数据中心空调节能技术应用与能源管理平台设计

2016-08-24吴斌

现代建筑电气 2016年6期

吴　斌

(上海信业智能科技股份有限公司, 上海　201203)

摘　要：空调能耗是数据中心能耗的主要部分,总结了当前数据中心空调节能技术的研究现状。结合实际数据机房案例,对分离式热管技术、冷池节能技术和机架下送风技术的应用效果进行分析。实测结果表明,三种节能技术分别降低能耗约31.6%、16.1%、32.7%。从能耗监测管理、能效评估管理和能效评估应用三个层面,提出了数据中心能源管理平台的设计，可实现数据中心能耗监测、管理和控制的智能化和自动化。

数据中心空调节能技术应用与能源管理平台设计

吴斌

(上海信业智能科技股份有限公司, 上海201203)

摘要：空调能耗是数据中心能耗的主要部分,总结了当前数据中心空调节能技术的研究现状。结合实际数据机房案例,对分离式热管技术、冷池节能技术和机架下送风技术的应用效果进行分析。实测结果表明,三种节能技术分别降低能耗约31.6%、16.1%、32.7%。从能耗监测管理、能效评估管理和能效评估应用三个层面,提出了数据中心能源管理平台的设计，可实现数据中心能耗监测、管理和控制的智能化和自动化。

数据中心; 空调; 节能技术; 能源管理平台

0　引　言

根据上海电信18个数据中心的实际测算,空调能耗占数据中心总能耗的比重较高,达到40%～50%[1-2],而且空调能耗与选择的空调技术、气流组织等存在极大的关联。

本文对数据中心空调节能技术应用进行探讨,同时针对数据中心能源管理平台缺失的问题,提出数据中心能源管理平台的设计思路。

1　数据中心空调节能技术的研究现状

国内外对数据中心空调节能技术的研究主要可以分为空调冷源节能技术、空调气流组织优化技术、空调部件节能技术和空调控制系统节能技术四大类。

(1) 空调冷源的节能技术,包括新风自然冷却技术、磁悬浮变频冷水机组、冷却塔免费制冷技术等[3-5]。研究表明,利用新风自然冷却技术,在室外日平均温度35 ℃、25 ℃、5 ℃以下时空调可节电约25%、46%、95%[6]。磁悬浮技术降低了转子摩擦，实现了转速自动调节,理论上制冷综合性能系数(IPLV)高达10以上,远大于一般冷水机组部分负荷效率[7]。冷却塔直接免费制冷能够降低空调能耗30%～35%,间接免费制冷能够降低空调能耗20%～25%[8]。

(2) 空调气流组织优化技术,包括精确送风技术、机架下送风技术、冷池和热池技术等[9-11]。研究表明,精确送风技术将冷风直接送到IT设备核心发热区,能够降低空调负荷约20%,但机房内的平均温度会有所上升[12]。机架下送风比上送风的机房环境温度要低2～3 ℃,设备机柜内的温度要低3～5 ℃,能耗下降约15%[13-14]。冷池和热池技术可以使数据中心冷热分流,消除气流短路,显著降低空调能耗。冷池和热池技术可以降低空调能耗30%～50%,当单机功率大于5 kW时优先考虑冷池技术[15-16]。

(3) 空调部件节能技术,包括智能换热器技术和分离式热管技术等[17-18]。研究表明,智能换热器实现了新风免费冷源的间接利用,防止产生交叉污染,同时降低空调能耗25%～30%[19]。室内外温差高于5 ℃，热管即可使用,在温差5～24 ℃范围内机组能效比高达3.63～10.64[20]。

(4) 空调控制系统的节能技术,包括模糊控制技术、PID技术、PLC技术、自适应调节技术等[21]。研究表明,采用空调系统自适应节能技术,能够实现空调系统随自然环境自动调节、变流量变风量控制,理论上可以降低空调能耗达50%以上[22]。

