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    數(shù)據(jù)中心能源利用效率的優(yōu)化方法研究

    更新時間:2024-05-29      點擊次數(shù):310

    1概述

    隨著新一輪信息技術革命和產(chǎn)業(yè)變革快速發(fā)展,數(shù)字經(jīng)濟異軍突起,成為推動全球經(jīng)濟迅速恢復和穩(wěn)健增長發(fā)動"。作為數(shù)字經(jīng)濟",數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將5,952億元。

    img1 

    120142025年我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模與增速預測

    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),給全社會能源供應和環(huán)保帶來了巨大壓力。

    img2 

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

    2021年工信部發(fā)布的十四"信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》專門設置綠色節(jié)"類別的發(fā)展指標。工信部指出,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4個部分,能耗情況如3所示。

    1IT設備:包括服務器、存儲設備和網(wǎng)絡通信設備等,為用戶提供信息處理和存儲、通訊等服務系統(tǒng),耗能45%。

    2)制冷系統(tǒng):IT設備運行需要提供穩(wěn)定的溫、濕度環(huán)境,主要包括:空調(diào)、冷源設備,送回、風系統(tǒng),耗能40%

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

    4)其他:主要為供配電系統(tǒng)等,耗能10%

    img3 

    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,在技術選擇上,可采取多種技術措施,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

    數(shù)據(jù)中心尋求替代傳統(tǒng)供電模式。

    3.2數(shù)據(jù)中心電氣節(jié)能技術

    3.2.1節(jié)能設備

    制冷主機采用高效變頻水冷離心冷水機組,有效節(jié)約運行費用,降低能耗。變頻機組在過渡季節(jié)、部分負荷時提高運行效率,可顯著達到降低系統(tǒng)運行費用。

    定頻泵無法根據(jù)負載變化動態(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)不同負荷和工況進行調(diào)整,從而實現(xiàn)節(jié)能??刂扑玫妮斔湍芎?,關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):

    P2P1(n2/n1)3P1(f2/f1)3

    P1=電機額定功kW

    P2=實際工作頻率下的輸出功kW

    n1=額定轉(zhuǎn)速

    n2=實際轉(zhuǎn)速

    f1=額定工作頻率,一般50Hz

    f2=實際工作頻Hz

    由上式可知,水泵耗電功率與頻率成三次方關系,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UPS系統(tǒng)

    UPS的作用是在市電電源中斷、柴油發(fā)電機組啟動前,確保負載持續(xù)供電,因此,UPS系統(tǒng)包含了儲能設備,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IT設備能10%以上。UPS系統(tǒng)按照系統(tǒng)大負載功率設計。實際上,大部分時間的真實負載功率達不到大負載功率的需要,真實負載與額定負載的比例越小,UPS能效越低。因此,提UPS系統(tǒng)可靠性,降低其損耗,就成UPS系統(tǒng)架構(gòu)演變的主旋律。

    傳統(tǒng)集中UPS系統(tǒng)弊端明顯,單點失效、備UPS增加了系統(tǒng)成本、能效差。分布式儲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50MW的小型模塊,不但增加了系統(tǒng)可靠性、可擴展性和電源管理靈活性。同時根據(jù)用戶設備進入時間,分批建造,減少空載或輕載時間。

    3.3數(shù)據(jù)中心制冷節(jié)能技術

    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,可以提高冷凍機的運行效率,同時可以增加自然冷卻時間。制冷機組冷凍水出水溫度每提1可節(jié)3%5%,變頻離心機組冷凍水出水溫度每提1可節(jié)4%6%,節(jié)能效果明顯。

    4為在不同的出水溫度條件下,冷水機組的制冷量與用電功率的典型關系。

    img4 

    4不同出水溫度,冷水機組制冷量與用電功率關系

    可以看出,隨著冷水機組的出水溫度的提升,對應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,它引申出的另一個好處是能夠大限度利用室外冷源進行自然冷卻。

    3.3.2提高空調(diào)機組的送回風溫度

    提高空調(diào)機組的送回風溫度,可以通過精密空調(diào)機組設定,保證精密空調(diào)的運行效率,降低不必要的過度制冷的能源浪費。

    3.3.3間接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)

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

    目前,自然冷卻技術一般有水側(cè)自然冷卻、風側(cè)自然冷卻等。風側(cè)自然冷卻與水側(cè)自然冷卻相比,效率更高、運行天數(shù)更長。風側(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)供冷技術為例,機25送風情況下,環(huán)境溫度小19.4即可進行自然冷卻,而水側(cè)自然冷卻環(huán)境溫度至少要降12以下。

    在中國東部地區(qū)采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào),自然冷卻時間可6000小時,而在西北地區(qū)能8000小時以上。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,自然冷卻時間一般小4000小時。故在中國東部地區(qū),采用間接蒸發(fā)冷卻空調(diào)的自然冷卻時間比傳統(tǒng)空調(diào)水側(cè)自然冷卻的時間全年多出大2000h小時左右,節(jié)能效果可觀,對降低全年平PUE值意義重大。

    3.3.4采用液冷技術

    液體技術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,服務器液冷分為冷板、浸沒、噴淋三大液冷技術方向。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)導出,再經(jīng)由一個或多個冷卻回路熱交換傳遞,終將設備熱量散發(fā)到外環(huán)境或進行回收利用的一種液冷實現(xiàn)方式。浸沒式液冷是將服務器浸沒在冷媒(冷卻液)中,依靠液體流動循環(huán)帶走熱量。

