近幾年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅速，2015年我國(guó)數(shù)據(jù)中心突破1500萬(wàn)平方米，而其日益突出的能耗問(wèn)題也越來(lái)越不容忽視，2015年數(shù)據(jù)中心的電耗為1000億度，年耗電量超過(guò)全社會(huì)用電量的1.5%。據(jù)調(diào)查，國(guó)外數(shù)據(jù)中心采取多樣的節(jié)能改造措施，將PUE平均值控制在1.2以下：美國(guó)俄勒岡州Facebook數(shù)據(jù)中心，通過(guò)在頂部修建巨大的中央通風(fēng)系統(tǒng)和蒸發(fā)間，讓干空氣帶走熱量，將PUE控制在1.05~1.10；芬蘭哈米納的Google數(shù)據(jù)中心，利用海水循環(huán)降溫，將PUE控制在1.14；冰島雷雅內(nèi)斯巴的Verne Global數(shù)據(jù)中心，采用當(dāng)?shù)刎S富、便宜的地?zé)岷退Y源供電，利用冰島天然的寒冷，干燥的天氣用于設(shè)備降溫，將PUE值控制在1.2。而我國(guó)數(shù)據(jù)中心能源利用效率水平整體偏低，我國(guó)的大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE值大于2.0，平均值更是高達(dá)2.5。但研究表明，應(yīng)用現(xiàn)有節(jié)能技術(shù)，可使數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)平均實(shí)現(xiàn)節(jié)能25%、36%和18%，使數(shù)據(jù)中心整體平均實(shí)現(xiàn)節(jié)能35%。因此，對(duì)我國(guó)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化是十分有必要的。
數(shù)據(jù)中心能耗調(diào)研
1、調(diào)研對(duì)象及內(nèi)容
本次調(diào)研對(duì)象為北京市12處數(shù)據(jù)中心，其基本信息見(jiàn)表1。本次調(diào)研對(duì)象從投入使用時(shí)間、規(guī)模以及制冷形式來(lái)看，基本涵蓋了北京市所有數(shù)據(jù)中心的類(lèi)型，選取的數(shù)據(jù)中心樣本具有一定的代表性。調(diào)研內(nèi)容包括數(shù)據(jù)中心基本信息、能源評(píng)價(jià)信息、能耗指標(biāo)信息、能源管理系統(tǒng)信息。
2、調(diào)研方法
對(duì)主要耗電量（供電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）分別計(jì)量，采用2h一次的測(cè)量周期。在UPS的輸入端與輸出端分別安裝電表，利用兩者差值計(jì)量供電系統(tǒng)的用電量。監(jiān)測(cè)制冷系統(tǒng)的用電量應(yīng)包括室內(nèi)空調(diào)末端，水冷式制冷還包括壓縮機(jī)、冷凍水泵、冷卻水系統(tǒng)、末端冷凍水系統(tǒng)的耗電量。
3、調(diào)研結(jié)果
根據(jù)上述方法，得到各數(shù)據(jù)中心的總用電量、IT設(shè)備用電量、空調(diào)用電量、可再生能源發(fā)電量等能耗指標(biāo)，整理后得到各數(shù)據(jù)中心的PUE和CLF值。具體信息如表2所示。
3、調(diào)研分析
1、數(shù)據(jù)中心投入使用時(shí)間對(duì)PUE的影響
由圖1可以看出，2012年后投入使用的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.3-1.8之間，2012年前建成的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.8-2.5之間。說(shuō)明新建成的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)開(kāi)始重視數(shù)據(jù)中心高能耗的問(wèn)題，越來(lái)越注重節(jié)能措施在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用。
2、數(shù)據(jù)中心規(guī)模對(duì)PUE的影響
由圖2可以看出，數(shù)據(jù)中心的面積對(duì)于數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)PUE值有一定的影響。定性地分析，數(shù)據(jù)中心的PUE與面積的大小基本成反比關(guān)系，面積較大的數(shù)據(jù)中心的PUE值較低，而面積較小的數(shù)據(jù)中心的PUE值相對(duì)較高。
3、數(shù)據(jù)中心制冷形式對(duì)PUE的影響
本次調(diào)研中，風(fēng)冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.9左右，水冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.7左右。風(fēng)冷式直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)的初投資成本最低，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、器件少、施工簡(jiǎn)單工期短，但是制冷系統(tǒng)效率低，運(yùn)行穩(wěn)定性差，維護(hù)成本極高，適用于水源缺乏的地區(qū)、小型數(shù)據(jù)中心[9]。水冷式直接蒸發(fā)式空調(diào)系統(tǒng)的初投資成本稍高，需要布置冷卻塔及空調(diào)水系統(tǒng)，但是制冷系統(tǒng)效率高，維護(hù)成本低，適用于有集中冷卻水系統(tǒng)的場(chǎng)所[10]。因此，風(fēng)冷式數(shù)據(jù)中心的PUE值要高于水冷式數(shù)據(jù)中心。