本文对分离式热管技术、冷热池技术和机架下送风技术的原理和应用效果进行详细分析。

2　数据中心空调节能技术

2.1分离式热管节能技术

2.1.1原理

分离式热管技术是将传统热管的蒸发段和冷凝段分开,利用蒸汽上升管和液体下降管连接,形成完整的循环回路。热管内的工质在经过蒸发段后吸热成为蒸汽,经过蒸汽上升管进入冷凝段,在冷凝段吸收冷量后重新凝结为液体,经过液体下降管进入蒸发段,依次往复循环。使用分离式热管技术,实现了空调系统的全封闭,有利于提高机房内的洁净度,降低室外空气带来的污染。与一般空调相比,分离式热管机组取消了压缩机部分,也没有泵功耗,仅依靠重力循环,当室内外温差在5 ℃以上时,相比一般空调系统更节能。

2.1.2实际应用

上海电信某数据机房安装了18台分离式热管机组。现场测试的热管空调机组的换热效率和能效比如图1、图2所示(18#热管机组工作不正常,为无效数据)。其中,热管的换热效率为28%～38%的有5台,38%以上的有7台。根据现场情况可知,分离式热管最高可利用温度为35 ℃,对应的全年可利用时间为3633 h(上海),热管的年平均换热效率约为23%,分离式热管空调系统的平均能效比高达5.0,相比普通空调机组(普通冷水机组能效比3.8)每年节约电量约31.6%。热管空调机组的换热效率与全年可利用时间的关系如图3所示。

图1　现场测试的热管空调机组的换热效率

图2　现场测试的热管空调机组的能效比

图3　热管空调机组的换热效率与全年可利用时间的关系

2.2冷池节能技术

2.2.1原理

当前冷热通道分开的做法已被大部分数据机房采纳,但冷热风的短路和混合现象仍严重,传统上送上回的形式下,送风量的短路率可以达到30%～40%;即使是非机架下开孔的下送风,也会产生气流短路现象。空调送风出现短路,冷热风混合提高了送风温度,降低了送风效果。采用冷池的气流组织形式可以大大降低混风影响,空调送风密闭在玻璃冷池通道内,杜绝了气流短路和冷热风混合。

2.2.2实际应用

上海电信某互联网数据中心机房于2014年进行了改造,采用了冷池送风技术。机房机柜采用冷热通道分开的布置方式,冷通道上方用玻璃顶板封闭,前后用玻璃门封闭,形成冷池。冷池内地板开孔,实现地板下送风。冷空气经冷池由机架前门进入机柜,冷却服务器,经机架后门排至热通道,最后进入空调回风系统。

为分析采用冷池技术的节能效果,对采用冷池和未采用冷池的同型号机柜进行了测试,主要测量服务器前后的空气温度和机房空调耗电量。在机柜高度方向共设置12个温度测点。机柜温度测点布置示意如图4所示。机柜平均进出风温度和温差如表1所示。

图4　机柜温度测点布置示意

℃

单个机柜的空调风量和功耗如表2所示。

表2单个机柜的空调风量和功耗

通道封闭形式送风量/(m3·h-1)功耗/kW不封闭通道103119.2冷池91616.1

实测结果证明,应用冷池技能技术能够降低机柜的平均进风温度和出风温度,提高进出风温差,降低空调送风量,节约空调能耗约16.1%。

2.3机架下送风技术

2.3.1原理

对上海电信数据机房的调研结果发现,大部分早期机房使用的是机房上送风方式,空调冷风通过房间上部主风管送到分支管,经散流器向下送风,再通过空调上部风口回风。该送风方式造成机柜核心发热区局部过热,同时冷热流交叉，影响降低空调效果。

如今的高密度数据机房发热量进一步加大,传统的送风方式很难满足需求,因此在数据机房设计中应考虑机架下送风的送风方式。机架下送风是在机房空调机组底部做一支架,形成空心地板机架;空调风机直接向地板内送风,由于地板近似于一个静压箱,空调送风通过地板上的开孔均匀地送到机柜内部,带走机柜热量,然后回风经过机房上部回到空调机组内,如此循环。

2.3.2实际应用

机架下送风方式实现了空调冷量的高效利用。上海电信某数据中心原来采用机房上送风方式,2014年进行了机架下送风改造:机柜前门密闭,后门开孔,采用下送风、后出风,使用内循环的方式组织气流;机柜顶部安装风扇,提高吸风的效率。改造前后的实测数据表明,机架下送风方式较上送风方式降低能耗约32.7%。机架下送风和机房上送风时的模拟结果如图5所示。

从图5可以看出,机架下送风可以提高房间温度的均匀性,保障机房温度控制在一定范围内，且可以适当提高机房的平均温度,降低空调能耗;下送风方式下，机房内气流的均匀性也明显优于上送风方式。

