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数据中心暖通空调系统如何实现节能降耗?

发布日期:2022-09-28 作者:网络

 随着数字经济向社会各领域的持续渗透,社会对数据资源的存储、计算以及应用需求大幅提升,伴随着国家“东数西算”工程的全面启动,大数据和云计算等新一代信息产业进入快速发展阶段,数据中心建设也迎来了高速发展。持续优化数据中心能源的使用效率,对建设数据中心至关重要。



相关研究表明,数据中心能耗有1/3来源于暖通空调系统,仅次于IT设备能耗。在数据中心正式运行初期,机柜负载率不高的情况下,空调系统能耗尤其突出,因此对暖通系统节能措施进行研究,不仅能降低自身能耗,提高数据中心空调系统运行效率,还能有效降低数据中心PUE值,保障数据中心安全可靠运行,对研究数据中心节能十分重要。




一、数据中心能源消耗现状


在很多人的观念中,电力的消耗似乎主要来自生活用电和钢铁等传统第二产业,可全然不知的是,代表“更轻、更快、更绿色”的科技领域,正在成为电力消耗的主角。以芯片制造企业台积电为例,其一年共耗电143.3亿度,相当于1344万常住居民一年的用电量。各大互联网巨头的数据中心,已经成为名副其实的“电老虎”。


近年来,随着云计算、人工智能、大数据、物联网和移动互联网的深入发展,数据中心一方面步入快速发展阶段。但是,另一方面,数据中心又面临能耗过高的问题。经调查,数据中心目前消耗了全球约2%的电力,到2030年可能上升到8%。从国内看,全国数据中心的耗电量已连续8年超过12%的速度增长。2017年,国内数据中心总耗电量达到1200-1300亿千瓦时,这个数字超过三峡大坝和葛洲坝电厂发电量之和(约1000亿千瓦时)。预计2025年高达3842.2亿千瓦时。


如果从一个单一产业的角度看,这是非常可怕的能耗。但是,数据中心并不是简单的单一产业。它消耗的能源最后转化为整个数字经济的基础,支撑着互联网、通信、智能交通、智慧城市等等一系列的重要产业。但是,在巨大耗电量的背后,实际上有着令人难以置信的浪费。数据中心的耗电量仅有6%~12%是被用于网站计算,其余均在维持服务器工作状态时被无谓消耗。随着互联网高速发展,这种耗电情况近年来持续走高。


同时,“过度散热”也是数据中心耗电巨大的重要原因。数据中心的过度冷却差不多达到实际所需要的2倍。此外,由于可再生能源的利用率低下,数据中心运转只能不断加大使用原始驱动力——电力,耗电量自然只增不减。居高不下的耗电量、温室气体的排放……数据中心数量与规模的快速增长已经为资源与环境带来巨大挑战,低碳化的数据中心转型迫在眉睫。


、数据中心的环境及节能要求


数据中心建设内容不仅包括传统的土建工程,还涉及计算机设备制造、通信设备制造、各类计算软件以及绿色能源供给等多种不同类别的建设内容,产业链条长、覆盖门类广,需集成各专业相关的技术标准和节能要求。


数据中心按照运行环境和功能需求通常可分为主机房、辅助区、支持区以及行政管理区等,各区域对环境的要求不同,需通过暖通空调系统来调节各区温度、相对湿度、露点温度和空气洁净度。主机房、支持区(如制冷站、设备用房、电池室、配电室)、辅助区(消控室、指挥中心、管道井)等为维持设备的正常工作,须进行精确的温湿度控制,同时为了保持主机房内空气洁净度在一定范围内,主机房应维持正压。而管理区则只需要满足人的舒适性需求,因此必须对不同的环境区域进行合理的暖通空调系统设计。


目前,评价数据中心能效的权威指标是电能利用效率PUE,指的是数据中心总耗电量与数据中心IT设备耗电量的比值。PUE越接近1,则数据中心的能效越高。2021年10月22日,国家发改委联合各部门发布的《关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见》中明确新建大型、超大型数据中心电能利用效率不超过1.3。到2025年,数据中心电能利用效率应普遍不超过1.5。为了尽可能降低PUE值,需要对暖通空调系统能耗进行分析,并尽可能采取相关的节能措施。


、数据中心暖通空调系统能耗影响因素分析

从数据中心项目建设的全生命周期来看,影响暖通空调系统能耗的因素主要有以下五个方面。


01


需求及建设目标


在数据中心项目建设的决策阶段,用户的总体投资规模及PUE目标确定了数据中心总体包含暖通系统的的能耗状况。


02


暖通系统的设计、选型


依托用户的需求、投资规模、建设目标以及使用要求,设计单位通过计算分析,采用合理的暖通系统形式进行节能设计。不同设计方案采用的暖通系统、选取的设备导致实际的节能效果差异很大。例如,依据项目实际情况确定空调系统选用水系统或是风系统,为了避开能源使用高峰,考虑有无必要使用冰蓄冷等。


