数据中心机房节能分析

数据中心机房节能分析

杨根发中国移动通信集团江苏有限公司南京210029 为分析数据中心机房能耗的构成，笔者收集了南京3个数据中心机房近3年的用电数据。分析后发现，IT及网络通信设备的能耗占51%，空调制冷系统的能耗占24%，空调通风加湿系统的能耗占11%，照明能耗占2.5%，其他能耗占11.5%，因此数据中心机房的节能重点是IT及网络通信设备和机房空调。

1IT设备及网络通信设备的节能

能否解决好IT设备及网络通信设备的节能降耗问题，关键在于能否正确地选用IT 设备。衡量和比较各种IT设备是否具有最佳节能效果的标准是：在确保IT设备安全、可靠运行的前提下，设备的能耗比和IT设备所允许的工作温度、湿度范围是否具有优异的性能指标。

（1）设备能耗比

在选购服务器时，除了注意处理器、硬盘与内存等的规格外，还应关注电源供应器。

电源供应器产品除了标注电力的功率外，很少会标示电源的转换率。一般使用的电力都是交流电，要将交流电转换成直流电才能供给服务器内部各零组件使用。以一个400 W 的电源供应器为例，如果该供应器的转换效率为70%，即如果有400 W的交流电输入到电源供应器中，只有280 W的交流电会转成直流电供服务器应用，浪费了120 W的电力，所以在选购电源供应器时，必须注意转换效率的问题，转换效率越高的电源供应器越省电。

（2）IT设备所允许的工作温度、湿度范围

如果运营商选用对工作温度和湿度都很敏感的IT设备，势必会导致必须再花费大量的人力和物力去建立和维护耗能很大的空调保障系统，因此，设备采购时尽量选用具有较宽的工作温度和湿度范围的IT设备。根据运维经验，对于空调系统而言，在其他的运行工况条件保持不变的情况下，如果将空调的运行温度（回风口温度）提高1 ℃，就能将其运行效率提高3%左右，因此，就IT设备及网络通信设备的节能，重点要求在设备采购选型时选择节能型设备，从源头上最大限度地节约用电。

2 数据机房空调系统的节能

空调产生的能耗约占整个数据机房所需总功耗的35%左右。其中24%左右的功耗来源于空调的制冷系统，11%左右的功耗来源于空调的送风和回风系统。近年来，针对空调系统的节能，采取了以下措施，并取得良好的节能效果。

（1）冷凝器的温压双控雾化喷淋系统

冷凝器的温压双控雾化喷淋系统由带液晶蓝屏显示控制器的控制柜、压力传感器、温度传感器、SPAYERS雾化喷嘴、进水电磁阀及管路支架等部件构成。通过压力传感器和温度传感器，实时采集机房空调系统压力值和冷凝温度值。

每套TPDCS-1温压双控智能雾化喷淋系统能同时完成对4台单系统或两台双系统机房空调的压力值检测及喷淋控制。每台控制器可以提供4个独立的控制回路，每个回路可配置独立的压力传感器或温度传感器，分别采集机房空调的系统压力值或冷凝温度值。通过可实时调节的温度及压力的上下限值来控制电磁阀的开关以达到自动雾化喷淋的目的。系统所采用的智能液晶显示控制器可以配合压力、温度等线性变送器，对机房空调进行压力值、冷凝环境温度的测量、显示，通过对温度、压力限值的设定达到对雾化喷淋系统运行的控制。为保证试验的准确性、科学性和数据的可靠性，在近12个月的时间里，对A机房空调用电电度表进行用电统计和分析。当喷雾器关闭时，平均能耗为25.044 kW，当喷雾器开启时，平均能耗为22.475 kW，节能10.25%。以每台CM+40机房空调制冷设备系统耗电量为25 kW/h，每天工作16 h计算，每台空调用

