山里、海里、草原里
數據中心使盡渾身的解數
只為求得降低 PUE

    PUE，數據中心運行中重要的電能利用效率指標，PUE 值說明了真正用在 IT 設備的能耗有多少，成為事實上衡量數據中心能效的 KPI。

縱觀目前典型的低 PUE 數據中心， 都有一個共同特點：高效利用自然冷源，但與此同時，也犧牲了靈活性。這些數據中心建設模式與環境強耦合，全年平均 PUE 在 1.1 左右。

    不是所有的數據中心都能建在海里和山里，那么怎么降低 PUE 呢？有哪些節能措施正在被使用？

    江蘇某數據中心服務器機架由 UPS 2N 系統供電，高低壓配電系統為雙路由供電方式，空調系統為水冷中央空調。數據中心年度總用電量電費為 5180 萬元，其中分類單項用電量見表 1：

表 1-某數據中心類單項用電量

    表 1 中，空調用電包括水冷機組用電和樓層機房風柜用電，水冷機組用電占總量 19.3% 和樓層機房風柜用電占總量 17.7%；UPS 用電包括數據機架用電和 UPS 設備損耗，數據機架用電占總量 54% 和 UPS 設備損耗占總量 6%。數據中心 PUE 值為 5180/2797 = 1.85。以下就數據中心實際使用水冷機組節電措施、UPS 節能措施、LED 照明節電措施的實際效果以及影響 PUE 指標的變化。

水冷機組節電措施
    數據中心空調系統一般是按最大負荷設計安裝，室外環境溫度對空調系統運行影響很明顯。在夏季空調系統運行負荷率就高，在冬季空調系統運行負荷率低，空調系統全年大部分時間運行在非滿載的變動狀態，一年四季和白天與黑夜的環境溫度的變化；還有 IT 負載的能耗和網絡訪問量運行狀態相關，根據 IT 應用的特點，空調系統運行負荷率每天 24 小時都在變化。

    水冷機組用電量占數據中心用電總量 19.3%，數據中心水冷機組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻技術非常重要，節能潛力也比較大。數據中心空調水冷機組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻系統后，經過幾天實際運行測試，節能率達 29.23%，以下表 2、表 3、表 4為實際變頻運行測試數據。

表 2–變頻運行工況實際測試耗電量

表 3–工頻運行工況實際測試耗電量

    數據中心空調水冷機組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻系統后，與工頻相比每年度節電率按 20% 計算，根據表 1 計算，每年節電金額 1000 萬元*20%=200 萬元。

    采用變頻系統后，數據中心 PUE 值=（5180-200）/2797 = 1.78

    即數據中心采用變頻節能技術后，PUE 值指標從原來的 1.85 上升為 1.78。

UPS 節能措施
    數據中心服務器機架供電為 UPS 2N 供電方式。由于 2N 供電方式，日常運行中 UPS 設備帶載率 30～40%；在此帶載率情況下，IGBT 高頻 UPS 實際運行效率在 90% 左右。在整個數據中心用電量結構中，UPS 用電量是最大的，提升 UPS 實際運行效率，就必須降低 UPS 自身損耗。該 IDC 所使用的伊頓高頻 UPS 具備成熟的旁路市電交流直供能力，使 UPS 實際運行效率提升至 99%。

表 5–UPS 不同負載率的運行效率

    UPS 在交流直供模式下正常運行時，通過系統旁路給負載進行供電，而整流、逆變等主回路均工作在在線休眠狀態，此時 UPS 關鍵電氣功率部件 IGBT、濾波電路、電感等都處在無負載電流的“休眠”狀態，主要的機械部件風扇等也處于“休眠”狀態，UPS 自身損耗降低，提升 UPS 實際運行效率。

    針對 UPS 交流直供模式運行的安全可靠性能，我們做了多次可行性測試，測試運行在交流直供模式的 UPS 系統，在遭遇交流輸入供電突然中斷的情況下，是否能保證負載的安全、不間斷供電。以下是測試內容和圖示：

