胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘 要：信息社會對數據的需求越來也大，數據中心已經成為*重要的基礎設置之一，而隨著國家雙碳政策的逐步推進，數據中心這種能耗密度非常高的建筑也成為減碳行動的首要對象，甚至和傳統的高能耗行業并列，不少地區也對新建數據中心能源利用效率（PUE）提出了高要求。原有老舊數據中心的機電系統已落后，需進行能效診斷和升級改造提高PUE。通過能效管理系統研究數據中心能耗構成，進行能效診斷，并針對性地提出節能改造主要措施，為數據中心綠色高效運行提供節能降耗優化思路，提高了數據中心的能源利用效率。
關鍵詞：數據中心；能效診斷；電能治理；節能改造
1 綜述
數據中心能效診斷是通過對數據中心總體用能分析、IT設備用能、制冷系統和配電系統耗能及能效對標。制冷系統主要的能效評估指標是制冷負載系數CLF，是數據中心制冷設備耗電與IT設備耗電的比值，而供電負載系數PLF是數據中心供配電設備耗電與IT設備耗電的比值，而數據中心PUE值也與這兩個系數密切相關。如圖1所示：
圖1 數據中心CLF、PLF和PUE的關系
在數據中心只有IT設備的耗電(圖1中的E4)被認為是“有意義"的電能。所以除了IT設備外，其它設備消耗的電能占比越低，那么數據中心的PUE值表現就越優秀。Acrel-8000數據中心能效管理系統主要從以上幾個數據來診斷數據中心的能效并給出針對性的改造方案。
2 能效診斷
某數據中心建成較早，機房建筑面積約1.5萬㎡，地上兩層，一層設置為變配電室、蓄電池室、冷水機組室、運營商機房等電力和網絡基礎設施，見圖2。二層主要設置12間機房，總共可部署約3000組機柜，已部署1500組。供電系統設置兩臺110kV主變，2個10kV開閉所，4個10/0.4kV低壓變配電室，8臺低壓變壓器，總供電容量2萬KVA，低壓配電室配備有UPS設備以保障供電，末端共70面安科瑞ANDPF精密配電柜為IT設備提供主備電源。
圖2 數據中心一層平面圖
Acrel-8000數據中心能效管理系統對數據中心從110kV變電站到末端精密配電柜實現了全覆蓋的能源管理、設備監測和能耗分析，見圖3。主要功能包括：
?電力監控：監控110kV變電站、2個10kV開閉所，4個10/0.4kV低壓變配電室配電系統運行情況，實現遙測、遙信、越限報警、故障分析、電能質量分析、運行報表等功能；
?設備監控：監測柴油發電機、變壓器、UPS、蓄電池組、精密配電柜、精密空調的狀態以及運行參數，并提供異常預警、運行報表等功能；
?能耗診斷：統計數據中心總能耗、IT設備能耗、制冷系統能耗、供電系統能耗、照明及辦公能耗等分項用能，并計算CLF/PLF/PUE等能耗指標；
?環境監測：監測數據中心溫濕度、水浸、電池室氫氣濃度等數據并提供越限告警；
?運維管理：進行發布工單、巡檢計劃、工單跟蹤管理等，協助維護人員高效運維。
圖3 Acrel-8000數據中心能效管理系統高壓配電系統和精密配電柜監測
2.1 能效分析
系統調試完畢經過一年時間運行后，系統發現數據中心能源利用效率比較低。經過系統數據顯示，全年IT設備用能占比51%，制冷系統(冷凍水機組、空調末端、新風等)用能占比36%，供電系統(變壓器、UPS、發電機、開關)10%，照明及辦公等占比約3%。
PUE值約為1.96；
CLF約為0.71；
PLF約為0.2；
由于數據中心機電設備老舊，缺乏有效的節能管理控制措施，能效利用效率較低，落后于新建數據中心。
2.2 空調系統
數據中心大樓采用集中空調系統供冷，主要設備有冷水機組、冷卻塔、冷凍泵、冷卻泵。通過系統可以發現空調系統水冷式制冷主機全年不間斷運行，定頻制冷主機負荷率在80%-90%時，變頻制冷主機負荷率在60%-70%時主機運行時綜合能效*高。但系統運行操控過程中，兩種主機大部分時間均未運行在較高效率區間，夏季、春秋、冬季工況時，系統冷凍水出水溫度保持恒定5℃，未根據實際環境負荷的變化而調整系統出力，也未充分利用冬季自然冷源。
2.3 變配電系統
數據中心現有8臺變壓器，分別來自2個10kV開閉所，變配電系統采用雙路互備模式接入，UPS系統為5個數據機房服務器供電，通過系統發現變壓器低壓側測量發現諧波較為嚴重，現場未安裝諧波治理裝置。UPS系統大量蓄電池組單體電池性能不一致，內阻過大導致整組電池充放電發熱，損耗增加，存在安全隱患。
2.4 照明系統
數據中心照明系統采用節能燈和筒燈，公共區域及數據中心區域采用手動控制，大樓照明光源主要采用普通熒光燈和筒燈等，燈具規格品種較多，部分區域照度不滿足規范規定的照度要求，控制方式也比較落后。
