摘要：信息社會對數(shù)據(jù)的需求越來越大，數(shù)據(jù)中心已成為*的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。隨著國家雙碳政策的逐步推進(jìn)，能耗密度高的數(shù)據(jù)中心也成為減碳行動(dòng)的主要對象，甚至與傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)并列，許多地區(qū)也對新數(shù)據(jù)中心的能源利用效率提出了影響（PUE）提出了很高的要求。原舊數(shù)據(jù)中心的機(jī)電系統(tǒng)落后，需要進(jìn)行能效診斷和升級，以改進(jìn)PUE。通過能效管理系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成，進(jìn)行能效診斷，提出節(jié)能改造的主要措施，為數(shù)據(jù)中心的綠色高效運(yùn)行提供節(jié)能降耗優(yōu)化思路，提高數(shù)據(jù)中心的能源利用效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；能效診斷；電能治理；節(jié)能改造；

一綜述

  數(shù)據(jù)中心的能效診斷是通過對數(shù)據(jù)中心的整體能耗分析、IT設(shè)備能耗、制冷系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的能耗和能效對標(biāo)。制冷系統(tǒng)的主要能效評價(jià)指標(biāo)是制冷負(fù)載系數(shù)CLF，是數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備與IT設(shè)備的比值，供電負(fù)載系數(shù)PLF是數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)備與IT設(shè)備的比值，數(shù)據(jù)中心的PUE值也與這兩個(gè)系數(shù)密切相關(guān)。如圖1所示：

圖1數(shù)據(jù)中心CLF、PLF與PUE的關(guān)系

  在數(shù)據(jù)中心，只有IT設(shè)備的功耗（圖1中的E4）被認(rèn)為是“有意義的"電能。因此，除IT設(shè)備外，其他設(shè)備消耗的電能比例越低，數(shù)據(jù)中心的PUE值性能就越好。Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)主要從以上數(shù)據(jù)診斷數(shù)據(jù)中心能效，并提出有針對性的改造方案。

二能效診斷

  數(shù)據(jù)中心建成較早，機(jī)房建筑面積約1.5萬㎡，地上兩層，一層設(shè)置為變配電室、蓄電池室、冷水機(jī)組室、運(yùn)營商機(jī)房等電力和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如圖2所示。二樓主要設(shè)置12間機(jī)房，可部署約3000套機(jī)柜，已部署1500套機(jī)柜。供電系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)110kV主變，兩個(gè)10kV開關(guān)，4個(gè)10/0.4kV低壓變配電室，8個(gè)低壓變壓器，總供電容量2萬KVA。低壓配電室配備UPS設(shè)備，確保供電。終端有70個(gè)安科瑞ANDPF精密配電柜，為IT設(shè)備提供主要電源。

圖2數(shù)據(jù)中心一層平面圖

  Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從110kV變電站到終端精密配電柜的全覆蓋能源管理、設(shè)備監(jiān)控和能耗分析，如圖3所示。主要功能包括：

  電力監(jiān)控：監(jiān)控110kV變電站、2個(gè)10kV開關(guān)、4個(gè)10/0.4kV低壓變配電室配電系統(tǒng)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)遙控、遙信、越限報(bào)警、故障分析、電能質(zhì)量分析、運(yùn)行報(bào)表等功能；

  設(shè)備監(jiān)控：柴油發(fā)電機(jī)、變壓器、UPS、電池組、精密配電柜、精密空調(diào)狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)，并提供異常預(yù)警、運(yùn)行報(bào)表等功能；

  能耗診斷：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中心總能耗、IT設(shè)備能耗、制冷系統(tǒng)能耗、供電系統(tǒng)能耗、照明和辦公能耗，計(jì)算CLF/PLF/PUE等能耗指標(biāo)；

  環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、水浸、電池室氫濃度等數(shù)據(jù)，并提供越限報(bào)警；

  運(yùn)維管理：發(fā)布工單、巡檢計(jì)劃、工單跟蹤管理等，協(xié)助維修人員高效運(yùn)維。

圖3Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)高壓配電系統(tǒng)

