刘细凤
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：文章分析了位于北京和广州的3个大型数据的能耗数据，对数据节能存在的问题分别进行了分析诊断。从设计及运行管理两大方面总结了目前数据普遍存在的共性问题，为数据节能提供了方向。
关键词：数据；节能；能效
0引言
近年来随着国家对于信息化工作的重视,作为信息化基础设施的数据快速发展。我国数据建设的数量多，建设质量也在世界上处于靠前，主要采用了世界上较好的IT设备，较好的制冷设备，较好的空调，较好的控制系统。但是衡量运行水平的重要指标PUE却未达到水平，差距还不小。中国制冷学会于2017年对上海市20家拥有500个机架的数据进行了评测，大部分数据的PUE分布在1.6-2.3范围内。中位值是1.80，平均值为1.97。距离《“十三五"国家信息化规划》中提出的到2018年大型数据年PUE不高于1.5的要求差距较大。
不同的数据存在不同的问题，也有其共性的问题，这些问题在业内中已有资料反映。文章结合近期调查的数据为例，总结存在于节能运行中的共性问题。
1北京某IDC数据
1.1工程简介
该数据建筑面积20000㎡，在6B#大楼地下室建有冷冻机房。配置4台离心式冷水机组、4台冷却水泵、4台冷冻水泵，室外地面建有16台冷却塔；机房空调为水冷及风冷两种空调系统，空调面积约6000㎡。机房内未设置冷热通道。
为分析数据的能效，文章对数据的能耗和冷水机组的COP进行了一年的监测记录，并同时对运行管理措施及方法进行了访谈，对冷冻水系统的水温变化进行了全程追踪测试。
1.2能耗分布与PUE
根据约一年的实测数据，该数据的能耗分布和PUE见表1,年PUE为1.8。对处于寒冷地区的北京，PUE值偏高。
1.3数据分析
根据能耗分项数据，可以定量计算出空调系统各环节的相对关系，并进行其合理性评价，见表2。
1.4主要存在的问题
根据能耗数据、访谈情况以及水系统状态参数的测试结果，该数据的问题主要为：
1）主机效率偏低。主机效率(COP值)小于4.0。2019年7月16日测试期间，冷机冷却水进出口温度3O.3℃/32.6℃,冷冻水出水温度7℃，负载百分比为71%条件下，运行工况与《蒸汽压缩循环冷水机组》(GB/T18430.1—2007)规定的额定条件十分接近。此条件下，主机COP应达到5.5。但主机效率仅为4.0，距离5.5还有不小差距。其原因与冷冻水的水质、机组维护等因素有关。冷却塔填料结垢严重，未及时清洗，使得冷却水温度偏高。
2）水泵的能耗占比过高。设计状态下，水泵的总能耗(含冷却塔)应当只有主机的30%，实际使用中却达到62%。冷水机组的防冻水温差、冷却水温差均只2℃，说明水流量偏大，水泵应可以减少流量。同时测试得到的水泵效率只有50%。
3）分水器与集水器之间存在水量旁通。根据现场测试，末端机房内水冷空调的进出口温度一般为7℃/14℃，温差达到7℃以上。但冷冻站集水器内的温度却为8.8℃。说明分集水之间存在大量的混水，供应到用户的水量不足。
4）机房内空调能耗过高。空调的能耗比冷水机组能耗还高。一般末端空调能耗应控制在空调系统总能耗≤25%以内，现已大大超出这一比例。按照冷冻机供冷量能力计算，2台冷水机组全部开启时，机房内的风冷空调可以关闭，但机房内所有风冷空调仍然全部开启使用。风冷空调的使用补充了部分冷量，却消耗了大量的电力。
导致风冷空调开启的原因包括:机房内温度分布不均，有的机房不同地点温差相差10℃，存在局部热点。局部热点的存在，拉低了房间整体温度，加大了供应能力需求。同时由于供应到水冷空调的水量不足，使得水量空调的供冷量不足，因而风冷空调不得不开启。
5）机房内采用漫灌式气流组织，没有设置气流冷热通道。送回风温差小，只有3℃，加大了送风输送能耗。
6）缺少智能化管理手段。虽然有动力环境监测系统，但缺少节能管理的智能化控制系统，也没有统一集中的能耗数据监测系统，使得管理人员对设备运行状况无法细致了解。运维人员的主要精力放在保平安运行上。
7）未利用自然冷源。北京地区冬季自然冷源资源丰富，但未采取任何技术措施加以利用。
