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淺談數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施探析與研究

發(fā)布時(shí)間:2024-06-19瀏覽次數(shù):0

1概述

隨著新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革快速發(fā)展,數(shù)字經(jīng)濟(jì)異軍突起,成為推動全球經(jīng)濟(jì)迅速恢復(fù)和穩(wěn)健增長的“發(fā)動機(jī)”。作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的“底座”,數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達(dá)5,952億元。

圖12014—2025年我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模與增速預(yù)測

我國數(shù)據(jù)中心將成為未來為數(shù)不多能源消耗占社會總用電量和碳排放量比例持續(xù)增長的行業(yè),給全社會能源供應(yīng)和環(huán)保帶來了巨大壓力。

圖22015-2018年中國數(shù)據(jù)中心機(jī)柜數(shù)量

2021年工信部發(fā)布的《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》專門設(shè)置了“綠色節(jié)能”類別的發(fā)展指標(biāo)。工信部指出,到2025年底,我國新建大型和超大型數(shù)據(jù)中心有較大的節(jié)能改造空間。

2數(shù)據(jù)中心能耗分析

數(shù)據(jù)中心一般由電網(wǎng)為其提供穩(wěn)定電源,能源消耗主要可分為以下4個(gè)部分,能耗情況如圖3所示。

(1)IT設(shè)備:包括服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等,為用戶提供信息處理和存儲、通訊等服務(wù)系統(tǒng),耗能占45%。

(2)制冷系統(tǒng):為IT設(shè)備運(yùn)行需要提供穩(wěn)定的溫、濕度環(huán)境,主要包括:空調(diào)、冷源設(shè)備,送回、風(fēng)系統(tǒng),耗能占40%。

(3)電氣系統(tǒng):主要為UPS系統(tǒng)及其他輔助照明等,耗能占5%。

(4)其他:主要為供配電系統(tǒng)等,耗能占10%。

圖3數(shù)據(jù)中心主要能耗構(gòu)成

3數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施

由于數(shù)據(jù)中心能耗高,因此,在技術(shù)選擇上,可采取多種技術(shù)措施,目的是能夠有效的提高能源利用效率,降低能耗。

3.1電力供應(yīng)

數(shù)據(jù)中心尋求替代傳統(tǒng)供電模式的首選。

3.2數(shù)據(jù)中心電氣節(jié)能技術(shù)

3.2.1節(jié)能設(shè)備

制冷主機(jī)采用高效變頻水冷離心冷水機(jī)組,有效節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用,降低能耗。變頻機(jī)組在過渡季節(jié)、部分負(fù)荷時(shí)提高運(yùn)行效率,可顯著達(dá)到降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。

定頻泵無法根據(jù)負(fù)載變化動態(tài)調(diào)整水量,從而無法節(jié)能,如果采用變頻調(diào)速控制的水泵,將可以根據(jù)不同負(fù)荷和工況進(jìn)行調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能??刂扑玫妮斔湍芎模P(guān)鍵是控制水泵的變頻,滿足循環(huán)流量的情況下,盡量減少不必要的耗電。

水泵變頻節(jié)能的理論依據(jù):

P2=P1(n2/n1)3=P1(f2/f1)3

P1=電機(jī)額定功率kW

P2=實(shí)際工作頻率下的輸出功率kW

n1=額定轉(zhuǎn)速

n2=實(shí)際轉(zhuǎn)速

f1=額定工作頻率,一般為50Hz

f2=實(shí)際工作頻率Hz

由上式可知,水泵耗電功率與頻率成三次方關(guān)系,節(jié)能空間巨大。

變頻變流量控制是針對數(shù)據(jù)中心中節(jié)能效果更為明顯。

3.2.2分布式儲能UPS系統(tǒng)

UPS的作用是在市電電源中斷、柴油發(fā)電機(jī)組啟動前,確保負(fù)載持續(xù)供電,因此,UPS系統(tǒng)包含了儲能設(shè)備,如蓄電池或飛輪。此外,還具有隔離市電側(cè)浪涌、電壓驟升驟降等作用。

