数据中心电源及空调节能方案研究

数据中心电源及空调节能方案研究摘要：本文主要从电源和空调两个方面对数据中心能耗现状及问题进行梳理，结合某运营商数据中心建设及改造案例，对数据中心机房提出系统的节能方案建议。

关键词：数据中心、电力输配系统、不间断电源、制冷机房、空调末端系统、节能一、概述随着社会电子信息化程度的提高，企业的业务和管理朝着电子化和网络化的方向快速发展，在这种背景下，通信运营商的IDC业务得到了迅速的发展。

随着电子信息及制造技术的飞速提升，数据中心机房的设备密集度大大提高，耗电巨大，发热量更加集中，机房局部过热现象增多，机房内单位面积空调冷负荷急剧增加，由此引来的主设备运行故障和能耗逐年上升，甚至成为了制约通信业务发展的一大瓶颈。

同时，具有重要战略地位及发展潜力数据中心作为通信行业高能耗的代表也成为了大家关注的焦点，国内外各大运营商及相关研究机构都陆续开展了一系列数据中心节能试点改造，取得了良好效果。

本文主要从电源（包括电力输配系统、交直流不间断电源等）和空调（包括制冷机房、空调末端系统等）两大方面对数据中心能耗现状及问题进行梳理，结合某运营商数据中心建设及改造案例，对数据中心机房提出系统的节能方案建议。

二、数据中心能耗现状国内某运营商的调研数据显示：数据中心能耗呈逐年上升趋势，2009年比2008年增长了约20%左右，到2010年底，数据中心占该运营商全国网络运营总能耗的比例达到了13%（见图1），特别是在一些IDC业务发展较好的大城市，该比例远远超出了全国平均水平，比如：上海市2010年数据中心能耗占比超过了25%，北京市则达到了50%以上。

图2-1 某运营商2010年网络运营能耗结构从机楼的角度来看，数据中心能耗主要由三个部分构成：数据通信设备、空调（制冷机房、空调末端系统）及电源（电力输配系统、交直流不间断电源），其能耗占比情况见图2。

图2-2 数据中心能耗构成(数据来源：劳伦斯伯克利国家实验室)上述数据显示，数据通信设备的能耗占比最大。

但某种程度上来说，主设备的节能环节是运营商无法真正掌握的。

因此，运营商在尽量采购节能减排主产品的同时，需不断加大力度，开展对数据中心空调及电源系统的节能建设及技术改造，以期实现节能降耗。

三、数据中心电源系统节能研究一般来说，数据中心电源系统包括：外电引入、变压器、发电机、电动机、交流不间断电源系统、直流不间断电源系统、照明系统及输配电线路等。

由于数据中心功率密度的提高，所消耗的电功率增加，在电力各环节能量损耗亦随之增大，因此，电源系统各环节均需采取节能措施。

一）、外电引入、变压器、发电机及电动机系统节能研究数据中心外电、变压器、发电机及电动机等环节的现状、问题及节能建议见下表：外电引入变压器及发电机电动机现状及问题目前数据中心所在机楼的外电引入多采用两回路互为备用的10kV专线。

相比更高电压等级的外电引入，外电容量受到限制，线路损耗难以降低。

目前，不少机楼的变压器实际使用负荷率较低，实际用电量与设计规划用电量存在较大差距。

数据中心的电动机类负载主要是风机和水泵，且多为Y系列，其效能较新型YX2系列电动机低；电动机未采用变频调速等节能措施。

技术发展趋势及建议发展趋势：1.20kV电压已列入国家标准电压。

2.已经具备全方位的成熟产品，包括20/0.38kV变压器及相应电压等级的电缆。

3.相比10kV供电系统，20kV系统在相同导线截面条件下，增加了近一倍供电能力；相同供电容量的前提下，降低电网损耗达75%，并节省外线建设投资约40%。

当前，国内外电气行业在确定供电电压等级均以节能为导向的趋势，因此，如条件许可，建议采用20kV或更高等级的外电供电。

1.用电负荷合理分类及精细计算，应科学的考虑设备运行的需用系数和同时系数，合理配置变压器及应急发电机组容量，降低设备的初期投资及运行损耗。

2.应根据实际情况灵活配置变压器，变压器采用2N配置时，每台变压器负荷率不大于50%；变压器采用N配置时，每台变压器负荷率不大于70%；变压器应采用D，yn11接线方式。