03


不同能效等级的暖通设备


暖通设备能耗包括制冷机组、冷却塔、水泵等设备运行产生的能耗。不同能效等级的设备能耗差异较大,一般选择能效等级较低的设备。


04


热量交换和传递过程损失的能耗


如数据中心系统隔离端口或机柜盲板不完善,导致封闭冷通道或热通道与外界空气环境之间进行热交换,造成暖通系统能耗损失等。


05


高效运维管理,降低能耗


数据中心在实际运行过程中对暖通系统进行高效运维管理,降低能耗。如对辅助区和支持区空调系统进行合理的控制与管理,在过渡季节合理切换制冷模式等,通过高效管理实现节能。


暖通空调系统设备运行受室外气象条件、室内设计参数、围护结构特点以及运行管理等因素的影响很大,因此在数据中心项目建设决策阶段应明确节能目标,并在项目实施阶段进行科学的暖通系统设计,优化冷源系统、水系统、风系统设计,充分了解数据中心暖通空调系统设备性能,选取先进的设备材料,减少系统综合管理误差,提高运维管理水平等,有效降低暖通空调系统的能耗。


四、数据中心的暖通系统节能措施探讨

虽然很多用户通过加大利用自然冷源等思路来降低数据中心的能源消耗,但是目前也只能降低一小部分。如果在这个基础上,数据中心要“节能更大化”该何去何从?、

01


明确节能目标


受工业化和城市化进程的影响,我国经济目前仍然处于中高速发展阶段,对能源消耗的依赖依旧居高不下。


在数据中心项目建设决策阶段,可依据项目投资规模,参照政府有关部门发布的相关文件和政策,科学制定PUE目标。一般PUE越小,初投资越大,因此项目建设单位需合理评估项目的效益,避免浪费。


02


合理选择暖通空调系统节能方案与技术




合理选择冷源设备


数据中心冷源系统是暖通系统的心脏,冷源设备的能耗在暖通系统能耗中占比也最大,须根据项目所在地的气候条件、项目规模、投资概算以及能源利用条件等因素充分论证确定。在冷源系统选择时应尽可能加强对天然能源的有效运用,如自然冷却和风能等;推进新技术的应用,如智慧节能降碳技术可减少冷站的能源消耗,提高效率。制冷机房在地下一层,考虑到数据中心总负荷及土建前期预留条件,当期冷源系统配置3台1934kW 低压变频水冷离心机组,两用一备。设置高冷冻水供回水温度为12℃/18℃,常规冷冻水供回水温差为5℃,采用冷冻水供回水温差为6℃,可减少冷冻水的流量和管网的阻力,降低制冷机组和水泵的运行能耗。




降低水系统比摩阻




综合考虑管径、安装空间、最小冲洗流速的前提下,尽量降低水系统比摩阻,减少整个水系统的水压降,降低水泵的扬程,进而减少水泵的运行功率。同时管道可以容纳的水容量更多,增加管道蓄冷的能力和水系统的稳定性。数据中心冷冻水采用一级泵变流量、双立管环形系统,双管路同时使用,检修或故障时可切断一路,另一路独立运行,保证数据中心运行安全。


 


余热回收


将数据中心服务器运行产生的大量余热进行收集,如果条件允许,可利用回收的余热通过热泵机组升温作为对建筑物供暖的补充,实现清洁采暖,减少中央空调系统对室外的碳排放及能源消耗。


 


余热回收提高送回风温度


封闭冷通道后,空调回风温度可提高至30~32℃(传统机房回风温度28℃),减少空调系统运行能耗。当空调系统的送风和回风温度提高1℃时,空调系统节电约2.5%,空调系统的制冷能力提高约5%。




低热交换次数,提高热交换效率,实现智慧化的运维管理


冰蓄冷系统虽然能降低运行费用,但不节电,只是利用了电价峰谷政策,错峰进行耗能制冷。但是每多一次热交换都会产生热损失,总碳排放是增加的。因此,宜增加每次热交换的效率,降低热交换次数,控制总碳排放。


结语

数据中心暖通系统的运行应与IT负载有效匹配,既要保证IT系统能够正常持续稳定运行,又要确定不会产生过多的制冷冗余,提高暖通系统的节能效率。数据中心暖通空调系统在建设和运行过程中有很多节能降耗的潜力,通过科学手段进行深入分析,合理优化设计,加强技术成果转化与应用,实现智慧化的运维管理,可有效实现节能降耗,降低数据中心PUE值,建成高效、安全、可靠且绿色的新型数据中心,助力碳达峰、碳中和目标的实现。

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