摘要：信息社會對數(shù)據(jù)的需求越來越大，數(shù)據(jù)中心已成為*的重要基礎設施之一。隨著國家雙碳政策的逐步推進，能耗密度高的數(shù)據(jù)中心也成為減碳行動的主要對象，甚至與傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)并列，許多地區(qū)也對新數(shù)據(jù)中心的能源利用效率提出了影響（PUE）提出了很高的要求。原舊數(shù)據(jù)中心的機電系統(tǒng)落后，需要進行能效診斷和升級，以改進PUE。通過能效管理系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)中心的能耗構成，進行能效診斷，提出節(jié)能改造的主要措施，為數(shù)據(jù)中心的綠色高效運行提供節(jié)能降耗優(yōu)化思路，提高數(shù)據(jù)中心的能源利用效率。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；能效診斷；電能治理；節(jié)能改造；

一綜述

  數(shù)據(jù)中心的能效診斷是通過對數(shù)據(jù)中心的整體能耗分析、IT設備能耗、制冷系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的能耗和能效對標。制冷系統(tǒng)的主要能效評價指標是制冷負載系數(shù)CLF，是數(shù)據(jù)中心制冷設備與IT設備的比值，供電負載系數(shù)PLF是數(shù)據(jù)中心供配電設備與IT設備的比值，數(shù)據(jù)中心的PUE值也與這兩個系數(shù)密切相關。如圖1所示：

圖1數(shù)據(jù)中心CLF、PLF與PUE的關系

  在數(shù)據(jù)中心，只有IT設備的功耗（圖1中的E4）被認為是“有意義的"電能。因此，除IT設備外，其他設備消耗的電能比例越低，數(shù)據(jù)中心的PUE值性能就越好。Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)主要從以上數(shù)據(jù)診斷數(shù)據(jù)中心能效，并提出有針對性的改造方案。

二能效診斷

  數(shù)據(jù)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(wǎng)絡基礎設施，如圖2所示。二樓主要設置12間機房，可部署約3000套機柜，已部署1500套機柜。供電系統(tǒng)設置兩個110kV主變，兩個10kV開關，4個10/0.4kV低壓變配電室，8個低壓變壓器，總供電容量2萬KVA。低壓配電室配備UPS設備，確保供電。終端有70個安科瑞ANDPF精密配電柜，為IT設備提供主要電源。

圖2數(shù)據(jù)中心一層平面圖

  Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)實現(xiàn)了從110kV變電站到終端精密配電柜的全覆蓋能源管理、設備監(jiān)控和能耗分析，如圖3所示。主要功能包括：

  電力監(jiān)控：監(jiān)控110kV變電站、2個10kV開關、4個10/0.4kV低壓變配電室配電系統(tǒng)的運行情況，實現(xiàn)遙控、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(jiān)控：柴油發(fā)電機、變壓器、UPS、電池組、精密配電柜、精密空調狀態(tài)及運行參數(shù)，并提供異常預警、運行報表等功能；

  能耗診斷：統(tǒng)計數(shù)據(jù)中心總能耗、IT設備能耗、制冷系統(tǒng)能耗、供電系統(tǒng)能耗、照明和辦公能耗，計算CLF/PLF/PUE等能耗指標；

  環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)測數(shù)據(jù)中心溫濕度、水浸、電池室氫濃度等數(shù)據(jù)，并提供越限報警；

  運維管理：發(fā)布工單、巡檢計劃、工單跟蹤管理等，協(xié)助維修人員高效運維。

圖3Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)高壓配電系統(tǒng)

1能效分析

  經(jīng)過一年的系統(tǒng)調試，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能源利用效率相對較低。系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，全年IT設備能耗占51%，制冷系統(tǒng)(冷凍水機組、空調末端、新風等。)能耗占36%，供電系統(tǒng)(變壓器、UPS、發(fā)電機、開關)10%，照明及辦公占3%左右。

  PUE值約為1.96；

  CLF約為0.71；

  PLF約為0.2；

  由于數(shù)據(jù)中心機電設備陳舊，缺乏有效的節(jié)能管理控制措施，能效利用效率低，落后于新建數(shù)據(jù)中心。

2空調系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心大樓采用集中空調系統(tǒng)供冷，主要設備有冷水機組、冷卻塔、冷凍泵和冷卻泵。通過系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，空調系統(tǒng)水冷式制冷主機全年連續(xù)運行。當定頻制冷主機負荷率為80%-90%時，當變頻制冷主機負荷率為60%-70%時，主機運行時綜合能效較高。但在系統(tǒng)運行和控制過程中，兩臺主機大部分時間都沒有在較高的效率范圍內運行。夏、春、秋、冬季工況下，系統(tǒng)冷凍水出水溫度保持恒定5℃，系統(tǒng)輸出沒有根據(jù)實際環(huán)境負荷的變化進行調整，冬季自然冷源也沒有得到充分利用。

3變配電系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有8臺變壓器，分別來自2個10kV開關站。變配電系統(tǒng)采用雙通道互備模式接入。UPS系統(tǒng)為5個數(shù)據(jù)室服務器供電。通過系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)變壓器低壓側測量發(fā)現(xiàn)諧波嚴重，現(xiàn)場未安裝諧波處理裝置。UPS系統(tǒng)中大量電池組的單個電池性能不一致，內阻過大導致整組電池充放電加熱，損耗增加，存在安全隱患。