3 節能改造措施
3.1 充分利用自然冷源
當室外濕球（或者干球溫度）低于室內空調設計溫度并達到一定數值時，用流經冷卻塔的冷凍水或冷卻水直接或間接為空調系統提供冷量，來消除室內冷負荷，這樣就是利用自然冷源。
3.2 空調機組高效控制
完善機房內設備的參數監測和控制，監測主機負荷率、冷凍冷卻出回水溫度壓力、室外濕球溫度等參數，為中央空調系統提供全系統優化運行平臺。自動調節制冷主機運行在高效率區間，實時根據負荷變化情況，調整出水溫度，預計將使冷水機組能效提高約8%。
3.3 電能質量治理
由于數據中心主要負載均為IT設備，供電使用較多的UPS、制冷系統使用較多變頻設備，其在工作過程中會對低壓電網側造成諧波反饋，嚴重影響配電系統電能質量，變壓器低壓側諧波畸變率達到50%，遠遠超出國家標準。這也會導致電纜發熱，增加電能損耗，影響開關電源使用壽命，降低設備使用性能。
在每臺變壓器下加裝500A有源諧波治理系統裝置進行集中治理，型號為AnSin-500-M Ⅰ型，自動跟蹤補償負載產生的諧波電流，大大降低諧波畸變和中性線電流,保證供電系統安全可靠運行，同時也降低了系統損耗，見圖4。
圖4 AnSin-500-MⅠ型集中治理裝置
在對一些諧波比較嚴重的回路進行就地補償，比如選取該中心UPS出線端對前后波形數據進行對比，通過裝設AnSin-300-B Ⅰ型有源濾波治理系統后，電壓畸變率從6.32%降值2.05%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提升了電網波形質量，見圖5。
圖5 AnSin-300-BⅠ型壁掛式治理裝置
3.4 UPS蓄電池監控系統
UPS供電系統是滿足數據中心供電可靠性的核心部分，而蓄電池又是整個系統中*重要的組成之一，是整個供電系統的“*后一道屏障"。當組串中的一只電池因過充、過放等原因造成電池性能下降，電池內阻增大，會導致電池出現發熱、鼓包等現象，將造成供電系統安全性的整體下降，同時增加蓄電池充放電的損耗。
系統在電池室增加氫氣濃度監測傳感器，當氫氣濃度超標時可啟動排風系統，同時增加蓄電池監控系統，監測蓄電池的電壓、內阻與內部溫度功能，數據接入Acrel-8000數據中心能效管理系統，通過對蓄電池系統科學的運維管理，監測維護，及時發現故障隱患，從而客觀上延長蓄電池的使用壽命，保障供電安全，降低總體擁有成本，見圖6。
圖6 蓄電池在線監控示意圖
3.5 智能照明控制系統
對數據中心機房選用高光效的LED光源燈管替換原有節能燈和筒燈，增加智能照明控制系統。在走廊、電梯前室、洗手間等公共照明區域安裝紅外人體感應傳感器，通過智能照明控制器進行控制，做到人來燈亮、人走燈滅，同時在值班室的Acrel-8000系統主機上也可以集成整個數據中心照明的集中控制和狀態監視，節約照明用電，見圖7。
圖7 智能照明控制系統示意圖
3.6 光伏發電系統
數據中心樓頂具有較大的光伏組件安裝面積，通過增加光伏太陽能組件及逆變器，采用自發自用、余電上網模式并入低壓電網，為數據中心提供清潔能源供電，降低數據中心碳排放。光伏組件吸收太陽能轉化電能的同時也將反射、折射太陽熱量，在屋頂形成一個遮蔽結構，*大限度避免數據中心因陽光直射造成熱量聚集，有效降低建筑物夏季空調能耗，進而減少數據中心空調能耗，預計光伏系統每年發電量40萬kWh。
3.7 其它應用
安科瑞針對數據中心的能效產品除了能效管理系統和上述電能質量治理裝置、蓄電池監測、智能照明控制和分布式光伏外，還包括高低壓配電綜合保護和監測產品、電能質量在線監測裝置(A類)、智能小母線系統、精密配電柜、電氣消防類解決方案等。
4 結束語
隨著新建的數據中心越來越多，政府對數據中心的要求也越來越高，無論是新建的，還是已經運行多年的數據中心都有必要通過技術手段來診斷數據中心的能源利用效率，找到節能空間，確定適合本項目的節能改造方法，從而提高數據中心PUE值。Acrel-8000數據中心能效管理系統，加上安科瑞電力監控、電能質量監測和治理、蓄電池監測、智能照明控制和分布式光伏等硬件產品，結合空調控制的相關技術，幫助數據中心提高能效，減低碳排放，建造綠色、環保數據中心。
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更新時間：2023-04-03 
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