安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

      數(shù)據(jù)中心是數(shù)字化和信息化的重要基礎設施，對安全性、可靠性要求較高。同時，數(shù)據(jù)中心屬于高耗能產(chǎn)業(yè)，節(jié)能增效是其重要的研究領域，也是行業(yè)發(fā)展和家政策的方向。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，數(shù)據(jù)中心需要在機房基礎設施方面不斷進行新技術的研發(fā)，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。對此，本文從制冷系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等方面入手，對各項新技術進行了研究和分析，以期能為數(shù)據(jù)中心機房的基礎設施建設提供技術參考，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色高效運營。

 

      通常，制冷系統(tǒng)的能耗占數(shù)據(jù)中心所有系統(tǒng)能耗的31%左右，是其主要的能耗組成部分。因此，制冷系統(tǒng)能耗化在數(shù)據(jù)中心所有系統(tǒng)中空間、成效快且節(jié)約成本多，可以降低數(shù)據(jù)中心的能耗和PUE值，提升節(jié)能水平。制冷系統(tǒng)主要包括節(jié)能控制、系統(tǒng)形式、冷源站設備、末端設備以及冷卻方式等五方面，下面分別對其中的新技術進行分析。

      根據(jù)理論計算和工程經(jīng)驗，冷水機組蒸發(fā)溫度提高1℃，制冷效率提升3%~4%。因此，提高冷凍水溫度有助于提升機組效率，降低能耗。同時，冷凍水溫度的提高可大大降低冷凍水管路傳輸?shù)膿p耗，有效避免系統(tǒng)和末端設備結(jié)露現(xiàn)象。另外，提高冷凍水溫度，能使機組運行負載減輕，設備的健康狀況得以改善，修理周期延長，可大大降低設備維護和配件換的費用。

      由于數(shù)據(jù)中心全年制冷，提升冷凍水溫度，不僅可以提高冷水機組的效率，改善設備健康狀況和機房環(huán)境 溫濕度狀況，還可以延長自由冷卻時間，節(jié)約制冷系統(tǒng)運行費用，降低數(shù)據(jù)中心 PUE。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》中的規(guī)定，冷凍水供回水溫度為 7~21℃ /12~27℃，并且建議采用較高的供回水溫度實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能。因此，高水溫供冷有助于數(shù)據(jù)中心降低制冷系統(tǒng)能耗，提升整個數(shù)據(jù)中心的節(jié)能水平。

      人工智能尋節(jié)能技術是通過人工智能化算法對制冷系統(tǒng)各參數(shù)進行化控制，以使制冷系統(tǒng)全局能耗低。目，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)一般基于人工經(jīng)驗進行空調(diào)系統(tǒng)的運行控制，需經(jīng)過長期的不斷調(diào)節(jié)和修正，且控制模式較為傳統(tǒng)，具有一定的化空間。與之相比，人工智能尋節(jié)能技術是指在現(xiàn)有設備基礎上，利用人工智能算法并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對制冷系統(tǒng)各參數(shù)進行尋，給出運行狀態(tài)，可顯著降低空調(diào)系統(tǒng)運行費用，實現(xiàn)資源利用。由于人工智能尋節(jié)能技術對空調(diào)系統(tǒng)智能控制，可以有效降低運維成本及系統(tǒng)安全風險。目 Google、華為已將人工智能尋節(jié)能技術應用于數(shù)據(jù)中心，節(jié)能效果明顯。人工智能尋節(jié)能技術不僅可以提升數(shù)據(jù)中心的智能化控制水平，還可以降低數(shù)據(jù)中心的運行和維護成本。

      冷水機組與板換串聯(lián)架構是將板式換熱器設置在水冷側(cè)，與冷水機組一一對應布置。冬季采用板式換熱器自由冷卻，過渡季節(jié)利用板式換熱器預冷回水溫度，冷水機組進一步壓縮制冷，充分利用室外冷源，節(jié)省運行費用。冷水機組與板換串聯(lián)架構工作原理

      冷水機組與板換串聯(lián)架構根據(jù)室外環(huán)境溫度主要有以下三種運行模式： 

      一是壓縮機制冷。冷水機組制冷，板式換熱器不工作。 

      二是聯(lián)合制冷。先經(jīng)板式換熱器預冷，然后再由冷水機組進一步制冷。 

      三是*自由冷卻。冷水機組不工作，板式換熱器供冷。 

      與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心所采用的冷水機組與板換并聯(lián)架構形式不同，串聯(lián)架構大幅簡化了系統(tǒng)架構，控制方式為清晰和明確，運維切換便捷平滑，降低運維風險，提高系統(tǒng)安全可靠性。新的架構形式具有壓縮機供冷、聯(lián)合制冷和自由冷卻三種運行模式，在過渡季和冬季都可利用室外自然冷源進行制冷，大幅延長自由冷卻的使用時間，提高自然冷源利用率，節(jié)省運行費用。因此，冷水機組與板換串聯(lián)架構于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)架構，節(jié)能效果明顯。

