風冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心的能耗分析研究

劉宏偉，黃國瑞，白聚瑩，趙耀，代彥軍

（上海交通大學制冷與低溫研究所，上海 200240）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)存儲和通信需求的增長，全國數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴大，服務器功率密度也不斷增加[1]，使得數(shù)據(jù)中心的能耗不斷增加，從而導致高昂的運營成本和環(huán)境污染問題[2]。高緯環(huán)球預測到2025年，數(shù)據(jù)中心電力消耗將占全球用電的4.5%。故在數(shù)據(jù)中心進行節(jié)能改造和應用可再生能源技術(shù)對于實現(xiàn)“二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”的目標有著重要意義。

體現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能的關(guān)鍵指標是能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），PUE 指數(shù)據(jù)中心總用電量與數(shù)據(jù)中心（Information Technology，IT）設(shè)備消耗電量的比值，PUE 值越大，表示制冷和供電等配套基礎(chǔ)設(shè)施所消耗的電能越多，節(jié)能效果越差。上海地區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的運行PUE 普遍偏高，在1.5～2.0 之間，亟待改善[3]。上海市經(jīng)信委在新發(fā)布的文件中要求：推動數(shù)據(jù)中心節(jié)能技改和結(jié)構(gòu)調(diào)整，存量改造數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.4，新建數(shù)據(jù)中心PUE 限制在1.3 以下[4]。

可再生能源技術(shù)的應用對降低PUE 和減少二氧化碳排放有積極作用[5]，已被國外多個著名數(shù)據(jù)中心用于電力供應，國內(nèi)也出臺了相關(guān)政策鼓勵數(shù)據(jù)中心應用可再生能源[6]。利用低溫環(huán)境的自然冷卻技術(shù)在國內(nèi)外也有多個典型工程案例，被證明能有效減少數(shù)據(jù)中心的能耗[7]。目前，上海市存量數(shù)據(jù)中心部分利用風冷精密空調(diào)制冷系統(tǒng)進行散熱，其PUE 高達1.7～1.9，能效有較大的提升空間。而目前無針對此類數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)性改造分析。因此，結(jié)合上海地區(qū)環(huán)境氣候和特點，對數(shù)據(jù)中心機房進行節(jié)能設(shè)計和優(yōu)化對碳減排有重大意義[8]。

1 數(shù)據(jù)中心概況

1.1 數(shù)據(jù)中心介紹

研究的風冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心共有五層，為租賃型數(shù)據(jù)中心，現(xiàn)已基本滿載。該數(shù)據(jù)中心由兩路3 600 kVA 容量的市電分別從不同電站接入進行供電；2N 配置的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）組合互相隔離，電池支持UPS 滿負荷運轉(zhuǎn)30 min；并且配有室外柴油發(fā)電機組，埋地式儲油罐可供發(fā)電機帶負荷運轉(zhuǎn)不低于12 h。

本文以該數(shù)據(jù)中心的第4 層機房作為研究對象。機房建筑面積586.8 m2，機房內(nèi)共有80 個機柜，每個機柜滿負載功率2.5 kW。機房使用5 臺風冷精密空調(diào)對房間冷卻，單臺制冷量為54 kW，其中4臺常開，1 臺備用。機房無人值守，內(nèi)部布局如圖1 所示。這些風冷精密空調(diào)運行已經(jīng)超過10 年，機組老舊嚴重、性能下降和能耗較高。

圖1 機房內(nèi)布局

機房送風形式為地板下送風上回風，機柜之間未設(shè)置冷熱通道分離，混風嚴重，如圖2 所示。

圖2 機房送風形式

1.2 上海氣候條件

根據(jù)海拔7 m，位于北緯31.2°東經(jīng)121.4°的上海市氣象站的數(shù)據(jù)，上海市全年8 760 h 的干濕球溫度變化如圖3 所示。冬季最低濕球溫度可達-5 ℃以下，如果合理利用冬季低溫環(huán)境進行自然冷卻，可有效減少數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的耗能，降低PUE。