在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心,UPS系統(tǒng)損耗可占IT設(shè)備能耗10%以上。UPS系統(tǒng)按照系統(tǒng)大負(fù)載功率設(shè)計(jì)。實(shí)際上,大部分時(shí)間的真實(shí)負(fù)載功率達(dá)不到大負(fù)載功率的需要,真實(shí)負(fù)載與額定負(fù)載的比例越小,UPS能效越低。因此,提高UPS系統(tǒng)可靠性,降低其損耗,就成為UPS系統(tǒng)架構(gòu)演變的主旋律。

傳統(tǒng)集中式UPS系統(tǒng)弊端明顯,單點(diǎn)失效、備用UPS增加了系統(tǒng)成本、能效差。分布式儲能UPS系統(tǒng)由電源模塊、控制模塊和鋰電池模塊組成的數(shù)千瓦至50MW的小型模塊,不但增加了系統(tǒng)可靠性、可擴(kuò)展性和電源管理靈活性。同時(shí)根據(jù)用戶設(shè)備進(jìn)入時(shí)間,分批建造,減少空載或輕載時(shí)間。

3.3數(shù)據(jù)中心制冷節(jié)能技術(shù)

3.3.1提高冷凍水供回水溫度及溫差

提高冷凍水供回水溫度,可以提高冷凍機(jī)的運(yùn)行效率,同時(shí)可以增加自然冷卻時(shí)間。制冷機(jī)組冷凍水出水溫度每提升1℃可節(jié)能3%~5%,變頻離心機(jī)組冷凍水出水溫度每提升1℃可節(jié)能4%~6%,節(jié)能效果明顯。

圖4為在不同的出水溫度條件下,冷水機(jī)組的制冷量與用電功率的典型關(guān)系。

圖4不同出水溫度,冷水機(jī)組制冷量與用電功率關(guān)系

可以看出,隨著冷水機(jī)組的出水溫度的提升,對應(yīng)著的制冷量和用電功率都在增加,但發(fā)現(xiàn)制冷量的增幅更大,簡單來說,隨著冷水機(jī)組出水溫度提升,將可以用更少的電力消耗提供更多的制冷量。提高冷水機(jī)組的出水溫度即提高末端空調(diào)的供水溫度,它引申出的另一個(gè)好處是能夠大限度利用室外冷源進(jìn)行自然冷卻。

3.3.2提高空調(diào)機(jī)組的送回風(fēng)溫度

提高空調(diào)機(jī)組的送回風(fēng)溫度,可以通過精密空調(diào)機(jī)組設(shè)定,保證精密空調(diào)的運(yùn)行效率,降低不必要的過度制冷的能源浪費(fèi)。

3.3.3間接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)

目前數(shù)據(jù)中心能耗,如何應(yīng)對大型制冷系統(tǒng)復(fù)雜化、提升交付速度,存在非常廣闊的研究空間和研究價(jià)值。

目前,自然冷卻技術(shù)一般有水側(cè)自然冷卻、風(fēng)側(cè)自然冷卻等。風(fēng)側(cè)自然冷卻與水側(cè)自然冷卻相比,效率更高、運(yùn)行天數(shù)更長。風(fēng)側(cè)自然冷卻系統(tǒng)換熱更直接,可利用的環(huán)境氣溫更高,故全年可利用天數(shù)更多。以間接蒸發(fā)供冷技術(shù)為例,機(jī)房25℃送風(fēng)情況下,環(huán)境溫度小于19.4℃即可進(jìn)行自然冷卻,而水側(cè)自然冷卻環(huán)境溫度至少要降到12℃以下。

在中國東部地區(qū)采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào),自然冷卻時(shí)間可達(dá)6000小時(shí),而在西北地區(qū)能達(dá)8000小時(shí)以上。與傳統(tǒng)空調(diào)水側(cè)自然冷卻相比,間接蒸發(fā)制冷效率更高、可利用自然溫度的時(shí)間更長。

在中國東部地區(qū)采用傳統(tǒng)水側(cè)自然冷卻,自然冷卻時(shí)間一般小于4000小時(shí)。故在中國東部地區(qū),采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的自然冷卻時(shí)間比傳統(tǒng)空調(diào)水側(cè)自然冷卻的時(shí)間全年多出大約2000h小時(shí)左右,節(jié)能效果可觀,對降低全年平均PUE值意義重大。

