数据中心机房节能技术的应用

杨 玲，王 丽

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

数据中心行业对电力的消耗需求巨大，并呈现持续增长的趋势。为响应国家“双碳”战略，积极采用先进节能技术，提升行业节能水平，有效降低电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值，构建绿色低碳通信网络。中国电信也将贯彻落实党中央、国务院决策部署，大力践行绿色生态发展理念。江苏电信某大型数据中心园区承接了某高等级互联网公司业务需求，分两期建设，并在机房内采用不同的绿色节能技术，以达到降低PUE值的目的。选取两个同等规模的典型机房模块进行对比分析，并得出客观结论。

1 基本概况

该数据中心园区位于江苏省苏州市虎丘区，共规划7个建筑单体，即4个数据中心机楼、1个动力中心楼、1个110 kV变电站及1个综合楼。4号数据中心机楼为4层建筑，建筑面积约20 000 m2，主要作为数据机房及其配套用房。其2～4层为标准层，共12个机房，可以提供约2 000个机柜，单机柜平均功耗为8 kW。某高级互联网公司租用了4号机楼2层、3层、4层共计8个机房，约1 300个机柜，分两期建设。一期建设范围是2层的4个机房（2A、2B、2C、2D）及3层的2个机房（2C、2D），二期建设范围是3层的1个机房（3A）及4层的1个机房（4D）。

2 建设标准

该数据中心机楼各机电配套设备按照《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）A级机房标准、互联网客户机房建设标准进行配套设备方案规划，具体方案按照两种标准中更加严格的标准进行部署，以满足不同客户的使用需求[1]。两个模块机房的主要建设标准对比如表1所示。

表1 机房建设标准对比

3 建设方案

3.1 工 艺

3.1.1 机 柜

2A、3A机房为标准模块机房，分别位于4号机楼的2层、3层，单个模块机房建筑面积约480 m2。2A机房共布置167个机柜，包括163个40 A业务机柜（8.8 kW）、2个管理网机柜（4.4 kW）以及2个光纤配线架（Optical Distribution Frame，ODF）机柜。3A机房共布置182个机柜，包括178个40 A业务机柜（8.8 kW）、2个管理网机柜（4.4 kW）以及2个ODF机柜。

2A、3A机房的机柜数据统计如表2所示。

表2 2A、3A机房机柜数据统计

3.1.2 平 面

2A、3A机房分别采用了不同的空调方案和相同的不间断电源方案，并依据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）A级机房标准与互联网客户机房标准控制间距，合理布局机房内设备平面[2]。

2A机房采用列间空调+封闭热通道，面对面、背对背布置，间距1 400 mm。与此同时，采用列柜方式给机柜供电，双路供电列柜分别安装于列头、列尾，物理隔离。

3A机房采用新型末端热管背板制冷形式，贴近热源直接制冷，面对面、背对背布置，间距1 500 mm。此外，采用列柜方式给机柜供电，双路供电列柜分别安装于列头、列尾，物理隔离。

2A、3A机房的平面布局如图1、图2所示。

图1 2A机房平面布局

图2 3A机房平面布局

3.1.3 走线架

2A、3A机房梁下净高4 250 mm，采用上走线方式，走线架全部采用网格桥架。

2A机房主走线架部署信号双层桥架和电源双层桥架，距地高度分别为2 600 mm、2 900 mm、3 200 mm、3 500 mm。列走线架位于每列机柜的正上方，采用吊杆对顶固定，信号桥架宽400 mm，距地高度为2 600 mm。电源桥架与信号桥架并列设置，双层宽度为 4 00 mm，距地高度分别为 2 600 mm、2 900 mm。空调配电桥架位于信号桥架上方，宽度为200 mm，距地高度为3 200 mm。2A机房的剖面布局如图3所示。

图3 2A机房剖面布局

3A机房主走线架部署信号双层桥架和电源双层桥架，距地高度分别为2 600 mm、2 900 mm、3 200 mm、3 500 mm。列走线架位于每列机柜的正上方，采用一体化模块框架，信号桥架宽400 mm，距地高度为2 600 mm。电源桥架与信号桥架并排布置，分别位于机柜和背板的正上方，宽度为400 mm，距地高度为2 600 mm。空调配电桥架位于混分区的正上方，宽度为 100 mm，距地高度为 2 500 mm。

3A机房的剖面布局如图4所示。

图4 3A机房剖面布局

3.2 电 气

不间断电源系统主要有240 V直流系统、-48 V直流系统、交流不间断电源（Uninterruotible Power Supply，UPS）系统等，包含不间断电源设备和后备蓄电池组。不间断电源系统的配置和选型应结合供电制式、建设等级、客户需求、高效节能等综合考虑。根据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）中A级机房标准及客户建设要求，IT设备不间断电源系统采用2N240 V直流系统。2N容错系统中相互备用的设备布置在不同的物理隔间内，相互备用的管线沿不同路径敷设，符合规范要求。通信设备的空调末端、冷冻水泵需要有不间断电源系统保障，采用1路市电+1路UPS系统为空调末端供电[3]。

