數據中心在耗能方面的三個突出特點,一是用電量大、高度密集,每平方米建筑綜合配電容量可達1.5～2kW,遠遠高于民用建筑配電密度;二是用電負荷持續穩定,從不間斷或者忽高忽低。在長江以南地區,大型滿載數據中心夏季與冬季用電量差值可以不超過10%;三是全年產生熱量、全年制冷。以鳳凰數據中心為例,從兩個不同的110kV變電站各引入兩條10kV電力專線(共兩站四線),互為備份。變壓器裝機26臺,總容量40000kVA。目前每天平均用電量在32萬千瓦時左右,全年超過1億千瓦時。

一般情況下,數據中心的電費支出占整個銷售收入的50%左右,是第一大支出事項,成為主要的生產資料構成因素。因此,節能減排、降低電費,對數據中心行業具有特殊意義。數據中心的節能工作,具有以下四個特征:

(1)確保安全性

數據中心的安全運行,是高于節能的第一要務。所有節能工作,必須以確保安全為前提,所有節能技術和方案,必須同步進行安全影響評估。隨著數據中心分級體系的完善和重要業務災備功能的建立,以及節能減排理念的提升和成本意識的深化,人們已不再過于絕對、機械和片面地看待安全問題,往往在安全和節能之間尋找最佳平衡點。

(2)注重系統性

數據中心的節能是一個多專業協同復雜的系統性工作,涉及設計、施工、維護管理等各個環節。既有在空調系統上的優化調整,也有在電源動力方面的工作;既包括變壓器、制冷主機等后端設備的節能,又包括前端設備的節能;既涉及設備更新和技術創新,還涉及日常工作和管理。

(3)兼顧經濟性

面對林林總總的節能產品和服務,需要因地制宜地根據自身數據中心業務類型、氣候特點、建筑情況等綜合因素,選擇合適的方案,避免出現“節能不節錢”的現象。因節能而導致經濟效益受損大致有三種情況:一是節能產品本身造價高昂,超過原有解決方案;二是維護難度加大,維護成本增加;是因節能技術的引入,加大了其他設施的投入,如自然風冷源方案需要加大建筑進風面積等。

(4)重視對自然冷源的利用

數據中心的一大特色是全年制冷,因此在寒冷季節最大程度地利用自然冷源進行降溫,是數據中心有別于其他行業的一個顯著特點。自然冷源利用包括以水為介質的冷塔和板換設備的使用,也包括直接引入新風降溫制冷的模式。目前,利用自然冷源技術也有新的體現,例如熱管背板技術,在提高冷凍水出水溫度達到節能目的的同時,也體現了對自然冷源利用的最大化。

鳳凰數據中心以上述理念為指引,在設計之初,就高標準、系統化地采用各種成熟節能理念技術,在后期的運營管理中,狠抓過程管理和細節管理,把每一項節能舉措落在實處,目前PUE值全年平均水平穩定控制在1.5以下,主要做法如下:

(1)建筑節能

建筑節能是數據中心節能的基礎,鳳凰數據著重從兩個方面入手:一是對建筑物的選擇,最大化地有利于節能減排。根據建筑設計上體形系數原理,同樣體積的建筑物,暴露在空氣中的表面積越小,越有利于降低室外熱空氣的侵擾,也就越有利于節能。電信五星級機房層將體形系數標準定在0.25以下,即建筑物除去地面接觸部分外的表面積與該建筑體積之比值低于0.25。而鳳凰數據中心的建筑體形系數為0.106,遠遠低于五星標準;二是在機房布局設計方面,我們把每個樓層的六個機房模塊全部集中在該樓層平面的中心,在其外圍到建筑物外墻之間,層層設有空調間、內走廊、電源室等,起到了天然的保溫隔熱作用,把機房受室外高溫侵擾的因素降到最低。

(2)天然氣分布式能源系統的應用

數據中心天然氣分布式能源系統是指利用天然氣為主要燃料,以數據中心為能源需求點,就近部署的分布式能源供應點,用電力和冷源聯產聯供的模式提供能源。鳳凰數據中心以合同能源管理的模式,與江蘇紫峰新能源公司合作,以采購電力和冷源的模式,開展數據中心分布式能源項目改造運營。

項目配置3臺2000kW的天然氣發電機,在日常供電的同時,還可作為市電停電狀態下的應急備用電源,起到常備兩用的作用。利用天然氣發電機工作時產生的缸套水和煙氣余熱,驅動3臺(每臺制冷量2500kW)溴化鋰空調主機制冷,提供7℃～15℃的冷凍水進入數據中心冷水主系統。