3.3.4采用液冷技術(shù)

液體技術(shù)是采用液體作為工質(zhì),為發(fā)熱元件換熱。液冷分為非接觸式液冷、接觸液冷兩大類,服務(wù)器液冷分為冷板、浸沒、噴淋三大液冷技術(shù)方向。冷板式液冷是采用冷板組件與高熱流密度元件接觸,發(fā)熱量經(jīng)由冷板組件中的冷卻介質(zhì)導(dǎo)出,再經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)冷卻回路熱交換傳遞,終將設(shè)備熱量散發(fā)到外環(huán)境或進(jìn)行回收利用的一種液冷實(shí)現(xiàn)方式。浸沒式液冷是將服務(wù)器浸沒在冷媒(冷卻液)中,依靠液體流動循環(huán)帶走熱量。

液冷技術(shù)相比傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)在散熱效率、能源利用率等方面具備顯著優(yōu)勢,而隨著數(shù)據(jù)中心向著高密高電的方向發(fā)展,傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足其散熱需求。采用液冷技術(shù)也將成為大的趨勢。

3.4其他節(jié)能技術(shù)

3.4.1余熱利用

眾所周知,數(shù)據(jù)中心遵循密度越來越高的趨勢,產(chǎn)生的熱量也越來越多。

如果利用熱泵技術(shù)將數(shù)據(jù)中心PUE,還能有效幫助用戶降低用熱成本。

3.4.2能源管控平臺

通過構(gòu)建能源管控平臺,實(shí)現(xiàn)多能流,多時(shí)空的能源數(shù)據(jù)監(jiān)測和統(tǒng)計(jì),在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定、供需匹配為前提,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接入、能效分析、能源監(jiān)控與調(diào)度優(yōu)化,保證能源系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,通過能源系統(tǒng)的分級調(diào)度與控制,降低能源成本、提高能源的綜合利用水平,大限度的節(jié)能運(yùn)行。

綜合能源管控系統(tǒng)從不同維度實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中監(jiān)控、能源運(yùn)行管理、能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的功能。具體內(nèi)容可為:

(1)能源系統(tǒng)集中監(jiān)控:包括數(shù)據(jù)采集與處理、事件及報(bào)警處理、實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控和專題場景監(jiān)控;(2)能源運(yùn)行管理:包括能源指標(biāo)分析、供能質(zhì)量分析、綜合指標(biāo)報(bào)表、綜合調(diào)度運(yùn)行;(3)能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化:包括網(wǎng)絡(luò)化建模、供需平衡分析等協(xié)同優(yōu)化。綜合能源管控平臺的建設(shè),將對數(shù)據(jù)中心帶來以下效益:

①降低能源成本

數(shù)字化綜合能源管控平臺,基于輸入的能源系統(tǒng)子模塊歷史數(shù)據(jù),以及運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),利用經(jīng)過訓(xùn)練的模型,根據(jù)經(jīng)濟(jì)性佳的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行仿真分析,終得到綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及各機(jī)組容量,及運(yùn)行期間響應(yīng)實(shí)時(shí)能源需求的實(shí)時(shí)策略,大精度地保證整體系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu),將能源成本從數(shù)學(xué)模型分析的角度,降低。

②提高能源效率

在獲得大量的能源系統(tǒng)模塊負(fù)荷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮能源系統(tǒng)內(nèi)各模塊的作用,根據(jù)消耗對電、熱、冷等供能質(zhì)量的需求,生成關(guān)鍵能源質(zhì)量指標(biāo)。

通過調(diào)度,耦合,在保證匹配各種能源實(shí)時(shí)負(fù)荷的前提下,通過調(diào)度不同的能源模塊,從系統(tǒng)層次提高整體能源使用效率,增加能源供應(yīng)管理,避免能源浪費(fèi)。

③提高能源系統(tǒng)可靠性

可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)情況,進(jìn)行運(yùn)行集中監(jiān)控,對可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行預(yù)警,及時(shí)下發(fā)新系統(tǒng)運(yùn)行策略,保證用戶端負(fù)荷匹配。同時(shí)可設(shè)計(jì)專題場景,便于運(yùn)維管理人員可以便捷、容易獲取相關(guān)監(jiān)控信息,分析結(jié)果。