电费用为400元人民币/天；按节电为10%计算，每天节约费用40元人民币。喷淋系统自身用水费用：每天用水量不超过1吨，费用不超过3元人民币，总节约费用为37元人民币/天，喷淋系统按一套1万元人民币计算，271天就可收回投资成本。（2）冷通道全封闭变风量送风方案针对数据中心采用管道上送风方式，通过改造送风管，将空调冷风直接输送到每个机柜，通过精密空调调整送风的温度和风压，在每个机柜风道阀门控制送风量，彻底解决了机房过热和降低空调能耗的问题。（3）水湿型智能通风系统水湿型智能通风系统能很好地满足在新风系统使用中的各项要求，做到在不影响机房温湿度环境的情况下有效节能。水湿型智能通风系统由智能控制单元、温度湿度传感器、进风设备单元和排风设备单元组成。智能控制器、温度湿度传感器和电气控制箱组成的控制系统用于测量室内外温度湿度，判断、控制通风系统的启停。进风设备和排风设备组成通风系统，进风设备引入室外湿冷空气，由机器设备吸入后换热，同时由设在较高位置的排风设备排出室内热空气。这样不但使空调压缩机的启用时间大幅度减少，而且可以使空调的加湿系统的启动时间大幅减少，甚至可以无需开启空调和加湿器，在降低机房能耗的同时也改善了机房的空气质量。在面积约为414 m2的机房安装4台力博特CM+50精密空调，每台设计风量14 000 m3/h，制冷量45.3 kW，采用风管送风，机房设置14排机架。具体改造内容及方案如下。在机房南侧3楼外墙安装4台送风量为10 000 m3/h的水湿型智能通风机，通风机安置在外墙的吊篮支架上。通过带外保温的送风管道将经过冷却除尘的室外净化空气送至室内，室外风管通过接口法兰与室内风管相接，进风口位于两个立柱间（10 m）靠右侧立柱的位置。沿机房南侧布置4条宽和高为500 mm×700 mm的送风管道，在管道的进风口弯头处加装电动风阀，当新风进风机停机时可自动关断与室外进风通道的连接。在每条风管侧面对应机架通道位置开3~4个格栅式送风口，对机房进行送风。在两个立柱间（10 m）靠左侧立柱的墙壁上部开一只排风口并安装自垂百叶式排风机，风机采用双层铁网以预防虫鼠进入，同时在排风机进风侧加装一只电动风阀，当进风机停机时可自动关断与室外排风通道的连接，排风机尽量靠近圈梁下方安置。每套新风系统安装一台集中控制器，控制器设置于两个立柱间（10 m）的内墙上，在室外进风口与室内排风口处各安装一只温湿度传感器，对室内外的温湿度进行检测，根据实测参数控制新风系统的开停。从室内机房空调的进水管接一条进水管对水湿型智能通风机供水，排水由室外新风机排水口处安装排水管道排至地面下水道。（4）改造效益分析本次改造需要安装4套水湿型智能通风系统，每套水湿型智能通风系统的造价为3.8万元人民币（含设备费用、安装辅材、系统安装费、系统调试费），总费用为14.2万元人民币。安装水湿型智能通风系统的机房，每年可以有40%~50%的时间不用开启机房空调进行制冷，该机房内4台机房空调压缩机及室外冷凝风机的功耗约为40 kW/h。根据南京地区的气候情况，每年压缩机及冷凝风机的开启使用时间约为全年的60%。根据此比例估算耗能，新风系统的应用可以使机房空调制冷系统每年节省的电费估算为105 960元人民币。安装水湿型智能通风系统的机房，每年可以有95%的时间不用开启机房加湿器空调对机房进行加湿，目前4台机房空调加湿器的功耗为30 kW/h。根据南京地区的气候情况，每年加湿系统的开启使用时间约为全年的15%。根据此比例估算，新风系统的应用可以使机房空调加湿系统每年节省的电费估算为44 938元人民币。从上述数据可以看出，通过加装水浸式新风系统改造后，该机房每年可节省电费15万元人民币左右，改造当年就可以全部收回改造费用。3 供电系统的节能当前数据机房设备用电主要为交流电，交流电通过由变压器和ATS开关所组成的UPS进行供电，UPS功耗约占数据机房所需总功耗的10%，因此针对供电系统，建议采取以下措施。（1）推动数据机房直流供电代替交流供电大力推动数据机房直流供电替代交流供电，无论是供电可靠性、电磁兼容还是能效比，

直流供电都优越于交流供电。（2）采用无变压器的UPS设备如同电源供应器存在转换效率问题，UPS也有同样的问题。传统的UPS的整机效率只有75%～85%，但采用无变压器的机型，可以提升至90%以上，因此，选用无变压器的UPS可以更有效地利用电源，让每一度电都花费在系统运作上，进而降低电力的成本。