(3) UPS供電系統(tǒng)的節(jié)能特性的優(yōu)劣是決定機房能否節(jié)能的不可或缺的要素

    采用輸入電流諧波治理+電容性的相移功率因數(shù)補償調(diào)節(jié)技術、高效率UPS的設計+“動態(tài)休睡”技術、UPS輸出功率因數(shù)與IT設備輸入功率因數(shù)之間的匹配技術等節(jié)能型UPS供電系統(tǒng)的“選用與否”是決定數(shù)據(jù)中心機房的節(jié)能效果的重要因素。如圖1所示，對于PUE=2的傳統(tǒng)型的IDC機房而言，它的UPS供電系統(tǒng)的功耗約占總功耗的10%左右。對于PUE=1.76節(jié)能型的IDC機房而言，其UPS供電系統(tǒng)的功耗約占總功耗的6.16%左右，它們所占的能耗比也不能算低。

    (4)照明系統(tǒng)的節(jié)能是機房能否節(jié)能的不可忽視的因素

    采用節(jié)能燈+照明能耗動態(tài)調(diào)控和管理技術是降低機房輔助設備能耗的不可缺少的途徑之一。如圖1所示，對于PUE=2的傳統(tǒng)型的IDC機房而言，它的照明系統(tǒng)的功耗約占總功耗的3%左右。對于PUE=1.76節(jié)能型的IDC機房而言，其照明系統(tǒng)的功耗約占總功耗的2.54%左右。因此，它也是不可忽略的節(jié)能環(huán)節(jié)之一。

    為了能較客觀地評估各種的數(shù)據(jù)中心機房的節(jié)能降耗的效果，目前在IT行業(yè)中、常推薦使用“能源利用效率”：PUE(Power Usage Effectiveness)=(數(shù)據(jù)中心的總用電量)/(IT設備的總用電量)。為討論方便和便于理解計，此后、我們將這個PUE值稱為數(shù)據(jù)中心機房的“能耗比”。 它代表：為支持IT設備的正常運行、機房所配置的基礎設施所可能消耗的功耗(KW)與維持IT設備本身的正常運行所需的功耗(KW)之間相對比值。例如：對于PUE=2的數(shù)據(jù)中心機房而言，它的基礎設施所消耗掉的功耗是IT設備本身的功耗的兩倍。

    眾所周知，數(shù)據(jù)中心的總能耗= IT設備的能耗+空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗+由變壓器、UPS為核心所組成的供配電系統(tǒng)能耗+照明等其它輔助設備的能耗。在此條件下，我們可將數(shù)據(jù)中心機房的“能耗比”分解為：

    PUE=(IT設備的能耗/ IT設備的能耗)+(空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗/IT設備的能耗)+ (UPS系統(tǒng)的能耗/IT設備的能耗)+ (照明和其它輔助設備的能耗/IT設備的能耗);

    即：PUE= 1+CLF+PLF+ALF。

    其中的CLF(Cooling Load Factor)為空調(diào)制冷系統(tǒng)的“能耗因子”， 它代表為支持功耗為1KW的IT設備的正常運行時，空調(diào)系統(tǒng)為此應消耗的能耗的相對比值; PLF(Power Load Factor)為供配電系統(tǒng)的“能耗因子”， 它代表為支持功耗為1KW的IT設備的正常運行時，UPS供電系統(tǒng)為此應消耗的能耗的相對比值; ALF(All other Load Factor)為輔助用電設備的“能耗比”。在這里，我們可以看到：對IT設備而言，它的“能耗比”總是等于1。