圖3 上海市干濕球溫度

2 仿真模型的建立

2.1 冷負荷模型

數(shù)據(jù)中心冷負荷包括IT 設(shè)備、維護結(jié)構(gòu)、人員、燈光和滲透等[9-10]。該機房為無人值守機房，相比于IT 設(shè)備產(chǎn)生的發(fā)熱量，人員流動產(chǎn)生的冷負荷很小，可以忽略不計。數(shù)據(jù)中心的總冷負荷可以通過下列計算公式計算：

式中，Qload(i)為數(shù)據(jù)中心冷負荷，kW；Qenvelop(i)為圍護結(jié)構(gòu)冷負荷，kW；Qlighting(i)為燈光冷負荷，kW；QIT(i)為IT 設(shè)備冷負荷，kW。

2.2 制冷系統(tǒng)模型

圖4 所示為風冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心模型。模型中制冷系統(tǒng)主要設(shè)備包括機房建筑模型、風冷型精密空調(diào)和機柜等。根據(jù)設(shè)備的性能參數(shù)對設(shè)備模型參數(shù)進行調(diào)整，采用瞬態(tài)逐時計算，全面分析系統(tǒng)運行情況。

圖4 風冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心模型

通過TRNSYS模型8 760 h 的冷負荷模擬計算，得到的冷負荷分布規(guī)律圖5 所示。由圖5 可知：該數(shù)據(jù)中心機房的冷負荷在190～210 kW 波動，且呈現(xiàn)出冬季冷負荷小，夏季冷負荷大的特點。

圖5 冷負荷分布規(guī)律

2.3 能效指標

一般計算基準PUE 時需考慮數(shù)據(jù)中心的總能源消耗量，對于沒有外供冷的數(shù)據(jù)中心，基準PUE計算公式為：

式中，Es為數(shù)據(jù)中心基準PUE，kW·h；Ptotal為數(shù)據(jù)中心總用電量，包括IT 用電、制冷系統(tǒng)用電、電力損耗和照明用電等，kWh；Poffice為辦公用電量，kW·h；PIT為IT 設(shè)備用電量，kW·h。

綜合考慮若干及技術(shù)對數(shù)據(jù)中心自身及城市整體能效提升的作用，上海市經(jīng)信委在基準PUE指標基礎(chǔ)上計算綜合PUE 指標，并以綜合PUE 指標作為對各數(shù)據(jù)中心的約束條件。

綜合PUE 的計算[11]：

式中，Ec為數(shù)據(jù)中心綜合PUE；γi為各項技術(shù)對應的調(diào)節(jié)因子。

各項技術(shù)包括：太陽能等可再生能源利用、峰谷蓄電、錯峰蓄冷、利用周邊企業(yè)的余熱廢冷、液冷技術(shù)、能耗計量細致化， 調(diào)節(jié)因子γi的取值根據(jù)不同技術(shù)的應用程度來決定。

2.4 模型誤差分析

首先對改造前的數(shù)據(jù)中心機房能耗進行模擬，通過與實際運行數(shù)據(jù)的比對，不斷調(diào)整優(yōu)化模型，使其誤差達到可接受范圍之內(nèi)。圖6 所示為實際運行PUE 與仿真模型PUE 對比。由圖6 可知：實際運行PUE 受上海市環(huán)境溫度的影響，在1.74～1.92變化，且呈現(xiàn)出夏季高、冬季低的變化規(guī)律；仿真模型PUE 在1.67～1.79 變化，其隨溫度變化規(guī)律與實際運行PUE 一致，且相對誤差在7%以內(nèi)，說明模型較為準確，具備一定可靠性。

圖6 實際運行PUE 與仿真模型PUE 對比

3 節(jié)能改造措施

3.1 精密空調(diào)改造

當前該數(shù)據(jù)中心機房使用的是單臺總制冷量54 kW 的風冷型精密空調(diào)，將其更換制冷量相近的氟泵精密空調(diào)。在過渡季節(jié)時，氟泵精密空調(diào)能夠使用氟泵增壓，使機組能效比提升；在低溫季節(jié)時，氟泵精密空調(diào)可以關(guān)閉壓縮機，僅使用氟泵驅(qū)動制冷循環(huán)，充分利用自然冷卻，從而減少制冷系統(tǒng)的耗能[12-13]。表1 所示為改造前后精密空調(diào)參數(shù)對比。根據(jù)國標GB40879—2021《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級》[14]中全國部分城市溫度分布系數(shù)表，氟泵精密空調(diào)的性能參數(shù)如表2 所示。

