基于精密采集平台的数据中心能耗研究

2022-11-17马宇婧

江苏通信 2022年5期

刘金李剑赵龙姚远马宇婧李同

中国电信股份有限公司南京分公司

0 引言

中国电信南京（吉山）云计算数据中心位于江苏省南京市江苏软件园，用地规模186亩，总规划建筑面积30.6万平方米，是江苏电信四大DC区域之一，吉山数据中心园区积极应用绿色低碳和数字化运维管理技术，采用中高水温中央空调系统、机房使用一级能效变频水泵、80%的机房采用水冷列间及热管背板式末端空调，由冷冻水直接进入机房换热，减少中间损耗，完善管理，提供节能手段，实时显示各系统及主要耗能部件的能源使用情况。通过能耗分析及时发现节能盲点，有针对性地提升节能水平。在提高电能利用效率、降低能耗等方面采用多种技术有效措施，并获评“2021年国家绿色数据中心”称号。

数据中心的中央空调系统在为IT机房提供适合要求的空气环境的同时，也带来了巨大的能耗，中央空调系统的配置和布局都是以空调负荷为依据的，由于受天气、机器负荷和环境条件等影响，负荷具有时变性特征，因此具有较大可调而节能空间。中国电信南京（吉山）云计算数据中心通过建立精密采集平台，优化能耗监测手段及系统功能，实现对数据中心各运行环节能耗的准确采集。利用大数据分析技术，建立并实施中央空调系统最佳运行方案，提高运行效率。

1 研究描述

本研究主要测量吉山云计算数据中心的1#楼1层冷冻站、3层、顶楼冷却塔用电量，测量中压系统1层、3层变压器进线柜用电量、低压配电系统进线柜用电量、低压配电柜主用配电开关用电量、UPS输出屏下挂设备用电量、冷冻泵用电量、冷却泵用电量、冷却塔用电量、动环设备用电量。精密采集平台的数据采集点位示意图如图1所示，通过采集点位信息，计算中央空调系统用电量、IT设备用电量及楼层总用电量。

图1 数据采集点位示意图

2 研究实验概况

吉山数据中心1#楼中央空调系统共安装了6套集中水冷空调系统（5用1备），每台制冷量约为900RT。机房空调末端和冷冻水泵都配备UPS系统，满足市电全断情况下仍能实现15分钟持续供冷。机房内冷冻水管路采用A/B路，2N完全备份的方式，即若A路出现故障时，可由B路全部带载。

2.1 不同冷水主机水温测试

改变冷水主机冷冻水供水温度，针对吉山数据中心1#楼进行能耗精密采集，中央空调系统设备运行状态如表1所示。

表1 不同冷水主机水温测试时中央空调系统设备运行状态

因吉山数据中心1#楼冷水主机设计时选用冷冻水供回水温度为10/16℃，冷却水供回水温度为32/37℃，改变冷冻水供水温度时，通过精密采集平台测试中央空调系统、3层IT负载及末端空调的运行情况，研究实验数据汇总于表2所示。

表2 改变冷水主机水温时研究实验数据

根据实验数据可知，当环境温度处于10-15℃时，开启3台主机及4台冷却塔，末端空调送回风温度为26℃/28℃，综合考虑中央空调系统、末端空调及IT设备时，冷冻水供水温度为12℃时相较于10.5℃运行工况，每小时可节省265kWh；当环境温度处于15-22℃，开启3台主机及4台冷却塔，综合考虑中央空调系统、末端空调及IT设备时，冷冻水供水温度为12℃时相较于10.5℃运行工况，每小时可节省185kWh。

2.2 冷却塔不同台数及运行频率测试

冷却塔不同台数及运行频率测试时，针对吉山数据中心1#楼进行能耗精密采集，中央空调系统设备运行状态如表3所示。

表3 冷却塔不同台数及运行频率测试时中央空调系统设备运行状态

冷冻水供回水水温为12/15.5℃，调整冷却塔运行工况，通过精密采集平台测试中央空调系统、3层IT负载及末端空调的运行情况，研究实验数据汇总于表4所示。

表4 改变冷却塔运行台数及频率时研究实验数据

结合研究实验所得数据，通过折线图进行对比分析冷却塔不同运行工况时能耗情况，如图2所示。

图2 冷却塔不同运行工况时能耗情况

根据实验数据可知：（1）调整冷却塔的运行频率及台数，冷却水供回水温度改变，开启冷却塔台数相同时，随着频率的减小，冷却水供回水温度提升且供回水温差减小；开启台数增多时，冷却水供回水温度降低，且供回水温差增大；（2）当环境温度为15-20℃、湿度约30%时，开启3台主机，4台冷却塔，冷却塔频率为43Hz时在当前测试条件下为最佳节能效率组合；（3）当环境温度为20~26℃、湿度约45%时，开启3台主机，4台冷却塔，冷却塔频率为45Hz时在当前测试条件下为最佳节能效率组合；（4）当外界环境温湿度不同时，冷却塔运行频率因随之进行调整。根据同等工况下不同冷却塔的实时功率可知，目前吉山数据中心1#楼的3#冷却塔实时功率较低，6#冷却塔实时功率较高，可针对其进行检查皮带、风机轴承、填料等。

