數據中心節能改造實施途徑

謝 靜

上海郵電設計咨詢研究院有限公司

0 引言

2021年10月，國家發改委發布了《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》，要求到2025年數據中心電能利用效率普遍不超過1.5［1］。

2022 年1 月，國務院發布《“十四五”節能減排綜合工作方案》，要求大力推動綠色數據中心的創建、運維和改造，到2025年數據中心達到能效標桿水平的比例超過30%［2］。

2022 年10 月，工信部發布《關于下達2022 年度國家工業節能監察任務的通知》，組織實施國家工業專項節能監察，推動數據中心基礎設施轉型升級［3］。

國內各地數據中心PUE［4］參差不齊，不少老舊數據中心建設年代久遠，PUE 長期維持在1.7～2.0甚至更高，數據中心節能改造迫在眉睫［5］，亟待探索改造途徑，以形成可復制、可推廣的經驗，打造標桿，制訂標準。

1 數據中心現狀

許多數據中心設備運行效率低，系統可靠性不高，自然冷源利用不充分，控制系統有待優化。目前有相當數量的數據中心，業務層面安全性、政策層面節能性及數字化與國家“雙碳”戰略發展尚有差距。如何對數據中心進行節能改造、遵循何種實施途徑是當前行業面臨的問題。

2 數據中心節能改造原則及目標

2.1 原則

在用機房業務不中斷的情況下進行割接是數據中心節能改造的前提。在此前提下，提高設備可靠性、運行效率、自然冷源利用率，匹配變頻、動態調節等，以實現按需輸出，適應數據中心業務的多樣性和多變性。

技術方面，采用新型機房空調、液冷、機柜式、模塊化、余熱綜合回收等節能技術［6］，利用AI、機器人巡檢等智能控制加強自動化能耗管理，提升整體節能水平，降低數據中心電能利用效率。

2.2 目標

提高基礎設施的可靠性、可用性、可維護性。做到技術安全，產品可靠，施工工藝可控，運行維護有保障［7］。

創新發展，綠色節能，推進高質量改造。節能設備、技術、工藝、運營四個環節緊密協調，提高資源利用率，優化設計、降低施工和運營全生命周期成本，建立全過程管理體系［8］。

3 數據中心節能改造案例

3.1 數據歸納梳理

數據中心為地下1層，地上3層的多層建筑，建筑面積12 000 m2，有7個數據機房，于2011年投產運行，年用電量約2 700萬kWh，年均PUE 2.0左右。

3.1.1 空調冷源

制冷機房有3 臺制冷量為3 516 kW 的離心式冷水機組，冷水機組配置了冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔等附屬設備。設計供回水溫度9 ℃/15 ℃，低溫季采用冷卻塔供冷。冷凍水及冷卻水供回水溫差2 ℃。空調冷源為定頻設備，系統為定流量系統，冷源設備將在2025年逾齡。

3.1.2 空調末端

數據機房采用房間級空調制冷，有冷凍水空調、風冷空調及冷凍水、風冷雙冷源空調三種。空調壓縮機及風機均為定頻，除雙冷源空調外，其它空調設備已于2022年逾齡。

3.1.3 UPS

數據機房服務器的供電均采用UPS，共有UPS 34臺，均為工頻，2023年逾齡。

3.1.4 用電量分析

2022年3月18日至4月12日對設備用電量進行了統計，以計算此段時間PUE及各PUE因子的構成，詳見表1。

表1 設備用電量及PUE因子構成

3.2 分項節能診斷

梳理基礎信息數據，對空調冷源、空調末端、UPS、輔助用電、智能控制五個系統進行分項節能診斷。

3.2.1 空調冷源

空調冷源主要設備均為定頻，冷凍水及冷卻水供回水溫差2 ℃，冷源設備無法根據末端負荷進行動態調整,冷源系統能耗較大；冷凍水供水溫度9 ℃，溫度偏低導致冷水機組能效較低及自然冷源使用時間較短。冷源系統PUE 因子0.355，其中冷水機組PUE 因子0.200，冷卻塔0.016，冷凍水泵及冷卻水泵為0.079和0.059。

3.2.2 空調末端

地下1 層設有1 個數據機房，空調形式為風冷空調；1 至3 層有6 個數據機房，空調形式為冷凍水空調+冷凍水、風冷雙冷源空調，平時主用為冷凍水空調，雙冷源空調作為補充。空調的壓縮機、風機均為定頻，無法根據末端負荷進行動態調整，加之供水溫度偏低，增加了機房側結露和加濕能耗。此外，空調使用已超10年，制冷量衰減嚴重，數據機房空調制冷量遠超設備發熱量，帶來空調末端功耗上升，PUE因子0.406。

3.2.3 UPS

UPS 均為工頻，效率71%～87%，效率低下導致用電損耗增加，PUE因子0.178。

3.2.4 輔助用電

輔助用電系統包括機房照明及物業用電，設備種類繁多，用途多樣，無統一管理及規劃［9］，機房照明PUE因子0.012，物業用電PUE因子0.067。

3.2.5 智能控制

空調、電源智能控制單元不足，無法實現自我管理，借助外部控制系統，如空調群控、動環監控等來實現協同管理能力欠缺，運維精細化管理能力不足。

3.3 方案綜合評估

依據分項節能診斷，對空調冷源、空調末端、UPS、輔助用電、智能控制系統進行方案綜合評估。

3.3.1 空調冷源

冷水機組及冷卻塔機型老舊，進行變頻改造存在效果不理想及對設備損傷的可能性，考慮到冷源系統設備將在2025 年逾齡，立即改造的話效益不佳，可待設備更新時再更換新型變頻設備。預估更新后冷水機組PUE 可降低0.05，冷卻塔降低0.01，水泵降低0.01。

