數據中心機房節能技術的應用

楊 玲，王 麗

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數據中心行業對電力的消耗需求巨大，并呈現持續增長的趨勢。為響應國家“雙碳”戰略，積極采用先進節能技術，提升行業節能水平，有效降低電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值，構建綠色低碳通信網絡。中國電信也將貫徹落實黨中央、國務院決策部署，大力踐行綠色生態發展理念。江蘇電信某大型數據中心園區承接了某高等級互聯網公司業務需求，分兩期建設，并在機房內采用不同的綠色節能技術，以達到降低PUE值的目的。選取兩個同等規模的典型機房模塊進行對比分析，并得出客觀結論。

1 基本概況

該數據中心園區位于江蘇省蘇州市虎丘區，共規劃7個建筑單體，即4個數據中心機樓、1個動力中心樓、1個110 kV變電站及1個綜合樓。4號數據中心機樓為4層建筑，建筑面積約20 000 m2，主要作為數據機房及其配套用房。其2～4層為標準層，共12個機房，可以提供約2 000個機柜，單機柜平均功耗為8 kW。某高級互聯網公司租用了4號機樓2層、3層、4層共計8個機房，約1 300個機柜，分兩期建設。一期建設范圍是2層的4個機房（2A、2B、2C、2D）及3層的2個機房（2C、2D），二期建設范圍是3層的1個機房（3A）及4層的1個機房（4D）。

2 建設標準

該數據中心機樓各機電配套設備按照《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）A級機房標準、互聯網客戶機房建設標準進行配套設備方案規劃，具體方案按照兩種標準中更加嚴格的標準進行部署，以滿足不同客戶的使用需求[1]。兩個模塊機房的主要建設標準對比如表1所示。

表1 機房建設標準對比

3 建設方案

3.1 工 藝

3.1.1 機 柜

2A、3A機房為標準模塊機房，分別位于4號機樓的2層、3層，單個模塊機房建筑面積約480 m2。2A機房共布置167個機柜，包括163個40 A業務機柜（8.8 kW）、2個管理網機柜（4.4 kW）以及2個光纖配線架（Optical Distribution Frame，ODF）機柜。3A機房共布置182個機柜，包括178個40 A業務機柜（8.8 kW）、2個管理網機柜（4.4 kW）以及2個ODF機柜。

2A、3A機房的機柜數據統計如表2所示。

表2 2A、3A機房機柜數據統計

3.1.2 平 面

2A、3A機房分別采用了不同的空調方案和相同的不間斷電源方案，并依據《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）A級機房標準與互聯網客戶機房標準控制間距，合理布局機房內設備平面[2]。

2A機房采用列間空調+封閉熱通道，面對面、背對背布置，間距1 400 mm。與此同時，采用列柜方式給機柜供電，雙路供電列柜分別安裝于列頭、列尾，物理隔離。

3A機房采用新型末端熱管背板制冷形式，貼近熱源直接制冷，面對面、背對背布置，間距1 500 mm。此外，采用列柜方式給機柜供電，雙路供電列柜分別安裝于列頭、列尾，物理隔離。

2A、3A機房的平面布局如圖1、圖2所示。

圖1 2A機房平面布局

圖2 3A機房平面布局

3.1.3 走線架

2A、3A機房梁下凈高4 250 mm，采用上走線方式，走線架全部采用網格橋架。

2A機房主走線架部署信號雙層橋架和電源雙層橋架，距地高度分別為2 600 mm、2 900 mm、3 200 mm、3 500 mm。列走線架位于每列機柜的正上方，采用吊桿對頂固定，信號橋架寬400 mm，距地高度為2 600 mm。電源橋架與信號橋架并列設置，雙層寬度為 4 00 mm，距地高度分別為 2 600 mm、2 900 mm。空調配電橋架位于信號橋架上方，寬度為200 mm，距地高度為3 200 mm。2A機房的剖面布局如圖3所示。

圖3 2A機房剖面布局

3A機房主走線架部署信號雙層橋架和電源雙層橋架，距地高度分別為2 600 mm、2 900 mm、3 200 mm、3 500 mm。列走線架位于每列機柜的正上方，采用一體化模塊框架，信號橋架寬400 mm，距地高度為2 600 mm。電源橋架與信號橋架并排布置，分別位于機柜和背板的正上方，寬度為400 mm，距地高度為2 600 mm。空調配電橋架位于混分區的正上方，寬度為 100 mm，距地高度為 2 500 mm。

3A機房的剖面布局如圖4所示。

圖4 3A機房剖面布局

3.2 電 氣

不間斷電源系統主要有240 V直流系統、-48 V直流系統、交流不間斷電源（Uninterruotible Power Supply，UPS）系統等，包含不間斷電源設備和后備蓄電池組。不間斷電源系統的配置和選型應結合供電制式、建設等級、客戶需求、高效節能等綜合考慮。根據《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）中A級機房標準及客戶建設要求，IT設備不間斷電源系統采用2N240 V直流系統。2N容錯系統中相互備用的設備布置在不同的物理隔間內，相互備用的管線沿不同路徑敷設，符合規范要求。通信設備的空調末端、冷凍水泵需要有不間斷電源系統保障，采用1路市電+1路UPS系統為空調末端供電[3]。