表1 風冷精密空調(diào)與氟泵精密空調(diào)技術(shù)參數(shù)對比

表2 上海市溫度分布及氟泵精密空調(diào)能效

3.2 冷熱通道分離改造

改造前該數(shù)據(jù)中心機房采用地板下送風上回風的氣流組織方式，機柜側(cè)冷熱氣流摻混嚴重，導致服務器的散熱效果不佳[15-17]。改善機房氣流組織的方式之一是冷熱通道隔離[18-19]，考慮施工限制，針對此機房采用冷通道封閉來實現(xiàn)冷熱通道隔離，機房氣流組織參數(shù)如表3 所示。冷風從開口地板進入兩排機柜中間的冷通道，經(jīng)過負載設(shè)備后，再進入熱通道，從而減少冷熱氣流的摻混[20-21]。

表3 機房氣流組織參數(shù)

3.3 太陽能光伏和儲能技術(shù)應用

本文研究對象為數(shù)據(jù)中心第4 層的一間機房，而光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的規(guī)劃應當按照整個數(shù)據(jù)中心的能耗進行設(shè)計，故本小節(jié)提及的能耗數(shù)據(jù)為整個數(shù)據(jù)中心的能耗數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)中心屋頂及車棚平整，可利用空閑面積安裝光伏系統(tǒng)。屋頂及車棚共可安裝434 塊300 W 的單晶硅光伏組件，年發(fā)電量可達145 000 kW·h。據(jù)能耗計量統(tǒng)計，此數(shù)據(jù)中心年用電量為23 511 900 kW·h。光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量大于數(shù)據(jù)中心年總用電量的0.01%，可使其綜合PUE 降低0.02[11]。

本數(shù)據(jù)中心園區(qū)有空閑地面可放置儲能設(shè)備。設(shè)計儲能系統(tǒng)容量430 kW·h，按照90%充放電深度，兩充兩放，充放電效率為90.9%。該峰谷蓄電儲能系統(tǒng)全年蓄能發(fā)電量可達257 084 kW·h，大于數(shù)據(jù)中心總用電量的1%，可使綜合PUE 降低0.015[11]。照明設(shè)備是長為1.2 m、管徑為16 mm 的圓管燈，其額功率為28 W；在保證照明要求的同時，可使用8 W 的LED 燈實現(xiàn)節(jié)能。在實施以上改造的同時細化數(shù)據(jù)中心能耗計量，可再使綜合PUE下降0.01[11]。

3.4 改造后的能源系統(tǒng)

改造后，該數(shù)據(jù)中心機房能源系統(tǒng)原理如圖7所示。由圖7 可知：數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)分為兩部分，一部分是是包括市電、柴油發(fā)電機、儲能蓄電池組、光伏發(fā)電模塊、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)、低壓配電系統(tǒng)、UPS或高壓直流的電力系統(tǒng)；另一部分是機房內(nèi)部的制冷系統(tǒng)，由5 臺氟泵精密空調(diào)及機柜組成，機柜之間采用冷通道隔離，起到分離冷熱氣流的作用。

圖7 數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)原理

4 改造措施的效果分析

4.1 冷熱通道分離分析

利用AIRPAK 軟件對機房氣流組織進行仿真計算，如圖8 所示為冷熱通道分離前后的溫度分布。當送風溫度設(shè)置為20 ℃時，改造前冷通道平均溫度為23.43 ℃，且冷通道內(nèi)溫度分布極不均勻，機柜內(nèi)聚集有大量熱。冷熱通道分離后冷通道平均溫度為21.45 ℃，且通道內(nèi)溫度分布較為均勻，不易出現(xiàn)熱點[22]。由此可見，冷熱通道分離可以有效優(yōu)化機房氣流組織，減少制冷量的損耗。在滿足機房溫度條件的情況下，實施冷熱通道分離后可以適當提高送風溫度，從而降低制冷系統(tǒng)能耗[23-24]。