4照明系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)采用節(jié)能燈和筒燈，公共區(qū)域和數(shù)據(jù)中心區(qū)域采用手動控制。建筑照明光源主要采用普通熒光燈和筒燈。燈具規(guī)格多樣，部分區(qū)域照度不符合規(guī)范規(guī)定的照度要求，控制方法相對落后。

三節(jié)能改造措施

1充分利用自然冷源

  當室外濕球（或干球溫度）低于室內空調設計溫度并達到一定值時，通過冷卻塔的冷凍水或冷卻水直接或間接為空調系統(tǒng)提供冷量，消除室內冷負荷，使用自然冷源。

2高效控制空調機組

  完善機房設備參數(shù)監(jiān)測控制，監(jiān)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(shù)，為中央空調系統(tǒng)提供全系統(tǒng)優(yōu)化運行平臺。自動調節(jié)制冷主機在高效范圍內運行，根據(jù)負荷變化實時調節(jié)出水溫度，預計冷水機組能效提高8%左右。

3電能質量管理

  由于數(shù)據(jù)中心的主要負荷是IT設備，UPS被廣泛用于供電、制冷系統(tǒng)使用的變頻設備較多，在工作過程中會對低壓電網(wǎng)側產(chǎn)生諧波反饋，嚴重影響配電系統(tǒng)的電能質量。變壓器低壓側諧波畸變率達到50%，遠遠超過國家標準。這也會導致電纜發(fā)熱，增加電能損耗，影響開關電源的使用壽命，降低設備的使用性能。

  在每個變壓器下安裝500A有源諧波處理系統(tǒng)裝置進行集中處理，型號為Ansin-500-MⅠ類型，自動跟蹤補償負荷產(chǎn)生的諧波電流，大大降低諧波畸變和中性線電流，確保供電系統(tǒng)安全可靠運行，減少系統(tǒng)損耗，見圖4。

圖4ansin-500000-MⅠ集中治理裝置

  對一些諧波較嚴重的電路進行當?shù)匮a償，如選擇中心UPS出線端對前后波形數(shù)據(jù)進行比較，通過安裝Ansin-300-BⅠ型有源濾波處理系統(tǒng)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%，提高電網(wǎng)波形質量，見圖5。

圖5Ansin-30000-BⅠ壁掛式處理裝置

4UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)

  UPS供電系統(tǒng)是滿足數(shù)據(jù)中心供電可靠性的核心部分，電池是整個系統(tǒng)的重要組成部分之一，是整個供電系統(tǒng)的“后屏障"。當電池性能因過充、過放電等原因下降，電池內阻增大，導致電池加熱、鼓包等現(xiàn)象，導致供電系統(tǒng)安全整體下降，增加電池充放電損耗。

系統(tǒng)在電池室增加氫濃度監(jiān)測傳感器，當氫濃度可啟動排氣系統(tǒng)時，增加電池監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測電池電壓、內阻和內部溫度功能，數(shù)據(jù)接入Acrel-8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)，通過電池系統(tǒng)科學運行維護、監(jiān)測維護，及時發(fā)現(xiàn)故障風險，客觀延長電池使用壽命，確保供電安全，降低整體擁有成本，見圖6。

  圖6電池在線監(jiān)控示意圖

5智能照明控制系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心機房采用高光效LED光源燈代替原節(jié)能燈和筒燈，增加智能照明控制系統(tǒng)。紅外人體傳感器安裝在走廊、電梯前室、衛(wèi)生間等公共照明區(qū)域，由智能照明控制器控制，使人燈亮，人燈熄滅。同時，整個數(shù)據(jù)中心照明的集中控制和狀態(tài)監(jiān)控也可以集成在值班室的Acrel-8000系統(tǒng)主機上，節(jié)省照明用電，見圖7。

圖7智能照明控制系統(tǒng)示意圖

6光伏發(fā)電系統(tǒng)

  數(shù)據(jù)中心屋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和逆變器，采用自用和剩余電源互聯(lián)網(wǎng)模式并入低壓電網(wǎng)，為數(shù)據(jù)中心提供清潔能源供電，減少數(shù)據(jù)中心的碳排放。光伏組件吸收太陽能轉化電能，同時反射和反射太陽熱量，在屋頂形成遮蔽結構，避免陽光直射引起的熱量聚集，有效降低夏季建筑空調能耗，降低數(shù)據(jù)中心空調能耗，預計光伏系統(tǒng)年發(fā)電量40萬kWh。

7其它應用

  除能效管理系統(tǒng)和上述電能質量控制裝置、電池監(jiān)控、智能照明控制和分布式光伏外，安科瑞還包括高低壓配電綜合保護監(jiān)測產(chǎn)品、電能質量在線監(jiān)測裝置（A類）、智能小母線系統(tǒng)、精密配電柜、電氣消防解決方案等。

四結束語

  隨著越來越多的新數(shù)據(jù)中心，對數(shù)據(jù)中心的要求越來越高，無論是新的還是多年的數(shù)據(jù)中心都需要通過技術手段診斷數(shù)據(jù)中心的能源利用效率，找到節(jié)能空間，確定適合項目的節(jié)能改造方法，以提高數(shù)據(jù)中心的PUE值。Acrel-結合空調控制相關技術，8000數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)、安科瑞電力監(jiān)控、電能質量監(jiān)控與治理、電池監(jiān)控、智能照明控制、分布式光伏等硬件產(chǎn)品，幫助數(shù)據(jù)中心提高能效，減少碳排放，建設綠色環(huán)保數(shù)據(jù)中心。