4安科瑞能耗統(tǒng)計(jì)分析(能源管理)解決方案

4.1能效管理解決方案介紹

建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及績效考核指標(biāo),發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費(fèi)情況,提高人員主動節(jié)能的意識。

① 搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架,對各個(gè)用能環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;

② 排碳數(shù)據(jù)化:通過系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析(包括水、電、能量),實(shí)現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化;

③ 區(qū)域能效比:實(shí)現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比,方便能耗考核;

④ 同期能效比:實(shí)現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比,方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析;

⑤ 能耗評估管理:按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進(jìn)行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo);

⑥ 能耗競爭排名:各個(gè)功能區(qū)能耗對比,實(shí)現(xiàn)能耗排名,增強(qiáng)工作人員的節(jié)能意識;

⑦ 對能耗的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析、統(tǒng)計(jì)、打印和查詢等功能,并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報(bào)表的打印。為能耗運(yùn)營管理部門提供可靠的依據(jù);

⑧ 能耗數(shù)據(jù)采集,隨時(shí)查詢,并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,監(jiān)測異常能源用量,對能源智能儀表故障進(jìn)行報(bào)警,提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

4.2能源管理系統(tǒng)硬件配置

應(yīng)用場景

型號

圖 片

保護(hù)功能

能耗管理云平臺

AcrelCloud-5000

采用泛在物聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、智能傳感等技術(shù)手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)分析、能效分析、用能預(yù)警、設(shè)備管理等服務(wù),平臺可以廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

智能網(wǎng)關(guān)

Anet系列網(wǎng)管

采用嵌入式硬件計(jì)算機(jī)平臺,具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò)接口,作為信息采集系統(tǒng)中采集終端與平臺系統(tǒng)間的橋梁,能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總,并使用相應(yīng)的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。

高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜

APM810

具有全電量測量,電能統(tǒng)計(jì),電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能,主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控診斷及電能管理。該系列儀表采用了模塊化設(shè)計(jì),當(dāng)客戶需要增加開關(guān)量輸入輸出,模擬量輸入輸出,SD卡記錄,以太網(wǎng)通訊時(shí),只需在背部插入對應(yīng)模塊即可。

APM520

三相全電量測量,2-63次諧波,不平衡度,大需量,支持付費(fèi)率,越限報(bào)警,SOE,4-20mA輸出。

低壓聯(lián)絡(luò)柜、
出線柜

AEM96

三相多功能電能表,均集成三相電力參數(shù)測量及電能計(jì)量及考核管理,提供上24時(shí)、上31日以及上12月的電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。具有63次分次諧波與總諧波含量檢測,帶有開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)“遙信”和“遙控”功能,并具備報(bào)警輸出,可廣泛應(yīng)用于多種控制系統(tǒng),SCADA系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)中。

動力柜

ACR120EL

測量所有的常用電力參數(shù),如三相電流、電壓,有功、無功功率,電度,諧波等,并具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)功能,非常適合于實(shí)時(shí)電力監(jiān)控系統(tǒng)。

DTSD1352

DIN35mm導(dǎo)軌式安裝結(jié)構(gòu),體積小巧,能測量電能及其他電參量,可進(jìn)行時(shí)鐘、費(fèi)率時(shí)段等參數(shù)設(shè)置,精度高、可靠性好、性能指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T17215-2002、GB/T17883-1999和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T614-2007對電能表的各項(xiàng)技術(shù)要求,并且具有電能脈沖輸出功能;可用RS485通訊接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

AEW100

三相全電量測量,剩余電流、2-63次諧波,支持付費(fèi)率,量值、電纜溫度,可選2G/4G通訊。

5結(jié)語

隨著低碳減排的持續(xù)推進(jìn),特別是在我國“雙碳”目標(biāo)已確立的大背景下,數(shù)據(jù)中心行業(yè)更早實(shí)現(xiàn)碳中和及綠色節(jié)能的目標(biāo)。


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