源制冷模式使用天數為24 天，自然冷源利用小時數為576 h。測試驗證前后對比，延長自然冷源利用小時數 為 1008 h，則 綜 合 節 電 2381×26+6252×(40-24)=161938 kWh。

2.4 有源濾波設備對能耗影響

2.4.1 測試驗證要求

冷源系統的主要設備如冷水機組、水泵、冷卻塔等均為變頻設備，變頻器在逆變過程中，輸入輸出回路均會產生諧波。有源濾波設備可以有效減少變頻器諧波對供電系統、負載及其它鄰近電氣設備產生干擾，保護用電設備及元件。通過測試啟閉有源濾波設備對冷源配電系統前后級能耗的影響，驗證有源濾波設備對節能降耗的作用。

2.4.2 測試驗證數據

測試數據中心建筑面積13600 m2，地上二層，建筑高度13.5 m。一層為變配電室、制冷機房、消控室、氣消鋼瓶間等配套用房。二層為微模塊機房、核心機房，主要功能為數據機房。

測試數據中心有源濾波設備啟閉前后能耗情況對比，詳見表4。

表4 有源濾波設備對能耗影響

2.4.3 測試驗證結論

冷源配電后級系統在啟閉前后瞬時電流上升1.52%。冷源配電前級系統啟閉前后瞬時功耗，在不同配電層級均有上升，高壓配電柜功率上升6.72%，低壓配電柜功率上升6.76%，低壓配電柜至冷源配電間輸出柜功耗上升 17.08%，冷源配電間進線柜功耗上升7.42%，其中低壓配電柜至冷源配電間輸出柜這一級，上升最為明顯。經測試驗證，有源濾波設備在諧波治理的同時，對能耗有一定程度改善。

3 測試驗證總結

1）提高冷凍水供水溫度。根據實際IT 負載及空調系統配置，在確保末端空調能夠有足夠制冷能力前提下，適當提高冷凍水供水溫度設定值，可顯著降低冷源系統的運行功耗。提高冷凍水供水溫度，對于部分負荷運行的數據中心，具有廣泛的推廣意義。

2）調整水冷末端空調運行方式。水冷空調末端應采用熱備份運行模式，以降低單臺空調風機轉速，空調風機轉速降低，末端空調系統能耗可大幅下降。調整水冷末端空調運行方式，是配置有備用機或制冷量、風量有裕度的數據中心均可以采用的節能手段。

3）延長自然冷源利用小時數。根據IT 負載變化，合理調整冷凍水供水溫度，確定過渡季聯合制冷及冬季自然冷源制冷模式的室外閾值溫度，可有效的延長自然冷源利用小時數，對降低數據中心全年PUE 值及節約能源消耗意義重大。

4）有源濾波設備對能耗影響。有源濾波設備可實現動態跟蹤補償，不僅可以改善用電質量，提高電壓穩定性，而且有效的降低諧波電流，對各級配電系統能耗均有不同程度的降低，具有一定的節能。