一、概述

隨著社會電子信息化程度的提高，企業(yè)的業(yè)務和管理朝著電子化和網(wǎng)絡化的方向快速發(fā)展，在這種背景下，通信運營商的IDC 業(yè)務得到了迅速的發(fā)展。隨著電子信息及制造技術的飛速提升，數(shù)據(jù)中心機房的設備密集度大大提高，耗電巨大，發(fā)熱量更加集中，機房局部過熱現(xiàn)象增多，機房內(nèi)單位面積空調(diào)冷負荷急劇增加，由此引來的主設備運行故障和能耗逐年上升，甚至成為了制約通信業(yè)務發(fā)展的一大瓶頸。同時，具有重要戰(zhàn)略地位及發(fā)展?jié)摿?shù)據(jù)中心作為通信行業(yè)高能耗的代表也成為了大家關注的焦點，國內(nèi)外各大運營商及相關研究機構(gòu)都陸續(xù)開展了一系列數(shù)據(jù)中心節(jié)能試點改造，取得了良好效果。

本文主要從電源（包括電力輸配系統(tǒng)、交直流不間斷電源等）和空調(diào)（包括制冷機房、空調(diào)末端系統(tǒng)等）兩大方面對數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀及問題進行梳理，結(jié)合某運營商數(shù)據(jù)中心建設及改造案例，對數(shù)據(jù)中心機房提出系統(tǒng)的節(jié)能方案建議。

二、數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀

國內(nèi)某運營商的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示：數(shù)據(jù)中心能耗呈逐年上升趨勢，2009 年比2008 年增長了約20%左右，到2010 年底，數(shù)據(jù)中心占該運營商全國網(wǎng)絡運營總能耗的比例達到了13%（見圖1），特別是在一些IDC 業(yè)務發(fā)展較好的大城市，該比例遠遠超出了全國平均水平，比如：上海市2010 年數(shù)據(jù)中心能耗占比超過了25%，北京市則達到了50%以上。

圖2-1 某運營商2010 年網(wǎng)絡運營能耗結(jié)構(gòu)

從機樓的角度來看，數(shù)據(jù)中心能耗主要由三個部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)通信設備、空調(diào)（制冷機房、空調(diào)末端系統(tǒng)）及電源（電力輸配系統(tǒng)、交直流不間斷電源），其能耗占比情況見圖2。

圖2-2 數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成

（數(shù)據(jù)來源：勞倫斯伯克利國家實驗室）

上述數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)通信設備的能耗占比最大。但某種程度上來說，主設備的節(jié)能環(huán)節(jié)是運營商無法真正掌握的。因此，運營商在盡量采購節(jié)能減排主產(chǎn)品的同時，需不斷加大力度，開展對數(shù)據(jù)中心空調(diào)及電源系統(tǒng)的節(jié)能建設及技術改造，以期實現(xiàn)節(jié)能降耗。

三、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)節(jié)能研究

一般來說，數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)包括：外電引入、變壓器、發(fā)電機、電動機、交流不間斷電源系統(tǒng)、直流不間斷電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及輸配電線路等。由于數(shù)據(jù)中心功率密度的提高，所消耗的電功率增加，在電力各環(huán)節(jié)能量損耗亦隨之增大，因此，電源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)均需采取節(jié)能措施。

一）、外電引入、變壓器、發(fā)電機及電動機系統(tǒng)節(jié)能研究

數(shù)據(jù)中心外電、變壓器、發(fā)電機及電動機等環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀、問題及節(jié)能建議見下表：

表3-1 數(shù)據(jù)中心外電引入、變壓器、發(fā)電機及電動機系統(tǒng)節(jié)能研究

二）、照明系統(tǒng)及輸配電線路節(jié)能研究

數(shù)據(jù)中心照明及輸配電線路環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀、問題及節(jié)能建議見下表：

表3-2 數(shù)據(jù)中心照明及輸配電線路節(jié)能研究

三）、交、直流不間斷電源系統(tǒng)節(jié)能研究

1. 傳統(tǒng)交流不間斷電源（塔式UPS）系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

當前，數(shù)據(jù)中心主設備一般要求交流電源輸入，多采用傳統(tǒng)的交流UPS 系統(tǒng)供電模式，即：UPS 系統(tǒng)將交流市電整流逆變后，為數(shù)據(jù)主設備提供220/380V 的交流不間斷電源。其應用現(xiàn)狀總結(jié)如下：

（1）傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)多采用N+1 配置，等級較高的數(shù)據(jù)中心機房采用2（N+1）配置。

（2）部分在網(wǎng)的早期UPS 主機采用6 脈沖整流，近年來基本都采用12 脈沖整流。

（3）為了限制UPS 系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波，部分UPS 系統(tǒng)配置了有源濾波器。

（4）蓄電池后備時間大多按單機滿載30 分鐘配置，有的數(shù)據(jù)中心配置達到了單機滿載1 小時。

2. 傳統(tǒng)交流不間斷電源系統(tǒng)存在的問題

隨著數(shù)據(jù)中心高能耗問題的凸顯以及對設備運行可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)交流UPS供電模式存在以下一些不足：

（1）采用了冗余并機技術，無論是N+1 還是2（N+1）系統(tǒng)，在正常運行時，UPS 主機的負載率均較低，再考慮到系統(tǒng)配置容量較實際偏大，使得系統(tǒng)的負載率更低，未在最佳效率點附近運行，系統(tǒng)損耗較大。

傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)的負載率與效率的大致關系見下圖：

圖3-1 負載率與效率關系圖

經(jīng)調(diào)查，很多大型數(shù)據(jù)中心機房的UPS 系統(tǒng)單機負載率一般在10%至30%之間，大多數(shù)只有20%左右，在發(fā)展過程中的數(shù)據(jù)中心機房UPS 單機負載率甚至更低，單機負載率10%不到的也占很大部分。

（2）目前仍有采用6 脈沖整流的UPS 在網(wǎng)運行，且沒有采取相應的諧波處理措施，導致系統(tǒng)額外附加功率損耗大。部分UPS 系統(tǒng)雖然配置了諧波過濾器用于諧波治理，但治理后實際運行情況沒有進行相應跟蹤，治理效果無法保證。

（3）交流UPS 系統(tǒng)的后備蓄電池需經(jīng)過UPS 逆變后才能供給負載，一旦UPS 本身出故障，仍會造成負載停電。

3.數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)發(fā)展趨勢

（1）模塊化交流不間斷電源系統(tǒng)

為解決傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)由于負載率低導致的系統(tǒng)低效率及難以實現(xiàn)按需擴容等問題，“模塊化”的概念被引入了交流UPS 設計生產(chǎn)領域，出現(xiàn)了模塊化交流UPS 系統(tǒng)。一般來說，模塊化UPS 系統(tǒng)由機架、UPS 功率模塊、靜態(tài)開關模塊、顯示通信模塊以及電池組構(gòu)成，系統(tǒng)組成模式與直流供電系統(tǒng)相似，可以方便實現(xiàn)N+X 冗余，可根據(jù)實際負載量來配置合理的電源容量，其系統(tǒng)效率及供電可靠性相比傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)都得到了提升。

（2）高壓直流不間斷電源系統(tǒng)

直流供電方式早已得到了長期的、大規(guī)模的使用及驗證，該方式將交流市電整流后與蓄電池并聯(lián)，直接為通信設備提供直流電源，大大提高了供電可靠性和工作效率，諧波小，可以很方便的實現(xiàn)按需擴容。傳統(tǒng)的直流供電系統(tǒng)的電壓等級一般為－48V，大功耗的數(shù)據(jù)中心設備若采用-48V 的供電電壓，會使得配電線路的損耗大大增加，因此需要提高直流供電的電壓等級，于是出現(xiàn)了“高壓直流供電方式”。與傳統(tǒng)交流UPS 系統(tǒng)比較，高壓直流供電系統(tǒng)的效率更高，系統(tǒng)損耗明顯降低。一般來說，直流電源模塊的效率一般都在93%以上，即使模塊使用率在40%，效率也可以達到92%，而UPS 系統(tǒng)的實際滿載效率一般僅為85％以上，不超過90％。同時，高壓直流供電系統(tǒng)還大大提高了不間斷供電系統(tǒng)的可靠性。

4.建議

（1）優(yōu)先考慮在新建以及改造使用年限長、耗電量大、故障率高的傳統(tǒng)交流UPS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心采用高壓直流供電系統(tǒng)或模塊化UPS 系統(tǒng)。

（2）加強諧波治理。

5.某運營商案例

2010 年某運營商先后在5 個省建設了約23 套高壓直流系統(tǒng)，用以取代傳統(tǒng)的UPS 供電系統(tǒng)，建設規(guī)模及平均節(jié)電率情況見下表：

表3-3 某運營商高壓直流系統(tǒng)建設情況

四、數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能研究

1.數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能建議

數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)能耗主要包括制冷機房能耗和空調(diào)末端系統(tǒng)能耗，通過對某運營商多個數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)研及分析，節(jié)能建議如下表：

表4-1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)節(jié)能建議

2.某運營商空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能案例

2010 年該運營商組織了7 個省，重點針對部分氣流組織不好、有局部過熱現(xiàn)象的數(shù)據(jù)中心進行了精確送風改造，節(jié)能情況如下表：

表4-2 某運營商數(shù)據(jù)中心精確送風改造情況

除此之外，該運營商還先后在多個省份開展了數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)綜合節(jié)能改造工程，取得良好效果，如：

（1）大型數(shù)據(jù)中心采用集中式冷凍水型恒溫恒濕專用空調(diào)，架空地板精確下送風，管道結(jié)合自然回風，氣流組織合理，提高空調(diào)系統(tǒng)整體能效比，節(jié)能效果顯著。

（2）合理設定機房溫濕度，分區(qū)精確供冷，提高效率，達到節(jié)能目的。

（3）部分專用空調(diào)取消加濕功能或配置獨立的加濕裝置，減少空調(diào)加濕能耗。

（4）采用自適應控制系統(tǒng)，根據(jù)機房負荷變化，自動調(diào)整空調(diào)運行數(shù)量，實現(xiàn)節(jié)能。

（5）改造老數(shù)據(jù)中心機房上送風風口以達到節(jié)能效果。

五、結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗涉及到多個方面，本文通過對國內(nèi)某運營商數(shù)據(jù)中心的實例分析，從電力和空調(diào)兩方面提出了節(jié)能降耗建議，目標是為了更高效的利用能源，建設節(jié)能環(huán)保的綠色數(shù)據(jù)中心。