（1）高壓變頻冷水機組 

      隨著近幾年高壓變頻技術的快速發(fā)展，高壓變頻器應用越來越廣，高壓變頻冷水機組是將高壓變頻器應用于冷水機組，充分利用了高壓供電系統(tǒng)簡潔、投資少、占地面積小以及變頻器節(jié)能、快速啟動的特點。與傳統(tǒng)的高壓定頻機組相比，高壓變頻冷水機組主要是利用變頻器變頻調(diào)速、降低能耗的勢，機組變頻可以大幅降低機組在部分負荷下的能耗，高壓變頻機組的應用可以節(jié)能約 15%。同時，高壓變頻機組具有減少喘震發(fā)生、降低冷機噪音和快速啟動等特點。數(shù)據(jù)中心的水冷系統(tǒng)可以采用高壓變頻冷水機組來提升機組的效率，降低制冷系統(tǒng)的運行費用。

（2）自然冷卻風冷冷水機組 

      自然冷卻風冷冷水機組是通過在傳統(tǒng)風冷螺桿機組上增設一套自然冷卻盤管用于自由冷卻，冬季采用室外自然冷源制冷，夏季采用壓縮機制冷，過渡季節(jié)采用壓縮機和室外自然冷源聯(lián)合制冷。

傳統(tǒng)的風冷螺桿機組只能采用壓縮機制冷，不能利用室外自然冷源進行制冷，節(jié)能效果較差。自然冷卻風冷冷水機組有壓縮機供冷、混合制冷和自然冷卻三種運行模式，在過渡季和冬季充分利用室外自然冷源，大幅延長自由冷卻的使用時間，提高自然冷源利用率，節(jié)省運行費用。同時，機組內(nèi)置自由冷卻且根據(jù)室外氣象參數(shù)自動切換制冷模式，無需通過人工切換閥門和調(diào)整機組運行狀態(tài)，降低系統(tǒng)復雜度和運維難度，提高系統(tǒng)可靠性。對于數(shù)據(jù)中心的風冷系統(tǒng)的冷源主機可以采用自然冷卻風冷冷水機組，充分利用室外冷源，降低制冷系統(tǒng)的運行費用。

4. 端設備 

（1）純行級空調(diào)

      對于機柜內(nèi)滿配服務器的高供電密度機房，傳統(tǒng)的精密空調(diào)房間級制冷方式已不能滿足環(huán)境的要求。行間級空調(diào)采用冷風從冷通道送風、后由熱通道回風的水平送風方式，從而保障了服務器對溫度的要求，消除了局部熱點，進而在增加了服務器運行可靠性的同時有效降低不必要的能耗。

房間級空調(diào)一般通過地板下送風上回風的形式，送風距離長，冷量損失大。而行間級空調(diào)一般緊靠熱源布置，近端制冷，送風距離短，冷量損失小，降低空調(diào)設備能耗。房間級空調(diào)需要設置空調(diào)間，而行間級空調(diào)體積小，可以快速部署，便于擴展，并且行間級空調(diào)采用水平送風方式，無需架空地板，降低基建投資。因此，為了降低空調(diào)設備能耗，同時應對服務器功率密度的提高，數(shù)據(jù)中心末端空調(diào)設備可以采用行間級空調(diào)取代房間級空調(diào)。

（2）非標設備冷通道封閉 

      為了化數(shù)據(jù)機房氣流組織，機房服務器一般采用“面對面，背對背”設置，并將機架冷空氣進口側(cè)進行封閉，形成冷通道封閉，冷熱氣流之間互不影響，有效防止冷熱氣流短路，提高空調(diào)系統(tǒng)的風量利用率和冷風利用率，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。 冷通道封閉一般針對標準的服務器進行設置，由于數(shù)據(jù)中心除了傳統(tǒng)的標準服務器外，還有大量的網(wǎng)絡機柜、小型機和存儲設備等非標設備，這類設備尺寸和樣式多樣化，封閉難度較大，普遍不采取冷通道封閉措施，導致機房氣流組織不能很好地化，影響制冷空調(diào)的出風溫度設定和能耗。對于非標設備可以通過設置預制框架并通過調(diào)整封閉隔板尺寸等措施實現(xiàn)冷通道封閉，從而化機房氣流組織，提高機房送風溫度，進而提高整個空調(diào)系統(tǒng)的供冷溫度，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

