数据中心关键节能技术措施测试验证

谢静 王颖 姚志强

上海邮电设计咨询研究院有限公司

0 引言

数据中心作为新一代信息通信技术的重要载体，已经成为数字经济时代的创新中心和能力底座，具有空前重要的战略地位。2020 年12 月，中央经济工作会议将“做好碳达峰、碳中和工作”列为 2021 年八项重点任务之一，短期内数据中心节能减排是“碳中和”政策的重点[1]。上海已搭建“数据中心在线能源审计平台”，通过数据接口掌握用能情况，对现有数据中心实施达标监测和节能挖潜[2]。

在确保安全的前提下，立足上海气候特征，结合数据中心的负载变化，运营模式及能效情况，通过对典型数据中心的测试验证，不仅可以积累大量节能技术样本数据，为后续方案编制及能耗优化提供数据支撑[3]，而且厘清了现有数据中心实际运行的问题，便于制定科学的运维策略，建立绿色管理体系[4]。

总结归纳具有可复制的关键节能技术措施，继而进行有序的规模推广，提升现有数据中心能效水平，最大限度降低存量市场的能源消耗，以实际行动为“双碳”工作做出积极贡献。

1 测试验证原则及目标

测试验证原则：对现网运行影响程度最小，数据设备负载稳定，各系统运行正常，具备测试验证可行性并有一定代表性的典型数据中心[5]。

测试验证目标：通过对定性理论进行定量的测试验证，为今后制定针对性的节能措施和节能目标，推广数据中心关键节能技术措施的应用，做好样本积累和数据支撑。

2 测试验证内容

2.1 提高冷冻水供水温度

2.1.1 测试验证要求

数据中心大多运行在部分负荷下，冷水机组设计供水温度有一定提升空间。在确保安全运行的前提下，根据机房的实际 IT 负载，可提高冷冻水供水温度设定[6]。冷冻水供水温度设定为 9 ℃、1 0.5 ℃、1 2 ℃，测试验证对冷水机组运行参数及系统总用电量的影响。

2.1.2 测试验证数据

测试数据中心建筑面积 18278 m2，地上四层，建筑高度24.3 m。一层为变配电室、制冷机房、网管监控室、会议室等配套用房。二层至四层为主机房及其配套电力室，主要功能为数据机房。

空调冷源系统设计工况为3 台冷水机组（2 用 1备）进行供冷，目前开启一台冷水机组，I T 负载平稳。冷水机组供水温度分别设定为 9.0 ℃、1 0.5 ℃、1 2.0℃，对冷源系统的相关运行数据进行了记录，详见表 1（湿球温度14 ℃）。

表1 提高冷冻水供水温度

2.1.3 测试验证结论

当冷冻水设定供水温度为 9.0 ℃、1 0.5 ℃、12.0 ℃，冷水机组COP 值分别为11.9、1 2.5、1 3.2。供水温度每提高1.5 ℃，冷水机组 COP 值提升5%左右，冷水机组输出功率及电流百分比均相应下降，冷源系统用电量下降2%～3%。

2.2 调整水冷末端空调运行方式

2.2.1 测试验证要求

风机轴功率与转速三次方成正比。对于冷冻水空调，理论上降低空调风机转速能显著降低末端空调能耗。为验证理论分析的实际效果，通过调整微模块水冷末端列间空调风机转速、水阀开度设定，在不影响机房安全运行的前提下，将列间空调风机转速降低、水阀开度增大，减小冷冻水供回水管道旁通阀门开度，减少旁通流量，测试验证对微模块 pPUE（微模块 pPUE：数据中心微模块总能耗与微模块内IT 设备能耗之比）的影响。

2.2.2 测试验证数据

测试数据中心建筑面积为 11976.58 m2，地上二层，建筑高度14.6 m。一层主要有变配电间、电力电池室、泵房、制冷机房、油机室。二层主要有微模块机房、网络机房及监控室，主要功能为数据机房。

测试数据中心末端制冷采用微模块水冷列间空调，水阀开度 30%、风机转速80%为设定1 运行方式。水阀开度100%、风机转速50%为设定2 运行方式。对空调系统相关运行数据进行记录，详见表2（湿球温度约16 ℃）。

表2 调整水冷末端空调运行方式

2.2.3 测试验证结论

当冷冻水列间空调运行方式由设定1 调整为设定2，冷冻水旁通阀开启度为 0，列间空调回风温度提高2 ℃，微模块pPUE 值降低0.03～0.04。

2.3 延长自然冷源利用小时数

2.3.1 测试验证要求

提高冷冻水供水温度及启用冷水机组+板换联合制冷模式，测试延长的自然冷源利用小时数[7]，验证各模式下冷源系统运行状态及空调系统节能效果。

2.3.2 测试验证数据

测试数据中心建筑面积15356 m2，地上三层，建筑高度20.6 m。一层为变配电室、制冷机房、备品备件室、运维机房等配套用房。二层至三层为主机房、配电室、电池室，主要功能为数据机房。

