山里、海里、草原里
數(shù)據(jù)中心使盡渾身的解數(shù)
只為求得降低 PUE

    PUE，數(shù)據(jù)中心運(yùn)行中重要的電能利用效率指標(biāo)，PUE 值說(shuō)明了真正用在 IT 設(shè)備的能耗有多少，成為事實(shí)上衡量數(shù)據(jù)中心能效的 KPI。

縱觀目前典型的低 PUE 數(shù)據(jù)中心， 都有一個(gè)共同特點(diǎn)：高效利用自然冷源，但與此同時(shí)，也犧牲了靈活性。這些數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式與環(huán)境強(qiáng)耦合，全年平均 PUE 在 1.1 左右。

    不是所有的數(shù)據(jù)中心都能建在海里和山里，那么怎么降低 PUE 呢？有哪些節(jié)能措施正在被使用？

    江蘇某數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架由 UPS 2N 系統(tǒng)供電，高低壓配電系統(tǒng)為雙路由供電方式，空調(diào)系統(tǒng)為水冷中央空調(diào)。數(shù)據(jù)中心年度總用電量電費(fèi)為 5180 萬(wàn)元，其中分類(lèi)單項(xiàng)用電量見(jiàn)表 1：

表 1-某數(shù)據(jù)中心類(lèi)單項(xiàng)用電量

    表 1 中，空調(diào)用電包括水冷機(jī)組用電和樓層機(jī)房風(fēng)柜用電，水冷機(jī)組用電占總量 19.3% 和樓層機(jī)房風(fēng)柜用電占總量 17.7%；UPS 用電包括數(shù)據(jù)機(jī)架用電和 UPS 設(shè)備損耗，數(shù)據(jù)機(jī)架用電占總量 54% 和 UPS 設(shè)備損耗占總量 6%。數(shù)據(jù)中心 PUE 值為 5180/2797 = 1.85。以下就數(shù)據(jù)中心實(shí)際使用水冷機(jī)組節(jié)電措施、UPS 節(jié)能措施、LED 照明節(jié)電措施的實(shí)際效果以及影響 PUE 指標(biāo)的變化。

水冷機(jī)組節(jié)電措施
    數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)一般是按最大負(fù)荷設(shè)計(jì)安裝，室外環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行影響很明顯。在夏季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率就高，在冬季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率低，空調(diào)系統(tǒng)全年大部分時(shí)間運(yùn)行在非滿(mǎn)載的變動(dòng)狀態(tài)，一年四季和白天與黑夜的環(huán)境溫度的變化；還有 IT 負(fù)載的能耗和網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)量運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，根據(jù) IT 應(yīng)用的特點(diǎn)，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷率每天 24 小時(shí)都在變化。

    水冷機(jī)組用電量占數(shù)據(jù)中心用電總量 19.3%，數(shù)據(jù)中心水冷機(jī)組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻技術(shù)非常重要，節(jié)能潛力也比較大。數(shù)據(jù)中心空調(diào)水冷機(jī)組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)幾天實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，節(jié)能率達(dá) 29.23%，以下表 2、表 3、表 4為實(shí)際變頻運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)。

表 2–變頻運(yùn)行工況實(shí)際測(cè)試耗電量

表 3–工頻運(yùn)行工況實(shí)際測(cè)試耗電量

    數(shù)據(jù)中心空調(diào)水冷機(jī)組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻系統(tǒng)后，與工頻相比每年度節(jié)電率按 20% 計(jì)算，根據(jù)表 1 計(jì)算，每年節(jié)電金額 1000 萬(wàn)元*20%=200 萬(wàn)元。