圖8 冷熱通道分離前后溫度分布

4.2 能耗對比分析

圖9 所示為該數(shù)據(jù)中心改造前后能耗構(gòu)成對比。改造前總能耗為2 457 782 kW·h，改造后總能耗為2 002 829 kW·h（光伏系統(tǒng)的發(fā)電量未計入其中，因光伏發(fā)電不穩(wěn)定且發(fā)電量較少，一般用數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)，不用于機房），其中，IT 設(shè)備、精密空調(diào)、UPS 等損耗、照明和其他耗能分別占57.03%、30.00%、7.98%和4.99%；改造后其對應占比分別為69.98%、16.72%、9.80%和3.50%。

圖9 改造前后能耗構(gòu)成對比

可知IT 設(shè)備能耗占比有較大提升，能源利用率得到提高；自然冷源的利用使精密空調(diào)能耗占比大大減少；UPS 等電力損耗變化不大，因為儲能系統(tǒng)的峰谷蓄電調(diào)節(jié)不能減少數(shù)據(jù)中心用電量，而是用于調(diào)整改善城市整體能效，所以此次改造未對電力系統(tǒng)產(chǎn)生太大影響；照明及其他用電有所降低但不明顯，說明照明改造有節(jié)能效果，但燈具功率較低，對總能耗影響較小。

4.3 PUE 分析

圖10 所示為改造前后基準PUE 與綜合PUE 對比。由圖10 可知：改造前該數(shù)據(jù)中心的PUE 為1.75，遠遠高于上海市要求的存量改造數(shù)據(jù)中心PUE 不高于1.4 的目標。通過氟泵精密空調(diào)改造、氣流組織優(yōu)化以及照明改造，該數(shù)據(jù)中心的基準PUE 降低至1.43。相較于改造前，PUE 減小了18.3%，但仍未達到改造目標。由于場地條件限制，很難從降低非IT 設(shè)備能耗方向上著手進一步降低PUE。因此，利用園區(qū)屋頂及空地增設(shè)光伏、儲能系統(tǒng)，并完善對數(shù)據(jù)中心的能耗計量，既響應國家對新能源技術(shù)應用的政策，又能進一步降低PUE，最終可使綜合PUE 降低至1.385，達到改造目標。

圖10 改造前后基準PUE 與綜合PUE 的對比

5 結(jié)論

本文以上海某典型風冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心機房為對象，利用TRNSYS 平臺搭建了該數(shù)據(jù)中心全年動態(tài)能耗模型以及能源系統(tǒng)模型，對其能耗進行仿真模擬，研究了應用氟泵自然冷卻技術(shù)、氣流組織改善優(yōu)化、光伏發(fā)電技術(shù)、峰谷蓄電儲能技術(shù)和照明改造等各項節(jié)能措施對該數(shù)據(jù)中心能耗的影響，分析了不同節(jié)能技術(shù)對數(shù)據(jù)中心能源利用效率的影響，得出如下結(jié)論：

1）采取文中分析的措施進行改造后，該風冷精密空調(diào)數(shù)據(jù)中心的基準PUE 從1.75 降低至1.43，綜合PUE 從1.75 降低至1.385，滿足上海市存量改造數(shù)據(jù)中心PUE 不高于1.4 的要求；

2）制冷系統(tǒng)優(yōu)化（包括精密空調(diào)改造、氣流組織優(yōu)化和照明改造）使基準PUE 降低了0.32；光伏儲能系統(tǒng)改造雖然對降低能耗幫助不大，但能夠使綜合PUE 降低0.035；

3）對于類似的使用風冷精密空調(diào)作為制冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心改造，由于場地等條件的限制，可以優(yōu)先考慮使用氟泵精密空調(diào)，利用自然冷卻技術(shù)降低制冷系統(tǒng)能耗；其次考慮冷熱通道分離技術(shù)，提升機房制冷效率；再利用光伏技術(shù)和儲能技術(shù)，降低綜合PUE。