1、斷開旁路市電輸入的測試：此時，整流市電輸入正常。

    測試 UPS 輸出電壓的波動和切換間隙時間的長度。測試結果如下圖所示，輸出電壓波形沒有任何的間斷和沖擊，僅在切換瞬間有微幅度的失真。

2 、斷開 UPS 主輸入的測試：此時，旁路市電輸入正常。

測試中 UPS 輸出電壓的波形沒有任何變化。

3、同時斷開旁路市電輸入和主輸入（整流輸入）的測試：測試 UPS 輸出電壓的波動和切換間隙時間的長度。

測試結果如下圖所示，輸出電壓波形沒有任何的間斷和沖擊，僅在切換瞬間有微幅度的失真。

     根據上述實際測試結果證明，UPS 在帶載情況下的切換間隙幾乎為零，切換過程中不會產生任何的電壓沖擊，因此切換的安全性完全符合現代 T4 機房的供電安全性要求，更低于服務器等網絡負載容許的切換間斷時間。

以下是 UPS 交流直供模式下的實際數據和正常運行模式下的數據：

    UPS 交流直供模式下，UPS 輸出由旁路直供，供電效率接近 100%。

    UPS 正常模式下，實際帶載率為 30%，供電效率為 90%。

    數據中心 UPS 系統采用交流直供模式工作后，UPS 運行效率提升了 9%，每年實際節電量為 3108*9% = 279.7 萬元。

    數據中心 UPS 系統采用交流直供模式工作后，數據中心 PUE 值=（5180-279.7）/2797 = 1.75 。

    數據中心采用變頻節能技術和 UPS 系統采用交流直供模式工作后，數據中心 PUE 值=（5180-200-279.9）/2797 = 1.68。

PUE 值指標從原來的 1.85 上升為 1.68。

LED 照明節電措施
    LED 照明替換原有的熒光燈，節電率可達到 30-40%，而且原有的熒光燈整流器產生熱量比 LED 照明消耗更多空調制冷量，LED 照明光衰和壽命都優于原有的熒光燈。

    數據中心更換 LED 照明后，每年節約電量為 103 萬元*30% = 31 萬元

小結
    數據中心空調水冷機組的冷凍水泵、冷卻水泵采用變頻系統、UPS 系統采用交流直供模式工作、LED 照明替換原有的熒光燈后，數據中心每年節約電費：200+279.7+31 = 510.7 萬元。

    數據中心 PUE 值 =（5180-510.7）/2797 = 1.67，即 PUE 值從原來的 1.85 提升到了 1.67。

其他節能措施使用討論

    從表 1 分析，數據中心電費比重最大的是 UPS 用電，其次是空調用電，空調用電包括水冷機組用電和樓層機房風柜用電。其中，水冷機組用電占總量 19.3% ，樓層機房風柜用電占總量 17.7%，以下我們就這兩方面討論節能措施的深入。

高壓（10kV）水冷機組主機的使用

高壓水冷機組主機已具備成熟產品，如果數據中心水冷機組主機采用高壓（10KV）供電標準產品，優點體現于：

1、配電系統結構簡單，電壓標準提高的情況下，斷路器容量和連接供電線路容量減少，初期投資降低；
2、高壓市電引入申請容量減少，投資成本降低；
3、同功率情況下，機組日常運行損耗降低，供電使用率高。

    如果數據中心發電機組采用高壓（10kV）供電標準產品，高壓（10kV）水冷機組主機優勢更加明顯。

總結

    數據中心每年運行用電量基數比較大，引入節電理念和實施多種節電措施后，節電效果比較明顯。以本次討論的數據中心每年 5180 萬元電費，采取多種節電措施后，節電效果匯總見下表格（電費單位萬元）：

表 7-節電效果匯總表

    在實際日常維護中，還可以加強以下措施來節約機房用電能耗：

機架底部進風口大小根據實際機架發熱量合理控制開口；

對機架外殼與服務器之間盲板處理，形成機架內部冷風通道，減少冷風短路；

合理提高機房環境溫度 22℃ 提高至 23℃；

大于 20A 用電量的列機架可進行冷通道處理。

    加強節能意識采取多種合理的節能措施，更好的數據中心用電管理，節約數據中心用電能耗，減少運營電費成本，提升數據中心 PUE 運行指標。

山東科普是伊頓電氣山東總代理，伊頓UPS電源，伊頓精密空調，可聯系4006866839.