测试数据中心设计工况为冷源系统采用 3 台冷水机组（2 用 1 备）进行供冷，设计冷冻水供水温度为9 ℃，目前开启一台冷水机组，I T 负载平稳。冷源系统运行模式有冷水机组制冷模式、过渡季冷水机组 +板换联合制冷模式及冬季板换自然冷源制冷模式，实际运营中联合制冷模式一直未使用。在保证末端专用空调制冷需求的前提下，冷冻水供水温度由 9 ℃提升至12 ℃，增加过渡季联合制冷模式，调整过渡季联合制冷及冬季自然冷源制冷模式的使用条件。

1）当 7 ℃＜室外湿球温度≤9 ℃时，冷源系统由冷水机组制冷模式切换至过渡季联合制冷模式。

2）当室外湿球温度≤7 ℃时，冷源系统由过渡季联合制冷模式切换至冬季自然冷源制冷模式。

3）当室外湿球温度＞9 ℃时，冷源系统恢复冷水机组制冷模式。

详见表3。

表3 延长自然冷源利用小时数

2.3.3 测试验证结论

以室外湿球温度10 ℃时冷水机组运行模式为比较基准，冷源系统冷冻水供水温度由 9 ℃提高到12 ℃，过渡季联合制冷模式日均节电约2381 kwh，冬季自然冷源制冷模式日均节电约6252 kWh。

以测试年 2020 年上海湿球温度为例，当冷源系统供水温度提升至12 ℃，过渡季联合制冷模式使用天数26 天，冬季自然冷源制冷模式使用天数40 天，合计自然冷源利用天数为 66 天，自然冷源利用小时数为1584h。测试验证前冷冻水供水温度为9 ℃，冬季自然冷源制冷模式使用天数为24 天，自然冷源利用小时数为576 h。测试验证前后对比，延长自然冷源利用小时数 为 1008 h，则 综 合 节 电 2381×26+6252×(40-24)=161938 kWh。

2.4 有源滤波设备对能耗影响

2.4.1 测试验证要求

冷源系统的主要设备如冷水机组、水泵、冷却塔等均为变频设备，变频器在逆变过程中，输入输出回路均会产生谐波。有源滤波设备可以有效减少变频器谐波对供电系统、负载及其它邻近电气设备产生干扰，保护用电设备及元件。通过测试启闭有源滤波设备对冷源配电系统前后级能耗的影响，验证有源滤波设备对节能降耗的作用。

2.4.2 测试验证数据

测试数据中心建筑面积13600 m2，地上二层，建筑高度13.5 m。一层为变配电室、制冷机房、消控室、气消钢瓶间等配套用房。二层为微模块机房、核心机房，主要功能为数据机房。

测试数据中心有源滤波设备启闭前后能耗情况对比，详见表4。

表4 有源滤波设备对能耗影响

2.4.3 测试验证结论

冷源配电后级系统在启闭前后瞬时电流上升1.52%。冷源配电前级系统启闭前后瞬时功耗，在不同配电层级均有上升，高压配电柜功率上升6.72%，低压配电柜功率上升6.76%，低压配电柜至冷源配电间输出柜功耗上升 17.08%，冷源配电间进线柜功耗上升7.42%，其中低压配电柜至冷源配电间输出柜这一级，上升最为明显。经测试验证，有源滤波设备在谐波治理的同时，对能耗有一定程度改善。

3 测试验证总结

1）提高冷冻水供水温度。根据实际IT 负载及空调系统配置，在确保末端空调能够有足够制冷能力前提下，适当提高冷冻水供水温度设定值，可显著降低冷源系统的运行功耗。提高冷冻水供水温度，对于部分负荷运行的数据中心，具有广泛的推广意义。

2）调整水冷末端空调运行方式。水冷空调末端应采用热备份运行模式，以降低单台空调风机转速，空调风机转速降低，末端空调系统能耗可大幅下降。调整水冷末端空调运行方式，是配置有备用机或制冷量、风量有裕度的数据中心均可以采用的节能手段。

3）延长自然冷源利用小时数。根据IT 负载变化，合理调整冷冻水供水温度，确定过渡季联合制冷及冬季自然冷源制冷模式的室外阈值温度，可有效的延长自然冷源利用小时数，对降低数据中心全年PUE 值及节约能源消耗意义重大。

4）有源滤波设备对能耗影响。有源滤波设备可实现动态跟踪补偿，不仅可以改善用电质量，提高电压稳定性，而且有效的降低谐波电流，对各级配电系统能耗均有不同程度的降低，具有一定的节能。