    在此需說明的是：當我們在衡量一個IDC機房的節(jié)能效果是否明顯時，不能僅限于只考慮該機房在某一瞬間的PUE值是多大，其原因是：上述的各種能耗并不是一個常數(shù)，其大小與IDC機房的運行工況和氣象條件等因數(shù)密切相關。正確的方法是：應該考慮在這個IDC機房內(nèi)的所有用電設備、在各種不同工況下運行時所實際產(chǎn)生的功耗大小(Px)及其在此工況下的持續(xù)運行時間的長短(Tx)，并在此基礎上計算出IDC機房的全年總能耗。類似地，對于所有的IT設備而言，我們可以統(tǒng)計出它們在各種不同工況下運行時所實際產(chǎn)生的功耗大小(Wx)及其在此工況下的持續(xù)運行時間的長短(Tx)，并在此基礎上計算出IT設備的全年總能耗。這樣一來，就需要引入一個全年的平均PUE的概念。在這里，所謂的“全年能耗比”(APUE )=IDC機房內(nèi)的各種用電設備的全年總能耗/IDC內(nèi)的所有IT設備的全年總能耗。

    即：APUE=(Pa*Ta+ Pb*Tb+ Pc*Tc+……)/( Wa*Ta+ Wb*Tb+ Wc*Tc+……)

    其中的Px代表不同基礎設備的能耗，Tx代表該設備產(chǎn)生Px能耗的持續(xù)時間;

    Wx代表IT設備的能耗，Tx代表IT設備產(chǎn)生Wx能耗的持續(xù)時間;

    下面，我們著重討論：如何通過降低CLF和PLF的辦法來降低數(shù)據(jù)中心的總PUE值。

    2 如何降低數(shù)據(jù)中心機房中的空調(diào)系統(tǒng)的CLF值(空調(diào)系統(tǒng)的“能耗比”)

    我們可以采取如下的技術措施來提高IDC機房用空調(diào)系統(tǒng)何制冷效率，從而達到節(jié)能降耗的目的。例如：可以釆取“冷、熱通道”設計方案來優(yōu)化氣流組織，使得機房的送風與回風的流通更加通暢。在此基礎上，還可通過采取“封閉冷通道”或“封閉熱通道”的技術措施來達到進一步提高制冷效率的目的;對IDC機房進行“隔熱、隔濕”預處理，盡可能地降低不必要的“漏熱、漏濕型”的能耗;對風冷型空調(diào)機組的室外機做遮陽處理，降低冷凝溫度，以便降低整機的能耗;充分利用亷價的自然冷源：為此我們可以根據(jù)IDC機房所處的不同的地理位置和不同氣候條件來適時地調(diào)節(jié)空調(diào)機的工況。例如：當室外溫度較低時，應該充分地利用室外的自然冷源來進行制冷，從而達到降低空調(diào)機組的全年總能耗的目的。

    下面，將著重討論：如何界盡可能地利用亷價的自然冷源來達到節(jié)能降耗的目的。對于IDC用的機房專用空調(diào)機組而言，我們可以選用如下三種典型的可利用“室外自然冷源”的空調(diào)系統(tǒng)的設計方案。

    1)、 采用帶自然冷源的“冷凍水空調(diào)”機組的設計方案：此時，在空調(diào)系統(tǒng)的前端、配置具備“自然冷卻功能”的冷水主機，在空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)制冷末端、選用“冷凍水”空調(diào)機組;

    2)、采用帶自然冷源的乙二醇型空調(diào)機組的設計方案(圖2)：此時，在它的室內(nèi)機組中、配置兩套相對獨立的盤管。其中的一套為制冷劑系統(tǒng)，另一套為乙二醇水溶液的自然冷盤管。在它的室外機中、選配具有足夠換熱能力的干冷器。相關的工作經(jīng)驗表明：這種空調(diào)機組的“干冷器”的換熱能力越強，將該它切換于能利用“室外自然冷源”來制冷的工況下運行的室外溫度值就會越高，其節(jié)能效果則越顯著。推薦的切換溫度約為4℃。一般說來，這種空調(diào)的購置及營維成本較高，它會直接影響到用戶用于釆購設備的初期投資成本。因此，應綜合考慮其性價比。