    液冷技術相比傳統(tǒng)風冷技術在散熱效率、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)的風冷技術已經(jīng)不能滿足其散熱需求。采用液冷技術也將成為大的趨勢。

    3.4其他節(jié)能技術

    3.4.1余熱利用

    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。

    如果利用熱泵技術將數(shù)據(jù)中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,實現(xiàn)多能流,多時空的能源數(shù)據(jù)監(jiān)測和統(tǒng)計,在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定、供需匹配為前提,實現(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)濟運行,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)能運行。

    綜合能源管控系統(tǒng)從不同維度實現(xiàn)統(tǒng)一集中監(jiān)控、能源運行管理、能源系統(tǒng)運行優(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、事件及報警處理、實時運行監(jiān)控和專題場景監(jiān)控;2)能源運行管理:包括能源指標分析、供能質(zhì)量分析、綜合指標報表、綜合調(diào)度運行;3)能源系統(tǒng)運行優(yōu)化:包括網(wǎng)絡化建模、供需平衡分析等協(xié)同優(yōu)化。綜合能源管控平臺的建設,將對數(shù)據(jù)中心帶來以下效益:

    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),以及運行時實時監(jiān)控數(shù)據(jù),利用經(jīng)過訓練的模型,根據(jù)經(jīng)濟性佳的優(yōu)化目標進行仿真分析,終得到綜合能源系統(tǒng)設計方案及各機組容量,及運行期間響應實時能源需求的實時策略,大精度地保證整體系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu),將能源成本從數(shù)學模型分析的角度,降低。

    提高能源效率

    在獲得大量的能源系統(tǒng)模塊負荷數(shù)據(jù)的基礎上,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,生成關鍵能源質(zhì)量指標。

    通過調(diào)度,耦合,在保證匹配各種能源實時負荷的前提下,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,增加能源供應管理,避免能源浪費。

    提高能源系統(tǒng)可靠性

    可以根據(jù)系統(tǒng)運行的動態(tài)情況,進行運行集中監(jiān)控,對可能出現(xiàn)的異常進行預警,及時下發(fā)新系統(tǒng)運行策略,保證用戶端負荷匹配。同時可設計專題場景,便于運維管理人員可以便捷、容易獲取相關監(jiān)控信息,分析結(jié)果。

    4安科瑞能耗統(tǒng)計分析(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),對建筑各類耗能設備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量,對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標及績效考核指標,發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況,提高人員主動節(jié)能的意識。

     搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架,對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測;

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

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

     同期能效比:實現(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;

     能耗評估管理:按照能源消耗定額標準約束值、標準值、引導值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標;

     能耗競爭排名:各個功能區(qū)能耗對比,實現(xiàn)能耗排名,增強工作人員的節(jié)能意識;

     對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、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表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據(jù);

     能耗數(shù)據(jù)采集,隨時查詢,并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,監(jiān)測異常能源用量,對能源智能儀表故障進行報警,提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。

    img5 

    4.2能源管理系統(tǒng)硬件配置

    應用場景

    型號

     

    保護功能

    能耗管理云平臺

    AcrelCloud-5000

    img6 

    采用泛在物聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通訊、智能傳感等技術手段可為用戶提供能源數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析、能效分析、用能預警、設備管理等服務,平臺可以廣泛應用于多種領域。

    智能網(wǎng)關

    Anet系列網(wǎng)管

    img7 

    采用嵌入式硬件計算機平臺,具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網(wǎng)絡接口,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)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)采集匯總,并使用相應的規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)給平臺系統(tǒng)。

    高壓重要回路或低壓進線柜

    APM810

    img8 

    具有全電量測量,電能統(tǒng)計,電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡通訊等功能,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計,當客戶需要增加開關量輸入輸出,模擬量輸入輸出SD卡記錄,以太網(wǎng)通訊時,只需在背部插入對應模塊即可。

    APM520

    img9 

    三相全電量測量2-63次諧波,不平衡度,大需量,支持付費率,越限報警,SOE,4-20mA輸出。

    低壓聯(lián)絡柜、
    出線柜

    AEM96

    img10 

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

    動力柜

    ACR120EL

    img11 

    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,非常適合于實時電力監(jiān)控系統(tǒng)。

    DTSD1352

    img12 

    DIN35mm導軌式安裝結(jié)構(gòu),體積小巧,能測量電能及其他電參量,可進行時鐘、費率時段等參數(shù)設置,精度高、可靠性好、性能指標符合國GB/T17215-2002GB/T17883-1999和電力行業(yè)標DL/T614-2007對電能表的各項技術要求,并且具有電能脈沖輸出功能;可RS485通訊接口與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

    AEW100

    img13 

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

    5結(jié)語

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

    【參考文獻 

    1 宋卓,申珉."中國制2025"為電信業(yè)帶來新機[J].中國聯(lián)通研究,20164:20-21

    2 .分布UPS在數(shù)據(jù)中心中的運[J].科技經(jīng)濟市,2021(6):27-28

    3 .數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施探,中節(jié)能工業(yè)節(jié)能有限公司

    4 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手2022.5

     


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