冷凍水、冷卻水供回水溫差2 ℃，水泵溫差小、流量大，循環水泵功耗大，PUE因子0.138。增加水泵變頻裝置，將定頻水泵改為變頻水泵［10］，可降低水泵運行頻率，減小系統流量，加大供回水溫差，降低輸配系統能耗。預估水泵變頻改造后可降低PUE 0.07，投資回報率較高。

根據數據機房實際運行負荷，可逐步嘗試將冷凍水供水溫度由9 ℃提升到12 ℃［11］，提高冷水機組能效，延長自然冷源使用時間，減少機房側結露及加濕功耗，降低空調系統能耗，預估可降低PUE 0.03。

3.3.2 空調末端

風冷空調、冷凍水空調運維規程更新，雙冷源空調作為備機，開啟時間較短，經評估，使用年限可延長至2025 年。風冷空調更新為全變頻氟泵空調［12］，可最大限度地使用自然冷源，全年能效比達到4.50 以上。冷凍水空調更新為EC 風機，根據末端負荷實時調整風機轉速。雙冷源空調壓縮機改造成本較高，不作調整，僅將FC 風機更新為EC風機，根據實際負載動態調節空調送風量。運維中優化機房氣流組織，消除局部熱點，增加機柜空位盲板，減少空調開啟臺數。空調末端系統改造預估可降低PUE 0.17，2025 年雙冷源空調更新后預估可再降低PUE 0.01。

3.3.3 UPS

按照設備運維規程，UPS將于2023年逾齡，到時全部更新為效率在95%以上的高頻機組，預估可降低PUE 0.12。

3.3.4 輔助用電

建立輔助用電節能管理，對各類輔助設施用電統一規劃［13］，如機房照明按單雙月間隔開啟，無人時常關；辦公用電無人時關閉，空調開啟時關閉外窗；電梯群控聯動，減少無效空車運行。節能管理措施的采取預估可降低PUE 0.02。

3.3.5 智能控制

根據設備運行參數及運行趨勢，不斷優化控制系統，進行精細化運維，提高管理效率、設備能效和經濟性［14］。運維策略隨設備更新逐步落實，預估可降低PUE 0.01。主設備更新后，可在已有的空調群控及動環監控的基礎上增加AI控制，進一步優化系統，提高能效，預估可降低PUE 0.02。

3.4 分段實施步驟

確保在用數據中心安全的前提下，依據方案綜合評估，充分考慮設備自身的更新年限及改造收益，有計劃地分段實施，并分析各段PUE。

3.4.1 近期節能改造內容及PUE 分析（2022 至2023年）

改造內容包括：1 至3 層機房冷凍水型空調的更新，1 至3 層機房雙冷源空調EC 風機的節能改造，地下1 層機房風冷空調的更新，冷凍水泵、冷卻水泵變頻改造，冷凍水供水溫度的提高，氣流組織的優化，輔助用電系統管理規章制度的健全。

改造后，對年均PUE進行測算，見表2。

表2 年均PUE測算

綜上，以2021年為基準，全年用電2 711萬kWh，年均PUE 2.018。改造完成后，全年用電2 312 萬kWh，年均PUE 1.69，節能改造費用480萬元，全年節電為：

2 711-2 312=399 萬kWh，電費以0.57 元/kWh計，折合節約電費為399X0.57=227.43 萬元，480/227.43=2.11年收回成本。

3.4.2 中期節能改造內容及PUE 分析（2024 至2025年）

改造內容為將UPS工頻機全部更新為高頻機。

改造后，高頻機效率在95%以上，預計PUE 下降0.12，年均PUE為1.69-0.12=1.57。

3.4.3 遠期節能改造內容及PUE 分析（2026 至2027年）

改造內容包括：定頻冷水機組更新為變頻冷水機組，定頻冷卻塔更新為變頻冷卻塔，冷凍水泵、冷卻水泵更新為變頻水泵，機房雙冷源空調更新，提升智能控制系統，增加AI控制系統。

改造后預計PUE 還可下降0.11，年均PUE：1.57-0.11=1.46。

4 結語

數據中心節能改造總體思路為以規劃為指引、以需求為導向、以經濟評估為決策的客觀依據，改造方案為以整體機樓為單位、以機房為顆粒度、以全生命周期未來業務更新改造為需求的導向。

數據中心的節能改造要因地制宜，一樓一策，圍繞節能和設備的更新換代，做好氣流組織優化，依靠AI 助力精準管理，全面評估方案，為數據中心全生命周期的低碳發展制定完整的改造實施途徑。

1) 數據歸納梳理，包括設備、資源、技術參數、機房溫濕度、能耗、機房管理等基礎信息，對數據“了然于胸”；

2)分項節能診斷，包括信息系統、通風與空氣調節系統、給排水系統、電氣系統、智能控制系統等，對問題“分門別類”；

3)抓住關鍵因素，提出節能改造實施方案，對方案“綜合評估”；

4)優先挖掘現有設備的節能潛力，制定改造分段實施步驟；

5)監測設備及系統運行狀況，評估節能效果，提出進一步的優化措施。