    3)、采用帶自然冷源的智能型雙循環(huán)型的節(jié)能空調(diào)機組的設計方案(圖3)：對于這種雙循環(huán)節(jié)能型空調(diào)而言，當IDC室外溫度較高時，它運行在由壓縮機驅(qū)動的常規(guī)風冷式空調(diào)機的制冷工作模式。當IDC室外溫度較低時，它會自動關閉功耗最大的壓縮機。此時制冷劑在節(jié)能模塊(ESM)的驅(qū)動下，它在空調(diào)室外冷凝器中同室外的冷空氣進行熱交換。這樣一來，就能將自然冷源所提供的制冷能量帶入到IDC機房內(nèi)，從而達到節(jié)能致冷的目的。由于這兩種制冷模式是由該機的智能控制器來實施自動控制的，并在同一套制冷管路上來實施和完成上述的兩種制冷循環(huán)操作，推薦的切換溫度為<10℃。當它工作在“壓縮機被關閉”的節(jié)能工作模式時，其節(jié)能效果十分明顯，可達30%--40%。這是因為：對于空調(diào)機組而言，它的壓縮機的功耗約占空調(diào)整機能耗的80%左右。相關的運行實踐還表明：IDC機房的室外溫度越低，節(jié)能效果越明顯; 空調(diào)機組的制冷量(KW)越大，節(jié)能效果越明顯。正是基于上述原因，建議：在黃河以北或西北的地區(qū)，宜優(yōu)選這種可利用“自然冷源”的智能型雙循環(huán)型的節(jié)能空調(diào)機組。

    現(xiàn)以北京地區(qū)的一個IDC機房為例來探討如何為它選配出：具有PUE值最小的節(jié)能型的空調(diào)系統(tǒng)。該IDC機房的IT設備的設計總功耗為400kW，機房面積500平方米。一般說來，IDC機房的主要熱負荷來源于各種IT設備的發(fā)熱量和環(huán)境維護結構的熱負荷。在這里，機房的維護結構的熱負荷包括：除IT主設備之外的由其它因素所產(chǎn)生的熱負荷。例如：機房的照明負荷、補充機房的新風的熱負荷、工作人員的散熱負荷和機房的維護結構的熱負荷等。在實際工作中，它們所產(chǎn)生的總熱負荷、可根據(jù)機房的面積來進行估算。根據(jù)北京市的氣候環(huán)境數(shù)據(jù)及機房的實際布局情況，它的平均環(huán)境熱負荷可按0.16KW/m2進行估算。在此基礎上，就能推算出應選配的空調(diào)機組的總制冷量(KW)

    機房的總熱負荷Q=IT設備的熱負荷Q1+環(huán)境熱負荷Q2。

    IT設備的熱負荷Q1=400kW ; 環(huán)境維護結構的熱負荷Q2=500m2×0.16KW/M2=80kW

    選配的空調(diào)機的制冷量=機房的總熱負荷Q= Q1 + Q2=480KW。

    下面，將分別討論：釆用上述三種、能帶自然冷源的空調(diào)系統(tǒng)的“能耗比”CLF值的大小，以便進行空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化選擇。對本IDC機房而言，它的IT設備全年的總能耗為：400KW×365×24h=3504000kWh。在此條件下，就可對上述的三種空調(diào)制冷系統(tǒng)的全年ACLF值進行估算。

    (1) 采用帶自然冷源的“冷凍水空調(diào)”系統(tǒng)的PCL值

    這種“冷凍水空調(diào)”系統(tǒng)的配置為：5臺100kW的冷凍水空調(diào)機組+1臺500kW的具備自然冷卻功能的冷水主機。對于這種“冷凍水空調(diào)”系統(tǒng)而言，當IDC機房的室外溫度低于 0℃時，它的冷水主機就會被自動啟動、并進入利用“室外自然冷源”的節(jié)能工作模式。此時，冷水主機中的功耗最大的壓縮機是處于關閉狀態(tài)的。這就意味著：在全年中約有1700小時的運行期間內(nèi)，冷水主機都可以運行在“功耗”僅為16KW左右的節(jié)能工況下。在此條件下，這種空調(diào)系統(tǒng)的全年總耗電量的計算值被列于下表中：