表1北京某IDC数据能耗数据
表2北京某IDC数据分项能耗情况
2广州某云计算数据
2.1基本情况
广州某云计算数据位于广州市萝岗区。数据的空调面积约35000㎡(其中一期15000㎡)。建筑9层，其中数据机房位于3、4层。
数据采用集中冷源，冷冻站位于大楼1层，设有4台离心式冷水机组、1台螺杆式冷水机组，配有5台冷却水泵、5台冷冻水泵，5台冷却塔位于5楼屋面。
机房内设有水冷空调机组，通过静压箱送风，共78台空调机组。机房内气流分设冷热通道。空调系统日常管理采用手动管理，缺少自动控制平台。除配电房有主要回路的电能监测外，对于能耗监管缺少分项计量，不能进行细化分析。
2.2能耗分布及PUE
采用瞬时电量进行PUE计算，其值为1.77。数据基础设备设施(暖通空调)的功率总和为1099kW，占数据总耗电的44%，见表3。
2.3PUE评价
数据的电气损耗为466kW,达到数据总能耗的13%。变压器损耗6%，UPS损耗12%、列头柜配电系统损耗7%，这部分的损耗较大，应在电气管理和设备配置上改进。
暖通空调系统中冷机电耗占51%、空调为26%、水泵+冷塔为21.4%。暖通空调系统内部占比较为合理。但能耗总体比例仍然较高，具有调节改善PUE的空间。
2.4存在的主要问题
1）冷水机组效率未达标。《公共建筑节能设计标准》(GB50189—2015)中4.2.10节要求电机驱动压缩机的蒸气压缩循环冷水(热泵)机组，在额定制冷工况和规定条件下变频离心式冷水机组性能系数(COP)不应低于5.5。而现有机组平均能效系数为5.10，也未达到5.5。在机组运行工况优于额定工况的条件下，仍不满足节能要求。根据访谈介绍，机组每年清洗2次，进行机组水质维护，水质应无问题。应当是机组运行工况不合理造成。
2）冷却水泵的效率低。冷却水泵的效率只有约45%，与设计要求的70%差距较大。冷却水泵的额定扬程30mH₂O,但实际扬程只有15mH₂O。水泵扬程配置过高，偏差较大。冷却塔投入使用时间为2017年,设备状态良好。冷却水出口温度与空气湿球温度差值约为2.3℃。冷却塔效率较高。
3）机房空调开启台数过多。机房空调能耗占暖通系统能耗30%以上，表明空调运行不够合理。现在空调全部开启，没有按照回风温度进行控制。
4）缺少智能化管理手段。虽然有动力环境监测系统，但缺少节能管理的智能化控制系统，也没有统一集中的能耗数据监测系统，使得管理人员对设备运行状况无迭细致了解。运维人员的主要精力放在保平安运行上，缺少冷水机组、水泵、冷却塔的节能运行策略。
表3广州某云计算数据分项耗电情况
3广州某数据
3.1基本情况
该数据位于广州市内，分为1#楼和2#楼，于2009年建成使用。均采用集中式冷水机组进行供冷。
1#机楼：该数据1层冷冻站设有2台特灵螺杆式冷水机组，配有3台冷却水泵、3台冷冻水泵，屋顶天台设有1台蒸发式冷凝螺杆机、2台冷冻水泵、2组冷却塔；机房均采用上送风、侧回风的气流方式。
2#机楼：该数据1层冷冻站由1期及2期合并组成，1期制冷设备为2台约克螺杆机组及配套的3台冷冻水泵、3台冷却水泵、1组冷却水塔；2期制冷设备为2台约克离心式冷水机组及配套的3台冷冻水泵、3台冷却水泵、2组冷却水塔；2#机楼调研的数据机房是2至7层的数据机房；其中4层401/402机房采用上送风、侧回风的气流方式，其它机房均采用地板式机柜送风，上回风加侧回风的气流方式。
整套制冷系统无BA自控系统，所有制冷设备运行模式需人工操作，也缺少能耗计量系统。
3.2能耗分布及PUE
该数据的能耗种类均为电力。通过短期测试获得1#机楼和2#机楼的电耗分布。表4、表5给出了1#机楼的具体耗电数据。
3.3PUE评价
1#机楼和2#机楼的短时PUE为1.76-1.86，由于测试在冬季进行，机组处于有利的运行条件，全年PUE值一定高于现有PUE值，说明该数据的能效水平较低。
其中UPS和HVDC的负载率低，损耗过大，达到总能耗的约11%。水泵能耗占冷水机组能耗的50%；空调的能耗则与冷水机组的能耗相当。说明整个制冷系统效率较低。
3.4存在问题