1能效分析

  經(jīng)過一年的系統(tǒng)調(diào)試，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能源利用效率相對較低。系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，全年IT設(shè)備能耗占51%，制冷系統(tǒng)(冷凍水機(jī)組、空調(diào)末端、新風(fēng)等。)能耗占36%，供電系統(tǒng)(變壓器、UPS、發(fā)電機(jī)、開關(guān))10%，照明及辦公占3%左右。

  PUE值約為1.96；

  CLF約為0.71；

  PLF約為0.2；

  由于數(shù)據(jù)中心機(jī)電設(shè)備陳舊，缺乏有效的節(jié)能管理控制措施，能效利用效率低，落后于新建數(shù)據(jù)中心。

2空調(diào)系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心大樓采用集中空調(diào)系統(tǒng)供冷，主要設(shè)備有冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍泵和冷卻泵。通過系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)水冷式制冷主機(jī)全年連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)定頻制冷主機(jī)負(fù)荷率為80%-90%時(shí)，當(dāng)變頻制冷主機(jī)負(fù)荷率為60%-70%時(shí)，主機(jī)運(yùn)行時(shí)綜合能效較高。但在系統(tǒng)運(yùn)行和控制過程中，兩臺主機(jī)大部分時(shí)間都沒有在較高的效率范圍內(nèi)運(yùn)行。夏、春、秋、冬季工況下，系統(tǒng)冷凍水出水溫度保持恒定5℃，系統(tǒng)輸出沒有根據(jù)實(shí)際環(huán)境負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)整，冬季自然冷源也沒有得到充分利用。

3變配電系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有8臺變壓器，分別來自2個(gè)10kV開關(guān)站。變配電系統(tǒng)采用雙通道互備模式接入。UPS系統(tǒng)為5個(gè)數(shù)據(jù)室服務(wù)器供電。通過系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)變壓器低壓側(cè)測量發(fā)現(xiàn)諧波嚴(yán)重，現(xiàn)場未安裝諧波處理裝置。UPS系統(tǒng)中大量電池組的單個(gè)電池性能不一致，內(nèi)阻過大導(dǎo)致整組電池充放電加熱，損耗增加，存在安全隱患。

4照明系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)采用節(jié)能燈和筒燈，公共區(qū)域和數(shù)據(jù)中心區(qū)域采用手動(dòng)控制。建筑照明光源主要采用普通熒光燈和筒燈。燈具規(guī)格多樣，部分區(qū)域照度不符合規(guī)范規(guī)定的照度要求，控制方法相對落后。

三節(jié)能改造措施

1充分利用自然冷源

  當(dāng)室外濕球（或干球溫度）低于室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度并達(dá)到一定值時(shí)，通過冷卻塔的冷凍水或冷卻水直接或間接為空調(diào)系統(tǒng)提供冷量，消除室內(nèi)冷負(fù)荷，使用自然冷源。

2高效控制空調(diào)機(jī)組

  完善機(jī)房設(shè)備參數(shù)監(jiān)測控制，監(jiān)測主機(jī)負(fù)荷率、冷凍冷卻出回水溫度壓力、室外濕球溫度等參數(shù)，為中央空調(diào)系統(tǒng)提供全系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行平臺。自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷主機(jī)在高效范圍內(nèi)運(yùn)行，根據(jù)負(fù)荷變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)出水溫度，預(yù)計(jì)冷水機(jī)組能效提高8%左右。

3電能質(zhì)量管理

  由于數(shù)據(jù)中心的主要負(fù)荷是IT設(shè)備，UPS被廣泛用于供電、制冷系統(tǒng)使用的變頻設(shè)備較多，在工作過程中會對低壓電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生諧波反饋，嚴(yán)重影響配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。變壓器低壓側(cè)諧波畸變率達(dá)到50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)。這也會導(dǎo)致電纜發(fā)熱，增加電能損耗，影響開關(guān)電源的使用壽命，降低設(shè)備的使用性能。

  在每個(gè)變壓器下安裝500A有源諧波處理系統(tǒng)裝置進(jìn)行集中處理，型號為Ansin-500-MⅠ類型，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，大大降低諧波畸變和中性線電流，確保供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，減少系統(tǒng)損耗，見圖4。