    采用變頻系統(tǒng)后，數(shù)據(jù)中心 PUE 值=（5180-200）/2797 = 1.78

    即數(shù)據(jù)中心采用變頻節(jié)能技術(shù)后，PUE 值指標(biāo)從原來(lái)的 1.85 上升為 1.78。

UPS 節(jié)能措施
    數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架供電為 UPS 2N 供電方式。由于 2N 供電方式，日常運(yùn)行中 UPS 設(shè)備帶載率 30～40%；在此帶載率情況下，IGBT 高頻 UPS 實(shí)際運(yùn)行效率在 90% 左右。在整個(gè)數(shù)據(jù)中心用電量結(jié)構(gòu)中，UPS 用電量是最大的，提升 UPS 實(shí)際運(yùn)行效率，就必須降低 UPS 自身?yè)p耗。該 IDC 所使用的伊頓高頻 UPS 具備成熟的旁路市電交流直供能力，使 UPS 實(shí)際運(yùn)行效率提升至 99%。

表 5–UPS 不同負(fù)載率的運(yùn)行效率

    UPS 在交流直供模式下正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)旁路給負(fù)載進(jìn)行供電，而整流、逆變等主回路均工作在在線(xiàn)休眠狀態(tài)，此時(shí) UPS 關(guān)鍵電氣功率部件 IGBT、濾波電路、電感等都處在無(wú)負(fù)載電流的“休眠”狀態(tài)，主要的機(jī)械部件風(fēng)扇等也處于“休眠”狀態(tài)，UPS 自身?yè)p耗降低，提升 UPS 實(shí)際運(yùn)行效率。

    針對(duì) UPS 交流直供模式運(yùn)行的安全可靠性能，我們做了多次可行性測(cè)試，測(cè)試運(yùn)行在交流直供模式的 UPS 系統(tǒng)，在遭遇交流輸入供電突然中斷的情況下，是否能保證負(fù)載的安全、不間斷供電。以下是測(cè)試內(nèi)容和圖示：

1、斷開(kāi)旁路市電輸入的測(cè)試：此時(shí)，整流市電輸入正常。

    測(cè)試 UPS 輸出電壓的波動(dòng)和切換間隙時(shí)間的長(zhǎng)度。測(cè)試結(jié)果如下圖所示，輸出電壓波形沒(méi)有任何的間斷和沖擊，僅在切換瞬間有微幅度的失真。

2 、斷開(kāi) UPS 主輸入的測(cè)試：此時(shí)，旁路市電輸入正常。

測(cè)試中 UPS 輸出電壓的波形沒(méi)有任何變化。

3、同時(shí)斷開(kāi)旁路市電輸入和主輸入（整流輸入）的測(cè)試：測(cè)試 UPS 輸出電壓的波動(dòng)和切換間隙時(shí)間的長(zhǎng)度。

測(cè)試結(jié)果如下圖所示，輸出電壓波形沒(méi)有任何的間斷和沖擊，僅在切換瞬間有微幅度的失真。

     根據(jù)上述實(shí)際測(cè)試結(jié)果證明，UPS 在帶載情況下的切換間隙幾乎為零，切換過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何的電壓沖擊，因此切換的安全性完全符合現(xiàn)代 T4 機(jī)房的供電安全性要求，更低于服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)負(fù)載容許的切換間斷時(shí)間。

以下是 UPS 交流直供模式下的實(shí)際數(shù)據(jù)和正常運(yùn)行模式下的數(shù)據(jù)：

    UPS 交流直供模式下，UPS 輸出由旁路直供，供電效率接近 100%。

    UPS 正常模式下，實(shí)際帶載率為 30%，供電效率為 90%。

    數(shù)據(jù)中心 UPS 系統(tǒng)采用交流直供模式工作后，UPS 運(yùn)行效率提升了 9%，每年實(shí)際節(jié)電量為 3108*9% = 279.7 萬(wàn)元。

    數(shù)據(jù)中心 UPS 系統(tǒng)采用交流直供模式工作后，數(shù)據(jù)中心 PUE 值=（5180-279.7）/2797 = 1.75 。

    數(shù)據(jù)中心采用變頻節(jié)能技術(shù)和 UPS 系統(tǒng)采用交流直供模式工作后，數(shù)據(jù)中心 PUE 值=（5180-200-279.9）/2797 = 1.68。