3.2.1 IT設備不間斷電源系統

2A、3A機房為同一高等級客戶機房，為滿足客戶IT設備的供電需求，均采用6套1 600 A/240 V直流系統及配套蓄電池組，實現雙系統雙路供電。每套1 600 A/240 V直流系統配置2臺整流屏、1臺直流輸出屏、2組600 Ah/240 V蓄電池組以及2臺電池開關箱，單系統（N配置）滿載后備時長不低于15 min。本項目采用了環保高功率閥控式密封鉛酸蓄電池。

IT設備不間斷電源系統配置如表3所示。

表3 2A、3A機房IT設備不間斷電源系統配置表

3.2.2 空調末端不間斷電源系統

2A、3A機房均為為同一高等級客戶機房，為了滿足客戶空調末端設備的供電需求，均采用1路市電+1路UPS配電方式。空調末端切換，空調配電柜應能實現消防聯動功能。2A機房配置2套600 kVA UPS系統（單機），為2層機房內末端空調提供電源保障。3A機房配置2套600 kVA UPS系統（單機），為3層機房內末端空調提供電源保障。每套600 kVA UPS系統（單機）配置1臺600 kVA UPS主機、2臺交流輸出屏、2組500 Ah/480 V蓄電池組以及1臺電池開關柜，單系統（N配置）滿載后備時長不低于 15 min。

空調末端不間斷電源系統配置如表4所示。

表4 2A、3A機房空調末端不間斷電源系統配置

3.3 暖 通

數據中心高負荷、高密度以及高顯熱比的冷負荷需求特性促使制冷系統設備能效不斷提升，設備形式多樣化[4]。充分考慮自然冷源應用，從而達到數據中心低PUE值要求[5]。

2A、3A機房為同一高等級客戶機房，單機柜平均功耗8.8 kW，分別采用不同的空調末端形式，以到達綠色節能效果。針對高等級客戶的高功耗機架，標準機房模塊可以根據機架功率和客戶具體要求排布冷凍水列間空調+封閉熱通道形式。列間空調從前部出風，水平吹向兩側的機柜，經過機柜前門并對IT設備制冷后，經機柜后門再回風到空調后部。氣體輸送距離短，風機電功率小，采用封閉熱通道措施能有效優化氣流組織，減少混風損失。

列間空調+封閉熱通道建設方式的優點包括節約能耗、末端空調緊靠熱源、送風與回風路徑短、冷量損失少、部署靈活以及建設周期短等，適用于中高功耗機房。與此同時，該建設方式存在一定漏水風險，對產品質量要求較高造價較高。

2A機房列間空調采用單個通道N+X備份，機房濕度采用濕膜加濕與恒濕機獨立控制，節能降耗。2A機房空調設備布置如表5所示。

表5 2A機房空調末端設備配置

針對高等級客戶的高功耗機架，標準機房模塊也可以根據機架功率和客戶具體要求排布熱管背板空調末端形式，貼近熱源制冷。熱管背板末端中的液態制冷劑吸收熱空氣的熱量后沸騰并轉換成蒸汽狀態，蒸汽狀態的制冷劑在自身壓差作用下被輸送至機房外的換熱器，并在換熱器中重新被冷卻成液態制冷劑，回流至熱管背板末端。采用熱管背板空調，將換熱器放置在空調區，同時采用雙路接管，水管不進入機房區，氟管進入機房區，確保主機房設備的安全運行。由于此次每列機柜較長，因此對前端和后端合理分區，避免制冷劑分布不均的情況發生。

熱管背板建設方式的優點包括無進水隱患、不占機柜位、提高機房出架率以及后期建設靈活等。目前，該建設方式已在江蘇電信完成試點工作，但在定制化機房還未大規模應用。參考傳統試點機房的建設價格，熱管背板建設方式的投資約為普通空調建設模式（地板下送風+冷通道封閉）的1.5倍。

3A機房熱管背板采用2N備份，機房濕度采用濕膜加濕與恒濕機獨立控制，節能降耗。3A機房空調設備布置如表6所示。

表6 3A機房空調末端設備配置

3.4 智能化系統

2A、3A機房均為客戶機房，智能化系統均包含綜合布線系統、視頻監控系統以及動力環境監控系統。其中，2A機房還包含機房內微模塊監控。機房頂面均設置LED平板燈，地面采用防靜電環氧地坪，墻面采用白色無機涂料。

3.5 建設方式性能對比

兩種空調末端節能建設方式的性能對比如表7所示。

表7 兩種空調末端節能建設方式的性能對比

4 建設投資及節能效果

4.1 建設投資

2A、3A機房建設投資如表8所示。

表8 2A、3A機房建設投資對比

4.2 節能效果

局部 PUE（partial PUE，pPUE）是對數據中心PUE的延伸，主要針對數據中心的局部區域進行能效評估，計算公式為

式中：PN代表局部非IT設備的能耗；PIT代表局部IT設備的能耗。

根據式（1），2A機房的PPUE=(2.5×35+8.8×167)/(8.8×167)=1.06，3A機房的PPUE=(0.2×182+8.8×182)/(8.8×182)=1.02。由此可見，采用熱管背板技術的機房局部PUE略低于采用列間空調+熱通道封閉技術的機房。

5 結 論

綜上所述，針對高等級客戶機房，當單機柜功率為6～12 kW時，可以采取列間空調+熱通道封閉或者熱管背板技術。相比列間空調+熱通道封閉技術，采用熱管背板技術的造價更低且節能效果更優。