5. 冷卻方式——液冷服務器 

      液冷服務器是指通過將水或氟化液注入服務器，通過冷熱交換帶走服務器的散熱，從而取代常規(guī)的風冷模式。與傳統(tǒng)的風冷相比，液冷的比熱容大，能吸收大量的熱量，CPU的溫度能夠得到很好的控制，節(jié)省服務器的數(shù)量。由于液冷服務器的冷卻液直接導向熱源，不僅省掉了風扇及機房專用空調(diào)系統(tǒng)，而且可以采用較高的溫度，大幅提升室外免費冷源的使用時間，節(jié)省運行費用。此外，整個液冷系統(tǒng)的噪音比風冷系統(tǒng)小很多，可達到“靜音機房”的效果。數(shù)據(jù)中心服務器的功率密度越來越高，液冷服務器的部署有助于突破現(xiàn)有制冷形式的限制，并且節(jié)能。

 

二、數(shù)據(jù)中心動力系統(tǒng)新技術研究 

      動力系統(tǒng)是制冷系統(tǒng)之外主要的能耗組成，同時動力系統(tǒng)的安全可靠是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的提。動力系統(tǒng)能耗的主要來源是不間斷電源系統(tǒng)，也是動力系統(tǒng)節(jié)能的重點。而數(shù)據(jù)中心安全可靠運行需要動力系統(tǒng)的設備可靠和運維便利。為此，針對動力系統(tǒng)，在不間斷電源設備、末端配電和蓄電池等方面進行新技術的研究，我們對微模塊化 UPS、旁路 UPS、智能配電母線和鋰電池等新技術進行了分析。

1. 不間斷電源設備 

（1）微模塊化UPS 

      微模塊化UPS通過多個模塊并列，實現(xiàn)大功率輸出。每套系統(tǒng)由功率模塊、監(jiān)控模塊和靜態(tài)開關組成，功率模塊并聯(lián)平均分擔負載，如遇故障自動退出系統(tǒng)，由其他功率模塊來承擔負載。*的冗余并機技術使設備無單點故障，以確保電源的可靠性。所有的模塊可以熱拔插，實現(xiàn)在線換。 

與傳統(tǒng)的塔式UPS相比，微模塊化UPS具備熱插拔電源和電池模塊，可在線維護，提高系統(tǒng)安全性，兼容各種機架和 PDU，可單獨部署，也可與IT設備一起安裝；同時，還支持外部電池柜以延長運行時間。微模塊化UPS還具有模塊休眠技術，在負載率低時整機運行效率仍可達到96%，而傳統(tǒng)塔式UPS在負載率低時運行效率一般僅為90%。因此，模塊化UPS運維和能效于傳統(tǒng)塔式UPS，可有效提升數(shù)據(jù)中心供電設備的可靠性和節(jié)能水平。

（2）旁路UPS 

      旁路UPS是在市電品質(zhì)較好時利用UPS旁路直接供電給數(shù)據(jù)中心的IT負載，UPS內(nèi)部的逆變器處于在線備份狀態(tài)，當市電電壓和頻率波動加劇時，切換到UPS雙變換模式進行供電。

相對于傳統(tǒng)UPS，旁路UPS既可以利用雙變換模式供電，也可以利用旁路模式供電。通過旁路模式供電，旁路UPS可以實現(xiàn)市電直供，供電效率可以達到近99%，有效節(jié)約UPS能耗，提高UPS效率。旁路 UPS是在原有架構基礎上實現(xiàn)市電直供模式，可提高系統(tǒng)可靠性

      智能配電母線是利用軌道式低壓母線為機房末端設備供電，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精密配電柜加電纜的供配電方式，采用即插即用的插接箱，可實現(xiàn)在母線槽不斷電情況下在任意位置進行連接或斷開，實現(xiàn)快速部署，隨需而變。 

與傳統(tǒng)的“精密配電柜 + 電纜”的配電方式相比，智能配電母線節(jié)省機柜空間，可根據(jù)機房機柜配置進行按需擴容，用電需求可在線隨時隨需增減，并且可隨時實現(xiàn)單相、三相轉(zhuǎn)換。同時，具有母線安裝快速、插接位置靈活、運維方便和接線美觀等點。智能配電母線有助于降低數(shù)據(jù)中心的運維成本，提升數(shù)據(jù)中心的可靠性

      傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用鉛酸蓄電池，由于鉛酸蓄電池的放電倍率低，導致其體積大、重量重，而鋰電池具有高的能量密度與高的輸出功率密度，體積小，占地面積減小約 50%；重量輕，約是鉛蓄電池的 1/5。鋰電池具有長的生命周期且免維護，-20~60℃較廣的溫度適應性，充電時間少且自行放電的速率佳，月自放電率僅為 1%，能在發(fā)生運行中斷時發(fā)揮重要的作用。同時，鋰電池采用模塊插拔設計，運維便利，內(nèi)置監(jiān)控系統(tǒng)可以實時關注電池的充放電及溫度狀況。因此，鋰電池在安全性方面可充分保證數(shù)據(jù)中心的可靠運行，并大幅提升數(shù)據(jù)中心機房基礎設施的利用率，降低基建成本和運 

維成本。

 

      由于數(shù)據(jù)中心的 IT 設備全年 7×24小時不間斷運行，考慮到巡視和安防的需要，照明系統(tǒng)需要長期運行，其能耗和壽命都受到影響。隨著新的照明技術的不斷發(fā)展，為節(jié)能、安全和智能的照明系統(tǒng)可以大幅節(jié)省數(shù)據(jù)中心運營費用。結(jié)合照明系統(tǒng)的發(fā)展和數(shù)據(jù)中心的運營特點，我們對LED照明、智能照明等新技術進行了研究分析。 

1.LED 照明  

       LED 照明燈作為一種新型綠色半導體發(fā)光二極管，在相同情況下，其有效發(fā)光率比普通光源要高，且本身不含汞、鉛等有害物質(zhì)，廢棄物可回收，光譜中沒有紫外線和紅外線，在生產(chǎn)和使用中不會對外界產(chǎn)生污染。紅外感應LED照明是基于LED照明通過感應人體的紅外熱輻射檢測光環(huán)境狀態(tài)，通過內(nèi)置延時開關，對燈具進行開啟、微亮和關閉。

      傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心一般采用熒光燈進行照明，與熒光燈 相比，LED照明光效率高，可以達到90%，比傳統(tǒng)熒光燈節(jié)能70%。LED 照明壽命可達 50000小時，并且無燈絲、無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，可降低燈具的維護工作量和成本。LED照明不含汞、鉛和氙等有害元素，利于回收和再利用，而且不會產(chǎn)生電磁干擾。不僅如此，采用LED照明的總體照明能耗下降，使其產(chǎn)生的顯熱量也將有所下降，可以降低機房區(qū)域空調(diào)負荷，進而降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。紅外感應LED照明不僅具有LED照明的點，而且具有智能感應，實現(xiàn)人來燈亮、人走燈滅，可進一步降低照明能耗。

      從數(shù)據(jù)中心來看，機房樓由于人員較少，考慮到巡視和安防的需要，可以采用分區(qū)照明控制。在公共走道區(qū)域，采用人體感應LED照明，深度節(jié)能；機房區(qū)域采用智能調(diào)光 LED 照明，綠色節(jié)能。

 

      智能照明是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術、有線 / 無線通訊技術、電力載波通訊技術、嵌入式計算機智能化信息處理以及節(jié)能控制等技術組成的分布式無線遙測、遙控和遙訊控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)對照明設備的智能化控制。智能照明系統(tǒng)利用計算機平臺統(tǒng)一管理與維護，可以實現(xiàn)分區(qū)域照明控制和智能調(diào)光控制，針對不同區(qū)域采取不同的運行策略，降低能耗。可實現(xiàn)場景化設定，針對不同場景開啟不同的照明路線和方式，還可以實現(xiàn)自動巡檢、自診斷和自恢復功能，便于運維。智能照明系統(tǒng)提升了數(shù)據(jù)中心運維和管理效率，實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的智能化控制，深度節(jié)能。

      綜上所述，數(shù)據(jù)中心基礎設施是數(shù)字化和信息化的基石，決定了數(shù)據(jù)中心的建設和運營水平。本文針對數(shù)據(jù)中心機房基礎設施的新技術進行研究，在制冷系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等方面提出了適合數(shù)據(jù)中心機房基礎設施的新技術，各項新技術在節(jié)能、運維和占地等方面具有顯著勢，有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心安全、可靠和高效的運行。數(shù)據(jù)中心機房基礎設施新技術的研究可為數(shù)據(jù)中心機房基礎設施建設提供技術參考，推動數(shù)據(jù)中心技術水平的提升。

 

      隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。

      AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。     

1）功能要求：

      遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

      遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

 

1) 功能要求

遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。

 

      數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設的快速發(fā)展和高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。

1）交流系統(tǒng)功能：

      遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、序電流、地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

      遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、地電壓、線電流、溫/濕度告警，開關狀態(tài)、開關跳閘；    

2）直流系統(tǒng)功能：

      遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態(tài)、電流/功率；

      遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關狀態(tài)、開關跳閘；                             

 

 

【1】 王超.中工商銀行數(shù)據(jù)中心基礎技術實驗室.

【2】 安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.

【3】 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版.