數(shù)據(jù)中心節(jié)能優(yōu)化
根據(jù)上述調(diào)研結(jié)果，以北京市某數(shù)據(jù)中心為對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行DeST能耗模擬及節(jié)能優(yōu)化。該建筑主要功能房間現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空氣處理設(shè)備以及冷熱源設(shè)計(jì)如表3所示。
1、空調(diào)系統(tǒng)方案改造
對(duì)原有空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，提出兩種改造方案：
1、風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行作息按照辦公室空調(diào)啟停作息，根據(jù)人均新風(fēng)量和維持室內(nèi)正壓最小新風(fēng)量綜合確定房間總的新風(fēng)量；
2、全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)，各房間的送風(fēng)范圍4-8次/h。
對(duì)上述空調(diào)系統(tǒng)方案進(jìn)行模擬計(jì)算，可以計(jì)算得到各系統(tǒng)全年滿意（系統(tǒng)可達(dá)到設(shè)計(jì)要求）小時(shí)數(shù)如表4所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)各房間全年滿意小時(shí)數(shù)有明顯增加，有的甚至增加了一倍。
選取全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)在不滿意時(shí)刻（3月6號(hào)上午9點(diǎn)）各個(gè)房間室溫和送風(fēng)量情況，系統(tǒng)大部分需要供熱，一部分房間需要制冷。有些房間溫度已經(jīng)達(dá)到室溫下限，有些房間溫度已超出室溫要求上限，因?yàn)槭嵌L(fēng)量系統(tǒng)，所以并不能通過(guò)風(fēng)量來(lái)調(diào)整，從而系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)滿足各個(gè)房間的要求。選取全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)同一時(shí)刻，系統(tǒng)大部分需要供熱，一部分房間需要制冷。有些房間溫度已經(jīng)達(dá)到室溫下限，將風(fēng)量調(diào)小可以使房間溫度上升，達(dá)到室內(nèi)要求溫度；有些房間溫度已超出室溫要求上限，將風(fēng)量調(diào)大可以使房間溫度下降。因此全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整各房間的風(fēng)量來(lái)同時(shí)滿足各個(gè)房間的要求。
2、空氣處理設(shè)備方案改造
1、冷器選型
利用DeST對(duì)原有方案全年運(yùn)行情況進(jìn)行逐時(shí)模擬計(jì)算。計(jì)算得到，方案不能滿足設(shè)計(jì)送風(fēng)狀態(tài)要求的小時(shí)數(shù)達(dá)到295h。針對(duì)某一不滿足要求的時(shí)刻，設(shè)備無(wú)法將空氣處理到此時(shí)此刻系統(tǒng)要求的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S點(diǎn)，只能將空氣處理到與其溫度相當(dāng)?shù)腛點(diǎn)，但要求的除濕量卻相差很大，使室內(nèi)含濕量過(guò)大。因?yàn)?排的表冷器的通用換熱效率高，濕工況運(yùn)行時(shí)，表冷器處理空氣狀態(tài)點(diǎn)接近飽和線，如果此時(shí)將空氣從混風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)M點(diǎn)除濕到與S點(diǎn)等濕值得狀態(tài)點(diǎn)，空氣溫度會(huì)比送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S點(diǎn)低很多，送風(fēng)溫度無(wú)法滿足要求，所以此時(shí)此刻設(shè)備無(wú)法同時(shí)滿足送風(fēng)溫度和濕度的要求。采用4排帶旁通的表冷器，通過(guò)處理部分空氣到低溫低濕狀態(tài)再與未處理空氣混合便可以達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，可以很好地避免上述問(wèn)題。
2、熱回收處理方案改造
利用DeST對(duì)不設(shè)新排風(fēng)換熱器、設(shè)置顯熱回收器、設(shè)置全熱回收器三種方案進(jìn)行模擬，比較三種熱回收方案的運(yùn)行能耗。設(shè)置顯熱回收器額定的溫度效率為0.7，全熱回收器額定的溫度效率0.7，額定的濕度效率0.7。模擬得到三種方案的運(yùn)行能耗依次為18863.6kWh、15562.5kWh、11523.8kWh。該系統(tǒng)采用全熱回收的方式運(yùn)行與不設(shè)置熱回收裝置相比可節(jié)省了38%的運(yùn)行能耗。
3、冷熱源方案改造
利用DeST對(duì)建筑逐時(shí)需要冷量分布情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5?？梢园l(fā)現(xiàn)，冷量需求在低于1600kW的范圍內(nèi)比較集中，尤其是冷量需求低于1200kW的小時(shí)數(shù)占到需要開(kāi)啟冷機(jī)總小時(shí)數(shù)的60%。
數(shù)據(jù)中心最大的冷量需求為2980kW，對(duì)此選出兩種冷機(jī)搭配方案：
1、額定冷量為1500kW離心機(jī)2臺(tái)；
2、額定冷量為1140kW離心機(jī)2臺(tái)，額定冷量為720kW離心機(jī)1臺(tái)。
