基于大数据的质量智能管控模型的探索与实践

焦华栋 张晟 陈攀登

中移系统集成有限公司 北京 100052

1 数据中心能耗现状

能耗管理对于数据中心而言，犹如一条呈正态分布的长尾曲线。曲线的头部由IT设备能耗、空调能耗、电源能耗、建筑、消防及智能化能耗等“大指标”组成，曲线的尾部则是由机柜位置部署、气流组织分布、机柜距离以及系统维护管理等无数“小指标”组成[1]。数据中心既要满足高度集中的需求，又要承担绿色环保的义务。因此，如何提升能源使用效率，打造高效节能的数据中心，成为数据中心维护者的最终目标。

2 数据中心空调系统能耗影响因素

2.1 空调系统的能耗分析

通常，空调设备能耗比例为：冷水机组占55%-70%，循环水泵占15%-20%，冷却塔5%-10%，末端空调等动力设备占15%-25%。以某数据中心为例，制冷系统能耗是数据中心的第二大能耗，约为24%，其次是电源系统，约为数据中心总能耗的10%，照明及智能化等能耗占比小于1%。可见，降低数据中心PUE最有效的方法是提高数据中心空调系统的能效。

2.2 空调系统制冷能效因子

数据中心制冷能效因子CLF是在单位IT负载上消耗的制冷所用电能，计算公式如下：

式中：Q冷机为冷水机组耗电，Q水泵为水泵耗电，Q冷塔为冷却塔耗电，Q末端为机房内空调设备末端耗电，Q新风为新风机组耗电，Q补水为补水设备耗电。

综上，影响空调系统能耗的因素包括冷水机组、循环水泵、冷却塔、末端空调、新风机组及补水泵等动力设备[2]。其中，冷水机组能耗占比最高，是空调系统的能耗核心；其次是末端空调能耗，具有很大节能潜力。以下结合制冷系统的能效因子，提出多种优化方案提升空调设备的能效，降低数据中心PUE。

3 空调系统节能优化

3.1 自然冷源的充分利用

北方数据中心多采用开式板式换热器+冷却塔间接利用自然冷源的方式，在冬季和过渡季室外温度较低的时间段不开启冷水机组，利用板式换热器、冷却塔与室外冷空气换热获得冷量。

数据中心空调系统的制冷运行模式分为3种：

（1）当t＞10℃时，空调系统采用水冷机组制冷模式；

（2）当6℃＜t＜10℃时，空调系统采用水冷机组+板式换热器制冷模式；

（3）当t＜6℃时，空调系统采用自然冷却模式。

3.2 提升空调系统冷冻水温度

在数据中心空调系统中，冷水机组冷冻水的设计供水温度为10-12℃。即使在数据中心负载量较低（30%-40%）的情况下，冷机的实际运行电流百分比达到50%-72%，此时冷机制冷能效比EER非常低，不仅能耗严重浪费，还造成了设备损耗[3]。因此，冷水机组的功耗是节能的关键。

理论分析可知，冷机供水温度由冷机蒸发器中冷媒的蒸发温度和压力决定，两者成正比关系。冷机压缩机是冷机的耗能主体，蒸力与冷凝压力的差值决定着它做功的多少。蒸发压力提升发压，冷凝压力不变，两者的差值变小，压缩机做功也会减少。因此，提高冷机冷冻水出水温度，能有效降低冷机的工作能耗。腾讯数据中心冷水机组实验研究表明：在冷机能耗相同的情况下，冷冻水供水温度每提高1℃，冷水机组产冷量增加3%。同理，当制冷量一样时，冷冻水供水温度每提高1℃，冷机自身能耗将减少3%。呼和浩特地区冷机运行时间为5-9月，当制冷负荷为50%时，将冷冻水温度从12℃提升至15℃，以此比较对应温度下的耗电量。经测算，可得全年可节省电量约22%。可见，供水温度的提升，对冷机系统节能意义重大。

3.3 提高末端空调送风温度

数据中心通常将机房环境控制在20℃，不仅会出现过度冷却产生冷凝水，而且造成能源浪费，因此合理设定机房空调的温度尤其重要。理论研究表明：末端空调的蒸发温度相应提高，制冷系数提高，机房回风温度每提高1℃，机房空调的耗电量能节约2%-5%。随着服务器功能的提升，IDC机房环境温度可以提升至28℃。为验证该理论，中国移动数据中心自2018年2月起，以20℃为基准，每月将环境温度提升1℃，直至温度达到28℃，以此测试每月的耗电量变化趋势。分析耗电量数据可知：通过提高末端空调出风温度，将机房环境温度由20℃提升至28℃，能耗可降低21%。可见，提高末端空调送风温度可以有提升空调能效。

4 结语

近年来随着云计算技术的大发展，数据中心越来越多呈现出高度集成、高耗能的特点，需要行之有效的能耗管理。因此，在保证空调系统高可用性的同时，提高了末端空调运行维护效率，对最终实现数据中心的节能运行具有重要的现实意义。