    對于冷凍水型空調(diào)的室內(nèi)機部分的能耗而言，它主要來源于空調(diào)室內(nèi)機的風機能耗與平均到每臺空調(diào)機組上的水泵能耗。對于室內(nèi)的100KW的冷凍水型空調(diào)機組而言，單臺機組的平均功耗約為6.9kW。所以5臺機組總功耗為： 6.9KW× 5 = 34.5 kW。其全年的總能耗約為： 34.5KW× 8760h = 302220 kWh。因此，這套空調(diào)制冷系統(tǒng)的總的總能耗為： 874400+302220 = 1176620 kWh。這樣一來，就可計算出這套空調(diào)系統(tǒng)的“年平均能耗比”：

    ACLF=空調(diào)系統(tǒng)全年能耗/IT設備全年能耗= 1176620 kWh / 3504000 kWh

    = 0.34

    (2)、采用帶自然冷源的乙二醇型空調(diào)系統(tǒng)的PCL值

    這種乙二醇型空調(diào)系統(tǒng)的配置為：5臺容量為100kW的乙二醇自然冷型空調(diào)機組(圖2)。對于這種帶自然冷源的乙二醇型空調(diào)機組而言，當IDC機房的室外溫度低于4℃時，就可以進入“關閉”空調(diào)機組中的功耗最大的壓縮機的節(jié)能工況。此時，可利用室外的“低溫冷空氣”來直接冷卻、以乙二醇的水溶液作為“冷卻媒介”的冷水循環(huán)型的制冷系統(tǒng)。此時的空調(diào)系統(tǒng)的主要耗電部分為水泵與空調(diào)機組中的室內(nèi)風機和室外風機。按北京地區(qū)的氣象統(tǒng)計資料可知，全年約有2500小時，它的室外溫度可能低于4℃。在此條件下，每臺制冷量為100KW的、帶自然冷源的乙二醇空調(diào)機組的總耗電量被列于下表中：

     根據(jù)上表可計算出5臺空調(diào)機組的全年能耗為： 249714 kWh×5 =1248570 kWh。這樣一來，就可計算出這套空調(diào)系統(tǒng)的“年平均能耗比”：

    ACLF=空調(diào)系統(tǒng)全年能耗/IT設備全年能耗= 1248570 kWh / 3504000 kWh

    = 0.36

    (3)、采用帶自然冷源的智能型雙循環(huán)型的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的PCL值

    為此，需配置5臺制冷量為100KW的智能雙循環(huán)機組。該空調(diào)機組采用的是模塊化的設計思路，在同一套機組中增加節(jié)能模塊(ESM)。當IDC機房的室外溫度達到設定值<10℃時、開啟節(jié)能系統(tǒng)進行制冷循環(huán)。此時利用室外的自然冷源對室內(nèi)進行制冷，在這種自然冷卻的模式下、空調(diào)機組在“壓縮機被關閉”的條件下來進行制冷。此時的主要耗電部件為節(jié)能模塊、室內(nèi)風機和室外風機。相關的運行實踐表明：室外的溫度越低、該機的節(jié)能模塊所能提供的制冷量則越大。在本案例中，100KW的智能雙循環(huán)機組設計的方式為：5臺帶有壓縮機和節(jié)能模塊的空調(diào)機組(注：在每臺機組中、含有2個節(jié)能模塊)和5臺沒有壓縮機只有節(jié)能模塊的機組(注：在每臺機組中、含有2個節(jié)能模塊)。當IDC機房的室外溫度較高(>10℃)時，制冷系統(tǒng)利用5臺帶有壓縮機的空調(diào)機組來制冷。當室外溫度低于10℃時，剛開始時，開啟20個節(jié)能模塊。在此需說明的是，節(jié)能模塊的開啟數(shù)量多少是與室外溫度的高低密切相關。室外溫度越低，所需開啟的節(jié)能模塊數(shù)量則越少(圖3)。

    綜上所述，針對各種IDC機房地理位置的不同以及氣象條件的不同，為了提高空調(diào)機組的能效比、往往會有多種可作供選擇的技術措施。對于北方及西北地區(qū)而言，應優(yōu)選用能盡可能地利用室外自然冷源的空調(diào)系統(tǒng)來降低它的全年的能耗比，以便大幅地提升IDC機房的節(jié)能降耗水平。