該系統目前已基本建成,進入試運行和驗收階段。建成后每年3月1日～11月30日運行,計270天(避開天然氣供氣高峰季)。每天8:00～21:00,每套設備年運行時間3510h。項目實施完成后,預計每年節省電力2457萬千瓦時,該電力分兩部分:一部分是內燃機發電直接提供的電力,這部分電量約為2106萬千瓦時;另一部分是內燃機余熱獲得的制冷量折合成電力約351萬千瓦時。冷電聯和運行,機組效率達到85%以上。就節省的2456萬元電力而言,約能減少2.8萬噸CO2。截止2015年底,已經累計向機房供電1171.06萬千瓦時,余熱獲得的制冷量69222GJ,折合成電力約325.74萬千瓦時,合計1496.8萬千瓦時,實際減少CO2排放6846.83噸。

(3)水冷空調綜合節能系統

鳳凰數據中心IT設備密集,耗電量和發熱量巨大,全年持續穩定發生,從不間斷。目前IT用電負荷已超過1萬千伏安。因此,數據中心節能降耗的主要措施是空調制冷方面的革新優化。傳統機房空調,單純考慮安全性,一般采用風冷空調模式制冷,其PUE值一般在2.0左右。實踐表明,處理好工藝和技術,兼顧安全性和節能性,水冷空調在機房領域已有成熟應用。因此,鳳凰數據中心根據新的理念和設計思路,全面建設了水冷空調系統,并在系統中嵌入多項節能技術,使PUE值穩定控制在1.5以下,相對原先風冷空調模式,PUE值下降0.5,節能量達到25%。按照IT設備全年耗電8760萬千瓦時計算,全年可節省電量約4000萬千瓦時。鳳凰數據中心的水冷空調綜合節能系統有以下子系統組成:

變頻式離心機組:中心配置的5臺功率1000冷噸變頻離心式冷水機組,采用VSD變頻啟動。根據測算,單臺變頻機組比單臺定頻機組,年節約電能為163萬千瓦時,節能率達33%。按鳳凰數據中心用四備一運行模式計算,則全年總共節約用電652萬千瓦時。

板式換熱器系統:中心部署4臺板式換熱器,與離心式制冷主機、冷卻塔配套使用,利用水作為換熱的介質,在冬季寒冷季節,開啟板換即可通過循環水系統帶走機房熱量,達到冷卻降溫效果。結合氣溫和大氣濕度變化情況,通過摸索混合開啟、漸進釋放等實踐方法,2015～2016年間本中心共實現板換制冷90天,節約制冷主機耗電約300萬千瓦時。

末端EC風機:本中心機房配置的209臺末端精密空調,全部采用變頻EC風機,每個空調室多臺空調自動聯機聯動,可實時根據機房內的溫度,自動變頻運行。此項技術與AC風機(工頻空調)相比,可節約15%的能耗,以2016年3月份實際用電量推算,則每月可節約用電8.29萬千瓦時,全年可節約為99.4萬千瓦時。

群控管理系統:中心的制冷系統的控制系統,在設計階段就考慮節能和使用效率,采用自適應控制器的群控管理系統。前期對冷卻泵、冷凍泵等設備全部采用變頻電機,利用群控管理系統對上述設備進行實時采集數據和調控,通過流量、流速的動態調整,精確應對負荷需求,達到設備使用效率的最佳狀態,實現節能降耗的目的。根據長期的跟蹤實測,此項管理控制系統可節約10%的循環系統能耗。以2016年3月份實際用電量推算,則每月可節約用電37120kWh,全年可節約44.5萬千瓦時。

(4)熱場管理系統

熱場管理的工作主要是在機房區域內,通過隔離冷熱區域,減少冷風熱風的相互污染,以及對冷風、熱風的合理導流、精確送引等手段,提高送回風的效能,從而達到提升精密空調效率,減少電能損耗的目的。鳳凰數據對機房內熱場管理的主要方式是:①搭建冷池,隔離冷通道,并且自主設計了無源的冷通道重力軌道門,可實現門體的自動閉合,杜絕了進出冷通道的人員不關門導致的冷氣流失現象。該設計不需要電源和輔助機電設備,安裝維護簡單、造價低廉,獲得了專利;②靜壓箱內導流。機房承重條件優良,但也造成柱距偏短、柱子偏密,對靜壓箱內的送風效果產生不利影響。因此我們因地制宜地設置了多處導流板,提高送風效率;③可調節的開孔地板,根據服務器功耗密度調節出風量和出風角度;④配置熱成像儀,安裝部署環境監測系統,對機房內冷熱氣流進行定期觀測,實時進行調整。

