数据中心机房节能改造效果评价方法和验证

沈佳

（上海建科节能技术有限公司）

1 引言

根据工信部2019年《三部门关于加强绿色数据中心建设的指导意见》（工信部联节[2019]24号）要求“2022年数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下”。通过先进技术投入与实施，降低数据中心机房能效水平已成为重中之重，对机房节能技术的评价分析亦同样重要。

节能量和节能率是评价数据机房节能效果的两个重要指标。

①节能量是反映节能效果的重要指标，它反映了一定时期内节约能源的数量，也称为能源节约量，是一个相对比较量，需在基础指标计算前提下，通过对比得出。

②节能率能够衡量节能系统的节能程度，节能率越大所节约的电能越多，节能效率越高。

因此，在评价数据中心机房节能技术效果时，有必要对其节能率进行考量。

数据机房的能耗主要包括制冷系统能耗和供配电系统能耗，制冷系统的节能技术主要分为以下两种：

①采用节能的冷源设备产品；

②采用合理的气流组织设计。

供配电系统节能技术可从整体效率和不同负载率条件下的效率两方面分析。所谓整体效率就是供配电系统从进行入机房到IT设备间的效率，不同负载率下的效率则是供配电系统采用不同负载率所产生的效率。

本研究主要通过数据机房的实际运行效果进行节能改造并开展全年温度和电量实测，根据实测结果分析节能改造效果和设备运行效率，验证改造方案的适宜性。

2 数据中心机房节能改造

对现有机房进行调研统计，根据机房的不同情况选择合适的节能技术，进行节能改造。选取某机房6台空调机组中的3台加装氟泵。氟泵节能改造原理即在原有风冷室外机基础上，在冷媒管的液管处串联一个节能模块，同时对室内机（电动阀等）进行改造。冬季室外温度低于10℃时，该系统利用环境温度冷却制冷剂进行制冷，利用高效的氟利昂泵代替压缩机输送制冷剂，从而实现节能运行。过渡季节室外温度≤20℃时，该系统采用双系统（压缩机和氟泵）进行制冷，从而减轻压缩机的运行压力。

选取安装了氟泵的3台空调进行节能率现场测试。通过比较精密空调（未改造空调系统）和氟泵空调的运行参数、运行效率等数据，得出在相同工况下氟泵空调的节能率。

3 空间、时间耦合的节能评价方法

机房的节能效果受时间、地域等因素的影响。不同时间机房节能效果不同，而在同一时间内采用相同节能技术的不同机房，其节能效果也存在很大差异。对机房某一节能技术进行评价时，以单一机房为对象，会使评价结果偏高或偏低，无法真实反映节能技术效果的真实水平。因此，需要对多个机房节能效果进行综合评价，才能真实反映出节能技术的效果。

同时，机房的节能效果会随着时间发生变化，不同季节下其节能效果存在明显差距，有的节能技术随着时间的延长，其节能效果会出现衰减。只将某一时间点的节能效果，作为机房节能技术运行的全年节能效果比较片面。因此，对单一节能技术的效果进行评价时，必须是连续时间内的综合评价分析，而不是某一时间点上的节能效果。

综上，需要采用空间、时间耦合加权的节能分析方法，对多个机房节能效果进行综合评价，同时进行连续时间内的综合评价分析。

4 节能效果测试方法

4.1 测试方案

为保障测试结果的准确性和科学性，测试时间为节能改造完成1年后，测试周期为1年，包含了夏季、冬季、过渡季三种工况，测试示范机房在不同工况下的运行效率、机房内气流组织、节能量，并计算节能率，评估节能效果，确定技术的适宜性。

4.2 温度测试

通过对某数据中心机房实地勘察，两列机柜之间的出风温度高达40℃，峰值超过45℃，超过空调设计回风温度，影响服务器正常运行。因此在B、C两列服务器之间，安装红外温度监控探头，实时监控机柜出风温度，共安装3套红外温度热像仪。数据中心机柜高约2m，机柜的排列间距约1.5m，将监测点放置在屋顶或相邻机柜顶部（见图1）。

图1 红外监控探头现场安装位置

4.3 节能率

机柜能耗数据监测采用动力环境监控系统，通过开发数据采集接口程序，与动力环境监控系统数据对接，实现对机房机柜能耗数据的实时监测。节能率计算方法如下。

加装氟泵的空调具有“双擎三模”工作模式（压缩机与氟泵两个动力，压缩机模式、混合模式、纯泵模式），充分利用自然冷却。压缩机模式是指室外温度＞20℃、混合模式是指室外温度为10℃～20℃、纯泵模式是指室外温度＜10℃。测试期间系统分别采用“压缩机模式”“、混合模式”“、纯泵模式”运行，然后以压缩机模式能耗为基准值，三者进行对比，分析计算节能率，公式如下：

S1=（P3-P1）/P3×100%

式中：S1为混合模式节能率（%）；S2为纯泵模式节能率（%）；S3为全年节能率（%）；P1为混合模式小时用电量；P2为纯泵模式小时用电量；P3为压缩机模式小时用电量；X1为混合模式年运行小时；X2为纯泵模式年运行小时；X3为压缩机模式年运行小时。

4.4 空调能效比COP

通过对空调的送回风口使用温湿度记录仪，测试机组送回风的焓差，同时采用矩阵风速仪，在空调回风口处采集风速数据，测算出测试工况下的制冷量，再根据电能计量的能耗，计算出能效比。

能效比计算按以下公式：

式中：COP为制冷性能系数；Q为输出冷量（kW）；N为输入电功率（kW）；h1为回风比焓值（kJ/kg），根据温度和相对湿度查焓湿图；h2为出风比焓值（kJ/kg），根据温度和相对湿度查焓湿图；ρ为空气密度（kg/m3）；V为风量（m3/h）；Vs为风速（m/s）；A为测试截面积（m2）。

5 测试结果和分析

5.1 测试结果

3套加装氟泵节能改造的机组节能率和全年节能率如表1所示。

表1 2#、5#和7#机组测试及计算依据

5.2 综合节能率和空调能效比

本次测试在现场实际运行模式下进行，分别采用“压缩机模式”“、混合模式”、“纯泵模式”运行进行测试。3套机组的综合节能率为18.42%，三种不同模式下的实测能效比分别为2.49、3.64、3.65。

6 结语

通过实测得到以下结论：

①当前工程的氟泵全年节能率在20%左右；

②根据当前数据，估计氟泵模式下室外气温越低节能效果越好；

③若能实现全年的实时冷量监测，可实现更细致的分析。