3　数据中心能源管理平台的设计

数据中心空调节能技术的效果发挥离不开能耗管理措施。由于缺乏有效的能耗管理,导致数据中心的节能技术应用效果较差,没有达到相应的水平[23]。在当前“互联网+智能化”普及的大背景下,数据中心应建立能源管理平台,实现数据中心能耗监测、管理和控制的智能化和自动化。

图5　机架下送风和机房上送风时的模拟结果

3.1平台总体结构

数据中心能源管理的首要任务是建立合理的能源管理体系,实现对数据中心的用电情况进行精细化和标准化的管理。一般能源管理体系包括能耗监测管理层、能效评估管理层和能效评估应用层。数据中心能源管理体系如图6所示。

图6　数据中心能源管理体系

3.2能耗监测管理层

能耗监测管理层是能源管理体系的基础,其核心是建立综合性能耗监测管理平台,实现对数据中心各个设备(包括通信设备、电气设备、空调设备及其他辅助设备)的用能情况和运行情况进行监测,用获得的数据进行能效评估。能耗监测管理层的工作主要有以下几点:

(1) 能耗分项计量。数据中心能耗可以分为IT设备用电、空调用电、输配电用电、照明用电、其他辅助用电等。常见计量装置包括电表、热量表、水表、燃气表等。数据中心所用的能源主要是电能,因此常采用智能电表作为计量装置。数据中心的电力能耗分项计量指标如图7所示。

图7　数据中心电力能耗分项计量指标

(2) 能耗监测系统。通过对数据中心的分项能耗计量,结合远程传输、云存储和计算机分析等手段,可以建立数据中心的能耗监测系统,实现能耗的动态分析和在线监测功能。能耗监测系统一般由现场监测子系统、远程传输网络、能耗监测平台组成，如图8所示。能耗监测系统监测数据中心的实时数据、运行数据和空间数据等,至少具有数据实时采集、信息实时显示、远程监控和管理、数据分析和统计管理等功能。

图8　数据中心能耗监测系统示意图

3.3能效评估管理层

能效评估管理层通过分析能耗监测管理层提供的设备用电数据和工作情况,评价用电设备的能效水平,同时预测未来的电费趋势。能效评估管理层包括以下部分:

(1) 电费预算管理系统。利用能耗监测管理层的实时数据,根据回归分析、神经网络等方法建立电费预算模型,从而建立电费预算管理系统。预算模型通常由用户数量、设备类型、端口数、业务收入等信息组成,通过能效系数来判断局站的能耗情况,从而可以精确分析各类节能措施的投入产出。通过该系统,可以为数据中心提供科学用电和精确管理的方法,从而降低电费。根据2009年南京电信的调查情况,利用电费预算管理系统可以节约用电费用约11%[24]。

(2) 能效评估系统。能效评估系统利用评价指标对数据中心用电利用效率评估。能效评估系统中,按设备类型分通信设备耗电、空调设备耗电、供配电系统耗电和辅助设备耗电;根据国内外制定的能效系数的限值,来评判设备所处的能效水平,确定数据中心的能耗是否合理。

对于数据中心的能效评估,国际上比较有影响力的指标是电能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)、数据中心基础设施效率(Data Center Infrastructure Effectiveness,DCIE),PUE值越低,数据中心能效越高。

3.4能效评估应用层

能效评估应用层的主要作用是实现节能手段的实施或节能技术的应用。首先,通过能耗能效监测管理系统,实现企业级数据中心多维度的能效评估;其次,通过分析节能手段或节能技术与能效水平的关系,评估该节能措施的应用价值,并根据具体情况提出相应的节能目标和节能措施。能效评估应用层分析的重点包括节能技术水平、节能技术的经济性和区域适用性等。

4　结　语

数据中心是耗能大户,其中空调用电是主要用能设备。结合上海电信某机房的实际案例,分析了数据中心应用分离式热管技术、冷池技术和机架下送风技术的节能潜力,结果表明上述空调节能技术能够有效降低数据中心空调能耗。数据中心节能技术的应用效果需要有效的能耗管理,从能耗监测管理、能效评估管理和能效评估应用三个层面,提出了数据中心能耗管理平台的设计。

[1]廖了.大型计算机机房空调设计模拟研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[2]中国电信集团.中国电信2011年节能减排技术指导意见[G].2011.