(5)熱回收利用系統

數據中心的特點是一年四季產生熱量、一年四季進行降溫制冷。在需要生活熱源的冬季,如果將數據中心的熱量直接回收利用,不僅可以降低生活熱源的制造成本,還可以直接降低數據中心的制冷成本,兩者相加,節能效果十分明顯。在比較了多種熱回收方案后,鳳凰數據確定了投資最小、實施最便捷、效果明顯的改造方案:在冷卻塔的出水管道(冷卻水進水)上,部署水源熱泵系統。以常年溫度為15℃的充足水源為熱源,借助輔助加溫生產45℃左右的采暖熱水。現場采暖面積約2000m2,水源熱泵系統投資約28.5萬元,比空調投資略節省。不含冷卻水水溫降低而帶來的制冷成本降低因素,僅制熱成本的節省,按120天采暖季測算,每天可比普通電空調節省電費175元,每個采暖季節省電費21000元。

經測算,整個鳳凰數據中心的熱源如全部回收利用,可滿足40萬平方米建筑的采暖需求。僅數據中心2000m2的辦公采暖需求,遠遠無法消耗巨大的熱源能力,我們正在積極拓展周邊辦公商住樓宇,以提供熱水的方式擴大熱回收的產能,于人于己,都是具有積極意義的工作。

(6)電源高效利用

數據中心的節能工作,除了在空調系統方面大有可為,在電源方面,也有很大的提升空間。作為第三方數據中心,雖然無法對客戶托管的IT設備進行電源改造,但可以對供電系統進行充分優化,提升用電效率和效能,減少電源損耗,也能實現可觀的節能效果。主要的投入和技改有兩個方面:一是引入高效率的高頻UPS系統,電源轉換效率可達87%以上,相比傳統工頻UPS電源,效率提升可達20%。按整個80臺400kVA容量測算,每年可節省電力5000萬千瓦;二是投入一批ATS雙電源切換開關,對于一些非高保障要求的IT設備,以及部分精密空調,日常主用電源設置在市電上,市電中斷時,通過ATS毫秒級地切換到UPS側繼續保障供電。這樣可減少UPS的日常自損和消耗。目前接入ATS,通過市電主供的設備總功率約為2000kVA,通過減少UPS損耗,每年可節省電力消耗約200萬千瓦。

(7)運維節能

除了在設計和投入方面把好節能關,實現降低能耗的目的之外,日常的機房運維工作好壞,也是影響能耗的十分重要的方面。運維節能工作做出成效,還能很大程度地彌補機房在設計、施工中的某些先天不足,因此,運維節能至關重要,也是運行中的數據中心節能減排的核心抓手。運維節能重在長期性、細節性、系統性,從小處著眼,緊扣細節,注重全系統的各個方面和各個環節,堅持不懈、持之以恒,必會取得顯著成效。在做好運維節能的過程中，我們特別強調以數據為指引的方法，通過數據分析發現問題和痛點，制定解決方案并附帶評測方法，在實施過程中全程記錄分析數據變化情況、全程優化調整，最終結果以數據數字定性定量。

在空調系統的維護方面,包括對管道內壁和管路上各種閘閥的規范化清洗保養,保持水流暢通無阻;包括對制冷主機的定期“通炮”作業,降低冷凝器管道溫差,提升熱交換效率;包括對機房精密空調整定值的調整、氣流組織的調整;也包括對冷卻塔的清洗保養檢修等。以上每一項具體的節能工作,通過深度挖潛和持之以恒,都能取得每年至少上百萬元的節能效益。鳳凰數據通過長時間摸索,記錄了大量的做法和數據,通過數據分析對比,持續調整和優化做法,循環往復,不斷提升節能效果。

在電源方面,主要從提升電源利用效率出發,通過對負荷分配的動態調整,提升UPS系統使用的集中率,避免低負載運行狀況,可以有效地大幅度節省電源自損。

上述做法,只是一家之舉、局部之觀,數據中心節能降耗的實踐還遠沒有窮盡。有資料顯示,數據中心的電力消耗總和,已近全社會用電量的2%,綠色數據中心創建之路,既是科學、也是責任;既是挑戰、更是機遇。未來,鳳凰數據將更加注重與行業的交流學習,持續做好節能工作,在實現自身效益提升的同時,為環境友好型社會建設貢獻積極的力量。

編輯：Harris

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