本次數(shù)據(jù)中心采用二次泵水系統(tǒng)形式，冷機(jī)的工況和水系統(tǒng)直接相關(guān)。上述兩個(gè)搭配方案所選擇的設(shè)備參數(shù)和臺(tái)數(shù)見(jiàn)表6。
兩種方案的冷機(jī)總額定冷量相同，都滿足系統(tǒng)的逐時(shí)冷量需求。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)末端的冷量需求確定開(kāi)啟冷機(jī)的臺(tái)數(shù)，隨著末端冷量需求的變化，冷機(jī)大部分時(shí)間會(huì)工作在部分負(fù)荷點(diǎn)，因冷凍機(jī)部分負(fù)荷時(shí)的COP不同，所以不同的冷機(jī)搭配會(huì)有不同的運(yùn)行能耗，運(yùn)行能耗的差別與系統(tǒng)的負(fù)荷分布情況有關(guān)。
圖4所示為某一時(shí)刻，不同冷機(jī)方案下對(duì)應(yīng)的冷機(jī)電耗及COP。對(duì)冷機(jī)全年運(yùn)行電耗進(jìn)行模擬分析，方案1和方案2的全年運(yùn)行能耗分別為19165kWh和1589 kWh，方案2的冷機(jī)搭配方案下的冷機(jī)全年運(yùn)行電耗與方案1相比有明顯降低，降低了17%的運(yùn)行電耗。
4、輸配系統(tǒng)方案改造
數(shù)據(jù)中心采用二次泵系統(tǒng)，二次泵的運(yùn)行方式有兩種：根據(jù)用戶流量需要臺(tái)數(shù)控織，根據(jù)供回水壓差變頻控制。對(duì)兩種控制方式的水泵運(yùn)行電耗進(jìn)行模擬，結(jié)合初投資進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，來(lái)確定二次泵的運(yùn)行方案。
由圖5(a)可知，二次泵以臺(tái)數(shù)控制的方式運(yùn)行，水泵的工作點(diǎn)揚(yáng)程大部分時(shí)刻高于11m。由圖5(b)可知，二次泵以變頻控制的方式運(yùn)行，水泵的工作點(diǎn)揚(yáng)程維持在11m。對(duì)兩種控制方式的水泵運(yùn)行電耗進(jìn)行模擬可得，臺(tái)數(shù)控制與定壓差變頻控制下的水泵電耗分別為7895kWh、6524kWh，采用定壓差變頻控制方式可節(jié)省電耗16%。
對(duì)兩種運(yùn)行方案的二次泵初投資及生命周期運(yùn)行費(fèi)進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表7。因?yàn)槌跬顿Y的增加，變頻的壽命周期費(fèi)用僅略小，對(duì)數(shù)據(jù)中心而言，從經(jīng)濟(jì)性角度看，定壓變頻控制的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有那么明顯。
結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)北京市12個(gè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行能耗調(diào)研和對(duì)北京市某數(shù)據(jù)中心進(jìn)行能耗模擬，得到如下結(jié)論：
1、數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)PUE值與數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、等級(jí)、制冷形式和使用時(shí)間等影響因素有關(guān)。投入使用時(shí)間在2012年之后的PUE值明顯低于之前的數(shù)據(jù)中心的PUE值。數(shù)據(jù)中心的PUE與面積的大小基本成反比關(guān)系，面積較大的數(shù)據(jù)中心的PUE值較低，而面積較小的數(shù)據(jù)中心的PUE值相對(duì)較高。風(fēng)冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在2左右，水冷式的數(shù)據(jù)中心的PUE值基本在1.5左右。
2、將空調(diào)系統(tǒng)改為全空氣變風(fēng)量系統(tǒng)，可以保證室內(nèi)IT設(shè)備的正常運(yùn)行。將通用換熱效率更高的8排表冷器換為通用換熱效率4排帶有旁通的表冷器，很好地解決了某些不滿足要求的時(shí)刻無(wú)法將空氣處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的難題。
3、通過(guò)設(shè)置全熱回收裝置節(jié)省了38%的運(yùn)行能耗。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)冷熱源提出的冷量、熱量需求確定選用的冷熱源的容量，進(jìn)行冷機(jī)搭配。通過(guò)分析數(shù)據(jù)中心逐時(shí)需要冷量的分布情況，選用多臺(tái)離心機(jī)，不光提高了冷機(jī)的COP，就全年運(yùn)行電耗而言，也節(jié)省了17%的能耗。
4、對(duì)二次泵的兩種運(yùn)行方式進(jìn)行電耗模擬，從節(jié)能角度，變頻水泵的節(jié)能效果優(yōu)于控制臺(tái)數(shù)，節(jié)省了16%的電耗。對(duì)兩種運(yùn)行方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性模擬，從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)，控制臺(tái)數(shù)初始投資小，變頻水泵并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。綜合兩者進(jìn)行考慮，選定控制臺(tái)數(shù)的運(yùn)行方式更為適用該數(shù)據(jù)中心。
（來(lái)源：數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理）