圖4ansin-500000-MⅠ集中治理裝置

  對一些諧波較嚴(yán)重的電路進(jìn)行當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償，如選擇中心UPS出線端對前后波形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過安裝Ansin-300-BⅠ型有源濾波處理系統(tǒng)后，電壓畸變率從6.32%降值2.05%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提高電網(wǎng)波形質(zhì)量，見圖5。

圖5Ansin-30000-BⅠ壁掛式處理裝置

4UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)

  UPS供電系統(tǒng)是滿足數(shù)據(jù)中心供電可靠性的核心部分，電池是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，是整個(gè)供電系統(tǒng)的“后屏障"。當(dāng)電池性能因過充、過放電等原因下降，電池內(nèi)阻增大，導(dǎo)致電池加熱、鼓包等現(xiàn)象，導(dǎo)致供電系統(tǒng)安全整體下降，增加電池充放電損耗。

系統(tǒng)在電池室增加氫濃度監(jiān)測傳感器，當(dāng)氫濃度可啟動(dòng)排氣系統(tǒng)時(shí)，增加電池監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測電池電壓、內(nèi)阻和內(nèi)部溫度功能，數(shù)據(jù)接入Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)，通過電池系統(tǒng)科學(xué)運(yùn)行維護(hù)、監(jiān)測維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障風(fēng)險(xiǎn)，客觀延長電池使用壽命，確保供電安全，降低整體擁有成本，見圖6。

  圖6電池在線監(jiān)控示意圖

5智能照明控制系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用高光效LED光源燈代替原節(jié)能燈和筒燈，增加智能照明控制系統(tǒng)。紅外人體傳感器安裝在走廊、電梯前室、衛(wèi)生間等公共照明區(qū)域，由智能照明控制器控制，使人燈亮，人燈熄滅。同時(shí)，整個(gè)數(shù)據(jù)中心照明的集中控制和狀態(tài)監(jiān)控也可以集成在值班室的Acrel-8000系統(tǒng)主機(jī)上，節(jié)省照明用電，見圖7。

圖7智能照明控制系統(tǒng)示意圖

6光伏發(fā)電系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心屋頂具有較大的光伏組件安裝面積。通過增加光伏太陽能組件和逆變器，采用自用和剩余電源互聯(lián)網(wǎng)模式并入低壓電網(wǎng)，為數(shù)據(jù)中心提供清潔能源供電，減少數(shù)據(jù)中心的碳排放。光伏組件吸收太陽能轉(zhuǎn)化電能，同時(shí)反射和反射太陽熱量，在屋頂形成遮蔽結(jié)構(gòu)，避免陽光直射引起的熱量聚集，有效降低夏季建筑空調(diào)能耗，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)能耗，預(yù)計(jì)光伏系統(tǒng)年發(fā)電量40萬kWh。

7其它應(yīng)用

  除能效管理系統(tǒng)和上述電能質(zhì)量控制裝置、電池監(jiān)控、智能照明控制和分布式光伏外，安科瑞還包括高低壓配電綜合保護(hù)監(jiān)測產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置（A類）、智能小母線系統(tǒng)、精密配電柜、電氣消防解決方案等。

四結(jié)束語

  隨著越來越多的新數(shù)據(jù)中心，對數(shù)據(jù)中心的要求越來越高，無論是新的還是多年的數(shù)據(jù)中心都需要通過技術(shù)手段診斷數(shù)據(jù)中心的能源利用效率，找到節(jié)能空間，確定適合項(xiàng)目的節(jié)能改造方法，以提高數(shù)據(jù)中心的PUE值。Acrel-結(jié)合空調(diào)控制相關(guān)技術(shù)，8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)、安科瑞電力監(jiān)控、電能質(zhì)量監(jiān)控與治理、電池監(jiān)控、智能照明控制、分布式光伏等硬件產(chǎn)品，幫助數(shù)據(jù)中心提高能效，減少碳排放，建設(shè)綠色環(huán)保數(shù)據(jù)中心。