    從上討論可見：對于帶自然冷源的冷凍水型的空調(diào)系統(tǒng)而言，它的PCL值=0.34; 對于帶自然冷源的乙二醇型的空調(diào)系統(tǒng)而言，它的PCL值=0.36; 對于帶自然冷源的智能型雙循環(huán)型的空調(diào)而言，它的PCL值=0.32。考慮到初期投資以及運行成本，宜優(yōu)選智能雙循環(huán)型的節(jié)能空調(diào)機組。

    3 如何降低數(shù)據(jù)中心機房中的供電系統(tǒng)的PLF值(供電系統(tǒng)的能耗比)

    如圖4所示，近年來，為盡可能地降低數(shù)據(jù)中心用UPS供電系統(tǒng)的“能耗比因子”的PLF值，可供選擇的技術途徑有：

    1)、提高UPS供電系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)的PF輸入值, 使它盡可能地趨于1。在這里，常用的技術措施有：

    l 選用具有低輸入電流諧波含量THDI的UPS產(chǎn)品。例如：選用IGBT整流或12脈沖整流+輸入濾波器設計方案的UPS產(chǎn)品。對于這些UPS產(chǎn)品而言，其典型的THDI值<4%;

    l 利用“電容功率因數(shù)補償柜”將數(shù)據(jù)中心機房的輸入電源的相移性功率因數(shù)的Cosф值調(diào)節(jié)到趨近于1。

    相關的理論分析及實踐表明：當滿足上述的運行條件時，對于IGBT整流型和12脈沖整流+輸入濾波器型的兩種UPS而言，它們均可將IDC機房用的輸入電源的輸入功率因數(shù)的PF輸入值提髙>0.99左右。

    2) 、提高UPS供電系統(tǒng)的“動態(tài)效率”，在這里，常用的技術措施有：

    l 提髙UPS單機的效率。其典型的效率參數(shù)為：高頻機型UPS的滿載效率95%; 新型工頻機型UPS的滿載效率93.4%; 老式工頻機型UPS的滿載效率92.5%；

    l 提高UPS供電系統(tǒng)中的UPS單機的負載百分比。相關的運行實踐顯示：對于多數(shù)UPS而言，如果能確保UPS單機的負載百分比>35%以上的話，則就能確保UPS的實際運行效率非標接近于它的滿載效率。為此，可供選擇的技術途徑有：“動態(tài)休睡”技術、三總線輸出供電系統(tǒng)以及“Catcher Bus”容錯型UPS供電系統(tǒng)等。

    3)、提髙UPS的輸出功率因數(shù)的PF輸出值，使得它盡可能地與IT設備的輸入功率因數(shù)的PFIT值相匹配。鑒于在當今IDC機房中常用的服務器、存儲器及網(wǎng)絡設備的輸入PFIT值已從原來的0.8提高到0.91∽0.96的現(xiàn)實。期望：直選用輸出功率因數(shù)為0.9的UPS產(chǎn)品。

    為便于比較，下面將分別選擇如下三種典型的UPS產(chǎn)品來探討如何降低數(shù)據(jù)中心用UPS供電系統(tǒng)的“能耗比因子”的PLF值的問題。這些UPS產(chǎn)品的相關技術參數(shù)為：

    l 老式6脈沖整流型UPS(舊“工頻機”型UPS)：輸入電流諧波含量的THDI=32%, 整機的滿載效率92.5%;

    l 新型12脈沖整流+輸入濾波型UPS(新“工頻機”型UPS)：輸入電流諧波含量的THDI=4%, 整機的滿載效率93.4%;

    l 新型IGBT整流UPS(新“高頻機”型UPS)：輸入電流諧波含量的THDI=3%, 整機的滿載效率95%。

    下面以北京地區(qū)的一座IT設備的總能耗為400kW機房為例來分析上述三種UPS供電系統(tǒng)的PLF值的變化趨勢：

    注：PLF-1反映由于輸入功率因數(shù)≠1所產(chǎn)生的功耗; PLF-2反映由于UPS的效率≠1所產(chǎn)生的功耗; PLF-3反映由變壓器、電力電纜和開關等供配電系統(tǒng)的損耗≠0所產(chǎn)生的功耗。