3.2.1 IT设备不间断电源系统

2A、3A机房为同一高等级客户机房，为满足客户IT设备的供电需求，均采用6套1 600 A/240 V直流系统及配套蓄电池组，实现双系统双路供电。每套1 600 A/240 V直流系统配置2台整流屏、1台直流输出屏、2组600 Ah/240 V蓄电池组以及2台电池开关箱，单系统（N配置）满载后备时长不低于15 min。本项目采用了环保高功率阀控式密封铅酸蓄电池。

IT设备不间断电源系统配置如表3所示。

表3 2A、3A机房IT设备不间断电源系统配置表

3.2.2 空调末端不间断电源系统

2A、3A机房均为为同一高等级客户机房，为了满足客户空调末端设备的供电需求，均采用1路市电+1路UPS配电方式。空调末端切换，空调配电柜应能实现消防联动功能。2A机房配置2套600 kVA UPS系统（单机），为2层机房内末端空调提供电源保障。3A机房配置2套600 kVA UPS系统（单机），为3层机房内末端空调提供电源保障。每套600 kVA UPS系统（单机）配置1台600 kVA UPS主机、2台交流输出屏、2组500 Ah/480 V蓄电池组以及1台电池开关柜，单系统（N配置）满载后备时长不低于 15 min。

空调末端不间断电源系统配置如表4所示。

表4 2A、3A机房空调末端不间断电源系统配置

3.3 暖 通

数据中心高负荷、高密度以及高显热比的冷负荷需求特性促使制冷系统设备能效不断提升，设备形式多样化[4]。充分考虑自然冷源应用，从而达到数据中心低PUE值要求[5]。

2A、3A机房为同一高等级客户机房，单机柜平均功耗8.8 kW，分别采用不同的空调末端形式，以到达绿色节能效果。针对高等级客户的高功耗机架，标准机房模块可以根据机架功率和客户具体要求排布冷冻水列间空调+封闭热通道形式。列间空调从前部出风，水平吹向两侧的机柜，经过机柜前门并对IT设备制冷后，经机柜后门再回风到空调后部。气体输送距离短，风机电功率小，采用封闭热通道措施能有效优化气流组织，减少混风损失。

列间空调+封闭热通道建设方式的优点包括节约能耗、末端空调紧靠热源、送风与回风路径短、冷量损失少、部署灵活以及建设周期短等，适用于中高功耗机房。与此同时，该建设方式存在一定漏水风险，对产品质量要求较高造价较高。

2A机房列间空调采用单个通道N+X备份，机房湿度采用湿膜加湿与恒湿机独立控制，节能降耗。2A机房空调设备布置如表5所示。

表5 2A机房空调末端设备配置

针对高等级客户的高功耗机架，标准机房模块也可以根据机架功率和客户具体要求排布热管背板空调末端形式，贴近热源制冷。热管背板末端中的液态制冷剂吸收热空气的热量后沸腾并转换成蒸汽状态，蒸汽状态的制冷剂在自身压差作用下被输送至机房外的换热器，并在换热器中重新被冷却成液态制冷剂，回流至热管背板末端。采用热管背板空调，将换热器放置在空调区，同时采用双路接管，水管不进入机房区，氟管进入机房区，确保主机房设备的安全运行。由于此次每列机柜较长，因此对前端和后端合理分区，避免制冷剂分布不均的情况发生。

热管背板建设方式的优点包括无进水隐患、不占机柜位、提高机房出架率以及后期建设灵活等。目前，该建设方式已在江苏电信完成试点工作，但在定制化机房还未大规模应用。参考传统试点机房的建设价格，热管背板建设方式的投资约为普通空调建设模式（地板下送风+冷通道封闭）的1.5倍。

3A机房热管背板采用2N备份，机房湿度采用湿膜加湿与恒湿机独立控制，节能降耗。3A机房空调设备布置如表6所示。

表6 3A机房空调末端设备配置

3.4 智能化系统

2A、3A机房均为客户机房，智能化系统均包含综合布线系统、视频监控系统以及动力环境监控系统。其中，2A机房还包含机房内微模块监控。机房顶面均设置LED平板灯，地面采用防静电环氧地坪，墙面采用白色无机涂料。

3.5 建设方式性能对比

两种空调末端节能建设方式的性能对比如表7所示。

表7 两种空调末端节能建设方式的性能对比

4 建设投资及节能效果

4.1 建设投资

2A、3A机房建设投资如表8所示。

表8 2A、3A机房建设投资对比

4.2 节能效果

局部 PUE（partial PUE，pPUE）是对数据中心PUE的延伸，主要针对数据中心的局部区域进行能效评估，计算公式为

式中：PN代表局部非IT设备的能耗；PIT代表局部IT设备的能耗。

根据式（1），2A机房的PPUE=(2.5×35+8.8×167)/(8.8×167)=1.06，3A机房的PPUE=(0.2×182+8.8×182)/(8.8×182)=1.02。由此可见，采用热管背板技术的机房局部PUE略低于采用列间空调+热通道封闭技术的机房。

5 结 论

综上所述，针对高等级客户机房，当单机柜功率为6～12 kW时，可以采取列间空调+热通道封闭或者热管背板技术。相比列间空调+热通道封闭技术，采用热管背板技术的造价更低且节能效果更优。