1）UPS和HVDC的负载率低，造成损耗过大。UPS和HVDC的损耗达到总能耗的约11%。HVDC普遍负荷率平均在35.50%，UPS平均负荷率为24.86%。
应启动高压直流的休眠睡醒功能，根据设定，让HVDC整流模块关闭休眠不必要开启的整流模块，可以大大降低HVDC的损耗。建议在80%~90%启动模块睡醒功能,30%~40%启动模块休眠功能，设置48h休眠模块与运行模块轮换一次。
减低UPS损耗，若UPS的负荷量低于25%时，可以关闭1台UPS，这样就可以降低1台UPS的损耗量。
2）冷却塔冷却效果不佳。冷却塔的逼近度过大，在冬季室外湿球温度13℃时，逼近度达到12.5℃，冷却水塔的填料有损坏以及表面结垢现象较为严重，应更换及定期清洗，可提高冷塔冷却能力。
3）水系统水质较差。水系统维护不及时，导致水质较差，影响冷水机组效率。应定期进行水质的清洗和维护。
4）末端空调开启过多。机房内空调全部开启，没有根据机房内的实际热量进行送风的调节，送风温差小，送风效率低，送风能耗高。
5）水泵未变频运行。水泵定频运行，供水量偏大，使得输送能耗较高。
6）采用漫灌式气流组织，气流旁通率高，冷空气未送到机柜内部,严重影响送风效率。
7）缺少节能管理手段及运行策略。缺少对室内外环境使用条件、设备状态和运行效果的监测，全靠手工粗放式运行，节能效果差。
表41#机楼总体能耗
表51#楼空调系统能耗分布
4数据节能存在的主要问题
通过以上案例及各地其它数据的能耗情况，可以看到有些问题普遍存在于目前的数据中。
4.1系统设计方面
数据设计在产品选型、系统性与可靠性设计上都满足了国家节能设计要求和专业设计要求，但设计的精细化程度不够。为了保障，选用设备时富裕系数较大，但运行效率偏低。
1）水泵的选型普遍偏大，导致水泵实际工作状态点偏离高效区，水泵运行效率较低。大多数只在50%左右。
2）水管路系统设计粗犷，没有进行细致设计计算，水路流量分配不满足预期要求。有些空调的水流量严重不足，水温差达到6℃~8℃以上。
3）一些早年建成的数据的冷热通道没有严格分开设计，导致送风气流短路。不仅影响送风效率，也影响了机房空气温度，恶化了运行环境。
4）多数数据没有设计自然冷却系统，没有充分利用自然资源。实际上由于数据需要全年冷却，在我国大部分地区(除广东、福建等少数地区)都可使用自然冷源。而利用自然冷源是目前降低能耗的有效措施。
5）没有建成能耗分项计量系统。使用者对于能耗的分布不清楚，对能源效率无从知晓。
6）控制系统缺乏有效的调节策略。控制系统智能程度低，仅仅支持泛泛的启停控制等。在控制策略设计时，缺少空调专业的支持。
7）选配的电气设备容量偏大。UPS的使用容量低，导致损耗多。变压器也存在同样问题，使得使用效率低，损耗严重，电气设备损耗占总能耗的10%左右。
4.2运行管理方面
调研结果表明，运行管理方面存在的问题更多，在每一个环节都会出现问题。
运行管理部门始终把数据的运行摆在前面 ，往往强调，而忽视了节能，导致许多节能措施不敢使用，这是阻碍节能管理水平提高的重要原因之一。实际运行中应把握好与节能的关系。通过了解风险因子，了解节能措施的影响程度，可以加深对生产和节能技术的科学认识，在可控的前提下，加强节能运行管理。
1）设备维护不及时
冷却水系统、冷冻水系统的水质没有严格的质量管理。尽管多数单位有专业的水质维护，但水质的质量管理形同虚设，没有明确的考核检查标准。冷却塔填料结垢十分普遍，也没有及时清洗。
冷水机组的实际运行效率与机组标称值之间相差较大，冷水机组运行效率有待提高。风冷空调系统也需要及时维护保养，但许多数据缺少对空调的专业养护，使得运行效率逐年下降。
2）管路及附件维护不到位，疏于操作
水路上的阀门不管是手动还是自动模式，普遍存在关闭不严现象，导致水流旁通。不仅浪费水泵功耗，还降低了机房空调制冷量。温度与压力计量仪表多数不能使用，形同虚设。
台数切换时对应阀门也需进行切换，但由于加大了操作人员的工作量，一般不会落实这项操作。
3）粗放式运行管理
无论是否需要，机房内空调全部开启运行，使得精愛空调的能耗与冷水机组能耗相当，大大超出送风系统的能耗标准。
