淺談數據中心冷源群控系統采用的節能措施

俞名揚

（北京世紀互聯寬帶數據中心有限公司上海分公司，上海，200135）

0 引言

數據中心是目前云計算的根本保障，在數字化的今天，我們已經無法離開數據中心。而現數據中心的年耗電量已經超過了三峽電廠以及葛洲壩電廠的年產電量。2018 年我國數據中心總用電量為 1608.89 億千瓦時，占中國全社會用電量的 2.35%，超過上海市 2018 年全社會用電量。而為服務器供電和冷卻所需的電能超過數據中心總運營成本的40%。冷卻系統的節能，是降低能源使用效率的重要手段，現在大型數據中心的年平均能源使用效率普遍能做到1.4以下，而老舊數據中心的年平均能源使用效率甚至高達2.2。這其中的能源消耗需要我們去重點關注，本文將對對比新老數據中心的冷卻系統的某些改進措施進行分析，希望能為建設方和使用方提供借鑒[1]，目前世界能源的消耗使得各國均對能源的利用更加的重視，若能在耗電量較大的數據中心中，尋找出一定的節能措施，必將更好的減少能源的消耗，更快的完成碳中和這一重要方針。減少很多不必要的能源消耗，以確保人民群眾的生活用電保障，圖1為數據互聯在佛山智慧城市數據中心，其采用的數據中心+光伏+規模化儲能的一系列措施，使得能源使用的使用效率處于較低的水平。

圖1 世紀互聯數據中心

2 改進措施分析

以下措施為目前已經應用在市場上的一些節能措施，更好的對數據中心進行節能，故對這些措施進行細化詳細介紹，以提供給數據中心更好的應用指導，使得在建設數據中心和安裝系統時可以考慮以下措施，更好的應用于實際的生產中，更好的提高能源使用效率。

2.1 提高冷凍水出水溫度

老舊機房的冷凍水出水溫度設計在7℃-9℃，而新建機房的冷凍水出水設定基本在15℃，根據冷機廠家的大量樣本數據顯示冷凍水供水溫度每提升1℃，冷機平均功耗降低約2～4%。圖1是某型號冷水機組的技術說明書關于冷凍水溫度和冷卻水溫度對冷機COP的關系曲線。當冷卻水出水溫度為30℃時，冷凍水出水溫度從5℃提升到11℃時，COP從5.3提升至6.5。由此可見，冷凍水出水溫度平均每提升1℃，COP提升約3.8%[2]。圖中數據可以清晰表現出冷凍水與COP的線性關系，從而更加輔證了提高冷凍水的溫度對控制系統的產能能耗影響。

圖2 冷凍水出水溫度與COP的關系曲線

由于冷凍水的出水溫度變高了，所選用的水冷空調也必須支持高溫進水，以保證機房所需制冷量能得到滿足，根據現有理論基礎可知：隨著冷機所產生供水的溫度的提高，冷媒所蒸發的溫度以及壓力也隨之提高，從而導致壓縮機需要做的功出現一定的減少量，從圖1可知，冷凍機冷凍水的出水溫度和冷機的工作效率能耗兩者之間存在正相關現象，即提高出水溫度即工作效率增大，因此提高冷機供水溫度可以很好的降低能耗，增加工作效率[3]。

2.2 提高余熱回收效率

為了響應國家碳中和的號召，國內很多的大數據中心響應國家政策，在節能減排方面不斷的努力，數據中心作為能源消耗的大戶更要有實際的解決辦法，目前針對余熱回收這一研究內容，對于大數據的降低能耗有很大的幫助，余熱回收系統中，大數據中心在保障內部運行的前提下，可以將大部分的余熱回收進行二次利用，消耗的電能的同時還可以作為一個能量儲存中心向外部提供熱量，這樣一來，數據中心以后可能接近于居民區，通過余熱回收給小區居民供暖，不僅解決了電力能源的消耗，還可以達到能源的二次利用[4]。圖3為采用余熱回收系統下的數據中心。

圖3 騰訊天津數據中心

表1為市政采用的常規采暖和與余熱回收系統兩者之間的對比表，在滿足余熱系統的要求下，采用余熱回收來給與小區進行供暖可以更好的控制成本，因此在此后的大數據中心的建設中，可以考慮更多的余熱回收系統來達到提高工作效率和減少產能消耗[5]。不僅僅降低了能源的消耗，且更好的降低數據中心的日常維護成本，更好的進行能源利用的分配。