    從上表可見：對于舊“工頻機”型UPS系統(tǒng)而言，它的PLF值=0.179左右;對于新“工頻機”型UPS系統(tǒng)而言，它的PLF值=0.117左右;對于新“高頻機”型UPS系統(tǒng)而言，它的PLF值=0.101左右。如果僅從節(jié)能降耗和減小機房占地面積作為IDC機房設計的優(yōu)先考慮從發(fā)，宜選用由高頻機型的UPS供電系統(tǒng)。然而，從確保UPS供電系統(tǒng)能獲得最高的可靠性作為設計優(yōu)先考慮從發(fā)，則宜選用由工頻機型的UPS供電系統(tǒng)。其原因是，同高頻機型UPS相比，它PLF的下降值僅為0.0185，它們之間的差值相差極小。眾所周知：確�？煽啃缘�1，應是IDC設計的第一要務。

    4 數(shù)據(jù)中心機房供電系統(tǒng)的PUE值的抉擇

    如上所述，由于數(shù)據(jù)中心機房的能耗比PUE= 1+CLF+PLF+ALF。如果我們能將各種IDC機房的ALF值都控制在0.04左右的話，則可得到如下表所示的不同的PUE值。

    從上表可見：

    1)、同傳統(tǒng)的PUE=2-2.4左右的IDC機房相比，對于所有能利用室外自然冷源的空調(diào)系統(tǒng)而言，都能將IDC機房的PUE值控制在<1.6左右，其節(jié)能效果明顯。

    2)、如果我們選擇PUE值最低的設計方案。即：選用由帶自然冷源的雙循環(huán)型的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)(它的CLF=0.32)+ 新型工頻機型UPS供電系統(tǒng)(它的PLF=0.101)+節(jié)能照明系統(tǒng)所組成的IDC機房的動力保障系統(tǒng)的話，則可將該機房的能耗比從傳統(tǒng)IDC機房的PUE=2左右降低到1.46左右。對于這種高效、環(huán)保、節(jié)能型數(shù)據(jù)中心的各種設備耗電量的相對變化趨勢圖被顯示圖5中。

    從上圖清晰可見：同PUE=2的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心機房相比，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量從原來的37%下降到現(xiàn)在的21.94%; UPS供電系統(tǒng)的耗電量從原來的10%下降到現(xiàn)在的6.93%; 照明和其它輔助設備的耗電量從原來的3%下降到現(xiàn)在的2.71%。與此形式鮮明對比的是：可供IT設備及網(wǎng)絡設備使用的用電量，則可從原來的50%上升到現(xiàn)在的68.42%，其節(jié)能效果相當明顯。

    5 數(shù)據(jù)中心機房的PUE動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

    為了能對從數(shù)據(jù)中心機房用的各種用電設備上所檢測到的各種實時運行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)(電壓、電流、頻率、KW、KVA、PF、KWh等)進行在線檢測、統(tǒng)計和分析的基礎上，對IDC機房的總PUE值以及它所用的空調(diào)系統(tǒng)的“能耗比因子”[CLF]、UPS供電系統(tǒng)的的“能耗比因子”[PLF] 以及照明和其它輔助用電設備的“能耗比因子”[ALF]進行動態(tài)管理和監(jiān)視，需要建立一套如圖6所示的數(shù)據(jù)中心用電源工作特性及其PUE值的在線監(jiān)測系統(tǒng)。在此條件下，作為數(shù)據(jù)中心機房的管理者/營維人員不僅可以隨時了解位于機房中的各種用電設備的能耗。而且，還可根據(jù)從該監(jiān)控系統(tǒng)所獲得到的各種分析圖表，制定出切實可行的節(jié)能降耗的管理策略和規(guī)章，從而確保IDC機房始終處于PUE值盡可能低的節(jié)能環(huán)保的工作狀態(tài)之下。<