PUE 值指標(biāo)從原來(lái)的 1.85 上升為 1.68。

LED 照明節(jié)電措施
    LED 照明替換原有的熒光燈，節(jié)電率可達(dá)到 30-40%，而且原有的熒光燈整流器產(chǎn)生熱量比 LED 照明消耗更多空調(diào)制冷量，LED 照明光衰和壽命都優(yōu)于原有的熒光燈。

    數(shù)據(jù)中心更換 LED 照明后，每年節(jié)約電量為 103 萬(wàn)元*30% = 31 萬(wàn)元

小結(jié)
    數(shù)據(jù)中心空調(diào)水冷機(jī)組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻系統(tǒng)、UPS 系統(tǒng)采用交流直供模式工作、LED 照明替換原有的熒光燈后，數(shù)據(jù)中心每年節(jié)約電費(fèi)：200+279.7+31 = 510.7 萬(wàn)元。

    數(shù)據(jù)中心 PUE 值 =（5180-510.7）/2797 = 1.67，即 PUE 值從原來(lái)的 1.85 提升到了 1.67。

其他節(jié)能措施使用討論

    從表 1 分析，數(shù)據(jù)中心電費(fèi)比重最大的是 UPS 用電，其次是空調(diào)用電，空調(diào)用電包括水冷機(jī)組用電和樓層機(jī)房風(fēng)柜用電。其中，水冷機(jī)組用電占總量 19.3% ，樓層機(jī)房風(fēng)柜用電占總量 17.7%，以下我們就這兩方面討論節(jié)能措施的深入。

高壓（10kV）水冷機(jī)組主機(jī)的使用

高壓水冷機(jī)組主機(jī)已具備成熟產(chǎn)品，如果數(shù)據(jù)中心水冷機(jī)組主機(jī)采用高壓（10KV）供電標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)于：

1、配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓標(biāo)準(zhǔn)提高的情況下，斷路器容量和連接供電線(xiàn)路容量減少，初期投資降低；
2、高壓市電引入申請(qǐng)容量減少，投資成本降低；
3、同功率情況下，機(jī)組日常運(yùn)行損耗降低，供電使用率高。

    如果數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組采用高壓（10kV）供電標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，高壓（10kV）水冷機(jī)組主機(jī)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

總結(jié)

    數(shù)據(jù)中心每年運(yùn)行用電量基數(shù)比較大，引入節(jié)電理念和實(shí)施多種節(jié)電措施后，節(jié)電效果比較明顯。以本次討論的數(shù)據(jù)中心每年 5180 萬(wàn)元電費(fèi)，采取多種節(jié)電措施后，節(jié)電效果匯總見(jiàn)下表格（電費(fèi)單位萬(wàn)元）：

表 7-節(jié)電效果匯總表

    在實(shí)際日常維護(hù)中，還可以加強(qiáng)以下措施來(lái)節(jié)約機(jī)房用電能耗：

機(jī)架底部進(jìn)風(fēng)口大小根據(jù)實(shí)際機(jī)架發(fā)熱量合理控制開(kāi)口；

對(duì)機(jī)架外殼與服務(wù)器之間盲板處理，形成機(jī)架內(nèi)部冷風(fēng)通道，減少冷風(fēng)短路；

合理提高機(jī)房環(huán)境溫度 22℃ 提高至 23℃；

大于 20A 用電量的列機(jī)架可進(jìn)行冷通道處理。

    加強(qiáng)節(jié)能意識(shí)采取多種合理的節(jié)能措施，更好的數(shù)據(jù)中心用電管理，節(jié)約數(shù)據(jù)中心用電能耗，減少運(yùn)營(yíng)電費(fèi)成本，提升數(shù)據(jù)中心 PUE 運(yùn)行指標(biāo)。

山東科普是伊頓電氣山東總代理，伊頓UPS電源，伊頓精密空調(diào)，可聯(lián)系4006866839.