表1 市政采暖與余熱回收對比

目前市場上已經存在余熱回收系統的相關應用場合，隨著資源利用的緊張，越來越多的余熱回收裝置必然將應用于市場中，為數據中心的節能做貢獻，在余熱回收裝置上，整個系統裝置上必然需要更好的安全設計，以確保余熱系統的可靠性。數據中心可以更好的服務于社會企業，周邊的小區同樣可以因數據中心的余熱系統受益。數據中心余熱回收循環利用的就是能量的回收再利用，可以很好地減少產能消耗，降低運行成本。

圖4 余熱回收系統裝置

2.3 進行冷卻泵的變頻

空調系統的運行對整個系統的能耗有著很大的影響，其中，冷水泵變頻控制技術在國內各數據中心的應用較為少，在空調的大型工程中，冷水泵采用變頻技術的僅十分之一左右，因此，在設計空調水系統時，將冷卻水系統的能耗進一步的降低是至關重要的，水泵的節能在系統節能方面更需要去著重考慮[6]。

水泵變頻轉速調節原理，根據相似性定律，即：式中，Q為水泵實際體積流量，m3/s;Q0為水泵模型體積流量，m3/s;H為水泵實際揚程，m;H0為水泵模型揚程，m;N為水泵實際功率，kW;H0為水泵模型功率，kW;n水泵實際轉速，n0水泵模型轉速，r/min。由公式中可知，在水泵轉速改變時，水泵軸所產生的功率與產生的流量的3次方成正比，由此可知改變冷卻泵的頻率可對空調的效率有影響[7]。

其中頻率和轉速滿足以下相關公式：

公式中：水泵的轉速為n;

泵的運行頻率為f;

S為轉差率；

P表示磁極的對數

由以上公式可知，水泵的運行頻率的改變可以使水泵的轉速發生變化，水泵的消耗功率可以得到降低，功率的的降低可以很好地使水泵的能耗降低，從而達到整個數據中心得到很好地節能減排。

圖5為數據中心空調變頻控制原理圖，在溫度的反饋下，可以將信號傳遞給控制器，從而實現水泵機組的變頻，進一步的減少能量消耗率。通過正常的設定值，設定固定的參數，溫度通過比較，傳遞信號給PLC，PLC控制變頻器，在溫度的反饋下，進一步調節空調的運行功率，

圖5 數據中心空調變頻控制原理圖

在數據中心中可確保冷水機組采用的冷卻泵至少有一臺是轉速可變的，且冷機可以變頻運行[8]，使得冷卻泵的頻率進行可調節，從而得到最佳的節能效果，不同的運行狀況下，其需要調節的頻率不同，因此根據數據的推導，可以確定在不同的負荷條件下，水泵的調頻進一步得到整個控制系統的收益的數值量[9]。

下圖6為電氣傳動的控制圖，變頻器的指令負責控制傳動裝置，傳動裝置的轉動可以改變電機的負載[10]，電動機可以把電能傳遞給機械能，帶動泵的轉動，圖5和圖6結合來看，水泵機組的功率能耗與冷卻泵的頻率關聯度較為密切，在2021年的上半年，國家批準采購變頻空調9301臺，可見冷卻泵的變頻的重要性[11-12]。數據中心選擇更多的變頻控制，可以在相同的控制條件下，更好的服務于各類服務器，確保整個數據中心各元器件的穩定運行[13-14]，以確保數據中心的穩定運轉。

圖6 電氣傳動控制圖

3 結論

通過以上三種不同的節能措施，給數據中心的節能提供一定的幫助，為早日實現國家碳中和的大方針而努力，不斷提高能源的利用率。

節能方案一：通過提高冷凍水的出水溫度可明顯提高工作效率，冷機的相關參數可以給與更好的參數指導，使得COP得到更好的提高。

節能方案二：通過提高余熱回收效率，可以更好的使數據中心的能源消耗降到最低，且可以給周圍居民樓進行供暖等一系列能源二次利用的好處，改善數據中心經常遠離居民區的影響。

節能方案三：通過調節冷卻泵的變頻，可使空調系統的工作效率有著明顯提高，從而給控制系統帶來滿意的收益值，整個數據中心的空調系統的電耗得到減少，使得整個系統的能耗都可以得到更好的降低。