数据都设计安装了水系统变频设备，但是实际运行未落实，不能根据水系统温度的变化进行变流量运行。水系统输送能耗约占冷水机组能耗的50%以上，不能随主机负荷随动调节。
冷水机组的启停数量也是*经验化运行，机组台数的选择缺乏依据，机组不能在高效区运行，使得机组运行效率不高。冷水机组的供水温度没有随着室内负荷变化进行调节，基本全年恒定温度运行。
机房内温度设置偏低。强调运行的性后，使机房内回风温度较低，如有的机房要求保持在22℃左右，这样冷水机组出水温度一直压低在7℃，自然冷却的空间也大大压缩。
以上这些因素交织在一起，往往造成数据的能耗居高不下。
5安科瑞为数据提供的电力监控解决方案
5.1配电管理解决方案
AMC系列数据配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现绿色IDC提供可靠保证。
5.1.1交流系统
1）功能要求：
遥测：输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度；输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，缺相,过流，输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
2）配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表PZ72L-E4
电流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
5.1.2直流系统
1)功能要求
遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
2)配置方案-示意图
配置方案
多功能仪表PZ72L-DE
霍尔传感器AHKC-F-XXA/5V
开关电源SBD-30（48V）
产品规格
说明：■为标配功能。
配套附件
配套附件
5.2AMB智能小母线管理系统
数据小母线系统是数据末端母线供配电系统的俗称。近年来，随着数据建设的快速发展和更高需求，智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中，具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点，即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块，将数据上传至动环监控。
1）交流系统功能：
遥测：三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度，系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率；
遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；
2）直流系统功能：
遥测：电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率；
遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；
产品介绍
说明：■为标配功能。
参考文献：
【1】张晟，李超，梁刚强，顾砒，龚延风.数据机房节能运行现状与问题分析
【2】钟聪睿.互联网数据(IDC)机房总体规划中的节能设计研究信息通信，2016(8):241-242
【3】卜东洁，王克勇，潘俊等.数据机房升溫的研究[J].建筑节能，2015(5):31-33
【4】安科瑞数据IDC配电监控解决方案.2020.03版
笔者简介：
刘细凤，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事数据智能小母线监控的应用。
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