2.3 冷却泵不同运行频率测试

改变冷却泵不同运行频率测试时，针对吉山数据中心1#楼进行能耗精密采集，中央空调系统设备运行状态如表5所示。

表5 冷却泵不同运行频率测试时中央空调系统设备运行状态

冷冻水供回水水温为12/15.5℃，调整冷却塔运行工况，通过精密采集平台测试中央空调系统、3层IT负载及末端空调的运行情况，研究实验数据汇总于表6所示。

表6 改变冷却塔运行台数及频率时研究实验数据

中央空调系统总能耗（kWh） 496 592 622中央空调系统+3层IT+末端（kWh） 815 914 950

根据实验数据可知：（1）当冷却泵频率下降时，冷却泵和冷却塔的能耗减小，但冷水主机及冷冻泵的能耗增大；（2）当环境温度为10~15℃时，综合考虑中央空调系统、末端空调及IT设备时，冷却泵频率为45Hz时较为节能，每小时可节约39kWh，相比35Hz每小时可节约30kWh；（3）当环境温度为15~22℃时，在开启3台主机的情况下，依然是冷却泵频率为45Hz时较为节能，相比35Hz每小时可节约135kWh，比10-15℃时节能效果更明显。

2.4 板换与冷水主机运行对比测试

当外界环境温度降低且机楼负载满足板换开启条件时，吉山数据中心1#楼进入纯板换运行状态，对比冷水主机运行状态，针对吉山数据中心1#楼进行能耗精密采集，中央空调系统设备运行状态如表7所示。

表7 板换与主机对比运行时中央空调系统状态

对比主机运行状况为冷冻水供回水水温为12/15.5℃。通过能耗AI监测系统测试使用板换时中央空调系统的运行情况。

表8 板换与主机对比运行时研究实验数据

从数据分析可知在冬季条件下，综合考虑中央空调系统、IT设备及末端空调时，纯板换运行工况时每小时耗电718kWh，水温设置为12.0℃时每小时总耗电986kWh，相较之纯板换运行时每小时可节约268kWh。且参考南京地区全年每月平均气温，在室外环境温度（干球温度）低于10℃时，吉山1#楼开启板换运行状态，共计全年约1440小时，则可节省385920kWh，年节省电费约23.16万元。

3 运维建议指导

中央空调系统各设备运行状态参数的改变，不仅会对此设备的能耗产生影响，同时也会引起其他设备的能耗变化，因此，在分析中央空调系统运行状态时，需综合考虑各设备能耗之和，以达到整体最优运行。

综合对比各项实验中所获得数据，当冷却泵开启3台40Hz、冷冻泵开启3台47Hz及冷却塔开启4台45Hz时，且负载情况维持一致，对比开启2台和3台冷水主机的功耗情况，虽然冷水主机总能耗增加了135kWh，但针对整套中央空调系统而言，开启3台冷水主机时总能耗相较开启2台冷水主机的总能耗减少221kWh。开启冷水主机的台数与整套中央空调系统的能耗并无正比例关系，在中央空调系统运行过程中，随着冷水主机开启台数的变化，冷却塔、冷冻泵及冷却泵的能耗会随之产生变化，因此在日常运行维护过程中，现场需结合负载实际情况、冷水主机型号及出厂测试报告，将冷水主机的带载率控制在最佳范围内，即变频机组在负载率为60%~70%时COP（主机能效比）最高，定频机组在负载率为80%~90%时COP最高。

对比分析冷却泵不同频率运行时，中央空调系统总能耗可知，冷却水泵开启45Hz频率运行相比40Hz和35Hz更为节能；另外，根据实验结果数据分析，中央空调系统总能耗在冷却泵频率为40Hz和35Hz时若外界环境温度不同，能耗大小会产生变化，环境温度为11~12℃时冷却泵35Hz相较40Hz更节能，环境温度为20℃时冷却泵40Hz相较35Hz更节能，因此，在数据中心建设中，尽可能选择变频水泵，且将功率参数尽可能满足整栋楼的供水需求，若因某些客观因素无法调节冷却泵频率为45Hz时，从而可根据客观条件结合数据中心运行情况改变冷却泵的运行频率，也可取得一定节能收益。

冷却塔的能耗受外界环境及设备配件影响程度较大，在数据中心运行的过程中，需及时调节冷却塔运行频率，针对磨损严重的配件要进行检查更换。

冬季时，在保证数据中心安全运行的条件下，尽可能开启板换运行，可结合建设条件，开启板换和主机联合运行模式或纯板换运行，对降低数据中心的PUE有较好的成效。

4 研究成果

4.1 效益测算

吉山数据中心1#楼目前负载7980kW，上架率为73.7%，中央空调系统开启3台冷水主机，主机负载率约53%，尚未达到最佳效率区间，但基于精密采集系统平台的测算，开启3台主机比2台主机更为节能，故日常维持3台主机运行。随着机楼负载和上架率的增大，主机的COP会更高，整个中央空调系统的运行节能效益会更为可观。

2021年吉山数据中心园区全年电费1.9亿元（含税），根据各机楼负荷估算1#楼占整个园区的16.9%，则吉山数据中心1#楼全年电费约3218.9万元，则能耗AI监测平台所获效益约占1#楼全年电费的7.7%。