3.选用低损耗、节能环保、具有抗谐波能力及较高过载能力的变压器产品；选用具有较高过载能力及较强带非线性负载的能力的产品，选用具有一定抗谐波能力的发电机组。

4.供电距离长及功率较大，有并机运行需求时，宜采用10kV高压柴油发电机。

5.通过加强谐波治理，提高变压器及发电机的有效容量。

发展趋势：1.660V电压已列入国家标准电压。

2.10/0.66kV变压器、660V电动机、660V电缆、母线及开关等相关产品的标准化生产。

3.变频控制技术发展成熟及广泛应用。

建议：1.采用高效率新一代的节能电机YX2系列；采取电动机变频调速等节能措施。

2.提高电动机供电电压等级：（1）较大容量的电动机（如：耗电较大的水泵、空调冷水机组以及空调末端风柜），建议采用660V电压供电。

（2）大容量的电动机,单台大于550kW的电动机（含电制冷机组），应当采用10kV(6kV)电源供电；单台大于350kW的电动机（含电制冷机组），宜采用10kV(6kV)电源供电。

某运营商案例某运营商某省的IDC数据中心工程采用两路20KV专线电源，正常供电时，两段母线分段运行，两路电源同时供电，运行效果良好。

某运营商某数据中心对部分较大容量的电动机（约30多台空调主机、水泵等）采用660V供电，总功率达2500kW。

优点如下：大量节省配电开关及配电导线的投资；线路损耗仅为380V电压供电的33%，节能效果明显。

该数据中心对数台大容量电动机（单台达1000kW 以上的冷水机组）采用10kV高压供电。

优点如下：减少了低压冷水机组所需的10/0.4kV变压器以及大容量的低压配电开关及控制设备；节省占地面积及一次性投资；减少年运行损耗，节能效果明显。

表3-1数据中心外电引入、变压器、发电机及电动机系统节能研究二）、照明系统及输配电线路节能研究数据中心照明及输配电线路环节的现状、问题及节能建议见下表：照明输配电线路现状及问题多数数据中心长期开启全部灯具，部分机房照度偏高；多采用T8荧光灯，效率不高；灯具开关缺乏智能控制。

目前多数在用的数据中心机楼的高低压配电房及发电机房、电力电池室等远离数据主设备及空调等负荷中心区域，输配电线路长，线路损耗较大。

建议 1.推广使用高效光源：优选细管荧光灯和紧凑型荧光灯，积极推广高压钠灯和金属卤化物灯。

2.设置合理的照度，照度要求较高的场所采用混合照明。

3.采取智能、合理的照明控制方案。

1.为减少投资并降低线路运行损耗：高低压配电室、变压器室、电力电池室等应采用贴近用电负荷的布局，以缩短输配电线路的距离；发电机房、低压配电房与电力电池室应尽量靠近，减少配电级数并缩短配电线路；楼层高的机房应分层安装变压器，面积大的机房应在中心位置设置变压器，以减少输配电线路长度。

2.选用低损耗的新型输配电母线及电缆。

表3-2 数据中心照明及输配电线路节能研究三）、交、直流不间断电源系统节能研究1. 传统交流不间断电源（塔式UPS）系统应用现状当前，数据中心主设备一般要求交流电源输入，多采用传统的交流UPS 系统供电模式，即：UPS系统将交流市电整流逆变后，为数据主设备提供220/380V 的交流不间断电源。