[3]KAILASH C K,RADMEHR A,PATANKAR S V.Use of computational fluid dynamics for calculating flow rates through perforated tiles in raised-floor data centers[J].International Journal of Heating,Ventilation,Air-Conditioning,and Refrigeration Research,2003,9(2):153-166.

[4]SCOFIELD M P E,THOMAS S,WEAVER P E.Using wet-bulb economizers data center cooling[J].ASHRAE Journal,2008(8):325-329.

[5]GREENBERG S,MILLS E,TSCHUDI B,et al.Best practices for data centers:results from benchmarking 22 data centers:Proceedings of the 2006 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings[C],2006.

[6]中国电信集团.中国电信上海公司机房节能技术应用指导意见[G].2012.

[7]姚贇.欧洲数据中心节能新技术:通信电源新技术论坛2011通信电源学术研讨会论文集[C].2011.

[8]毛路,王伟,曹连华,等.中国人寿数据中心水冷空调系统的节能方案及实施[J].建筑技术,2016,47(2):126-130.

[9]EMMERICH S J.Modeling the performance a naturally ventilated commercial building with a multizone coupled thermal/airflow simulation tool [J].ASHRAE Transactions,2002,108(2):1260-1275.

[10]舒庆鑫.变电站数据机房能耗及气流组织模拟研究[D].杭州:浙江大学,2014.

[11]PATEL C D,SHAMLA R,BASH C E,et al.Thermal considerations in cooling large scale high compute density data centers:Proceedings of Inter Society Conference on Thermal Phenomena[C].2002.

[12]黄晓翔.精确送风技术在通信机房的应用探讨[J].邮电设计技术,2015(1):27-30.

[13]易伶俐.不同空调送风方式在数据中心的应用[J].制冷与空调,2016,16(3):7-9.

[14]薛学营.数据中心地板送风系统气流组织研究[J].智能建筑与城市信息,2015(7):91-93.

[15]SCHMIDT R,VALLURY A.Energy savings through hot and cold aisle containment configurations for air cooled servers in data centers:ASME 2011 Pacific Rim Technical Conference on Packaging and Integration of Electronic and Photonic Systems[C],2011.

[16]王颖.模块化冷池在数据中心的研究与运用[J].建筑热能通风空调,2012,31(4):70-72.

[17]夏春华,潘庆瑶,高景,等.内蒙古某数据中心采用自然冷却技术的空调系统设计及运行模式[J].暖通空调,2013,43(10):18-22.

[18]黄浩亮,邱小亮.分离式热管空调对机房温度控制效果的试验研究[J].制冷与空调,2014,14(8):63-66.

[19]夏春华,孙国林,牛晓然,等.严寒沙尘地区通信机房新型自然冷却通风系统研究[J].暖通空调,2013,43(10):8-17.

[20]李奇贺,黄虎,张忠斌.热管式机房空调性能实验研究[J].暖通空调,2010,40(4):145-148.

[21]宋春生.通信机柜空调的控制系统设计与实现[D].苏州:苏州大学,2013.

[22]肖京平.银行数据中心空调的控制[J].智能建筑与城市信息,2008(7):31-34.

[23]钱晓栋,李震.数据中心空调系统节能研究[J].暖通空调,2012,42(3):91-94.

[24]任兆杰,刘险峰,徐培健.基于能效评估的电信运营企业节能管理[J].电信技术,2011(3):18-21.

Air-conditioning Energy Saving Technology and EnergyManagement Platform Design in Data Center

WU Bin

(Shanghai Credy Intelligent Sci-tech Co., Ltd., Shanghai 201203, China)

Energy consumption of air conditioning is the main part of the data center.The research on air conditioning energy saving technologies of data center were summarized.And combined with actual cases,the technologies of separated heat pipe,cold poolies and under floor air supply were analyzed.The measured results show that the three kinds of technologies can reduce energy consumption by about 31.6%,16.1% and 32.7% respectively.From three levels of energy consumption monitoring and management,management and application of energy efficiency assessment,the design of energy management platform of data center are put forward,which realized the intelligence and autolmation of energy consumption monitoring,management and controlling.

data center; air conditioning; energy-saving technology; energy management platform