其应用现状总结如下：（1）传统UPS系统多采用N+1配置，等级较高的数据中心机房采用2（N+1）配置。

（2）.部分在网的早期UPS主机采用6脉冲整流，近年来基本都采用12脉冲整流。

（3）为了限制UPS系统产生的谐波，部分UPS系统配置了有源滤波器。

（4）蓄电池后备时间大多按单机满载30分钟配置，有的数据中心配置达到了单机满载1小时。

2. 传统交流不间断电源系统存在的问题随着数据中心高能耗问题的凸显以及对设备运行可靠性要求的不断提高，传统交流UPS供电模式存在以下一些不足：（1）采用了冗余并机技术，无论是N+1还是2（N+1）系统，在正常运行时，UPS主机的负载率均较低，再考虑到系统配置容量较实际偏大，使得系统的负载率更低，未在最佳效率点附近运行，系统损耗较大。

传统UPS系统的负载率与效率的大致关系见下图：图3-1 负载率与效率关系图经调查，很多大型数据中心机房的UPS系统单机负载率一般在10%至30%之间，大多数只有20%左右，在发展过程中的数据中心机房UPS单机负载率甚至更低，单机负载率10%不到的也占很大部分。

（2）目前仍有采用6脉冲整流的UPS在网运行，且没有采取相应的谐波处理措施，导致系统额外附加功率损耗大。

部分UPS系统虽然配置了谐波过滤器用于谐波治理，但治理后实际运行情况没有进行相应跟踪，治理效果无法保证。

（3）交流UPS系统的后备蓄电池需经过UPS逆变后才能供给负载，一旦UPS本身出故障，仍会造成负载停电。

3.数据中心不间断电源系统发展趋势（1）模块化交流不间断电源系统为解决传统UPS系统由于负载率低导致的系统低效率及难以实现按需扩容等问题，“模块化”的概念被引入了交流UPS设计生产领域，出现了模块化交流UPS系统。

一般来说，模块化UPS系统由机架、UPS功率模块、静态开关模块、显示通信模块以及电池组构成，系统组成模式与直流供电系统相似，可以方便实现N+X冗余，可根据实际负载量来配置合理的电源容量，其系统效率及供电可靠性相比传统UPS系统都得到了提升。

（2）高压直流不间断电源系统直流供电方式早已得到了长期的、大规模的使用及验证，该方式将交流市电整流后与蓄电池并联，直接为通信设备提供直流电源，大大提高了供电可靠性和工作效率，谐波小，可以很方便的实现按需扩容。

传统的直流供电系统的电压等级一般为－48V，大功耗的数据中心设备若采用-48V的供电电压，会使得配电线路的损耗大大增加，因此需要提高直流供电的电压等级，于是出现了“高压直流供电方式”。

与传统交流UPS系统比较，高压直流供电系统的效率更高，系统损耗明显降低。

一般来说，直流电源模块的效率一般都在93%以上，即使模块使用率在40%，效率也可以达到92%，而UPS系统的实际满载效率一般仅为85％以上，不超过90％。

同时，高压直流供电系统还大大提高了不间断供电系统的可靠性。

4.建议（1）优先考虑在新建以及改造使用年限长、耗电量大、故障率高的传统交流UPS系统的数据中心采用高压直流供电系统或模块化UPS系统。

（2）加强谐波治理。

5.某运营商案例2010年某运营商先后在5个省建设了约23套高压直流系统，用以取代传统的UPS供电系统，建设规模及平均节电率情况见下表：省份系统数量(套) 相比传统UPS系统的平均节电率(%)A 7 20%B 2 15%C 6 22%D 4 12%（普通机房）3 37%（数据中心）E 1 29%小结23 22%表3-3 某运营商高压直流系统建设情况四、数据中心空调系统节能研究1.数据中心空调系统节能建议数据中心空调系统能耗主要包括制冷机房能耗和空调末端系统能耗，通过对某运营商多个数据中心空调系统的调研及分析，节能建议如下表：制冷系统末端系统建议 1.小型机楼或单个机房宜采用单元式风冷型恒温恒湿专用空调；新建大型数据中心机楼建议采用集中式冷冻水型恒温恒湿专用空调系统，其冷冻水供回水温差宜尽量加大。