摘要：經(jīng)過多年的實(shí)踐和理論證明，在一個設(shè)計不合理的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，60%的空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)由于氣流組織的不合理而被浪費(fèi)了。

一、冷熱通道隔離技術(shù)

經(jīng)過多年的實(shí)踐和理論證明，在一個設(shè)計不合理的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，60%的空調(diào)機(jī)冷送風(fēng)由于氣流組織的不合理而被浪費(fèi)了。傳統(tǒng)的開放式熱通道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心面臨著兩大氣流管理難題：冷熱空氣相混合現(xiàn)象和空調(diào)冷送風(fēng)的浪費(fèi)現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象大大降低了空調(diào)制冷的效率。其中，冷熱空氣相混合現(xiàn)象指的是由設(shè)備產(chǎn)生的熱空氣和空調(diào)機(jī)的冷送風(fēng)相混合從而提高了設(shè)備的進(jìn)風(fēng)溫度;空調(diào)冷送風(fēng)的浪費(fèi)現(xiàn)象則指的是從空調(diào)機(jī)的冷送風(fēng)并未進(jìn)入設(shè)備，并對設(shè)備冷卻而直接回流到空調(diào)機(jī)的現(xiàn)象。冷熱空氣混合現(xiàn)象也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心溫度不一致的主要原因，并且這種現(xiàn)象也大大降低了數(shù)據(jù)中心空調(diào)的制冷效率和制冷能力。如何解決這兩種現(xiàn)象，其實(shí)最簡單的方式就是機(jī)柜面對面擺放形成冷風(fēng)通道，背靠背擺放形成熱風(fēng)通道，這樣會有效的降低冷熱空氣混流，減低空調(diào)使用效率。如下圖所示：

冷熱通道完全隔離

隔離冷通道或者隔離熱通道哪種方式更好呢?這兩種方式都將空調(diào)的冷送風(fēng)和熱回風(fēng)隔離開來，并使空調(diào)機(jī)回風(fēng)溫度提高以此來提高空調(diào)的制冷效率，區(qū)別主要是可擴(kuò)展性，散熱管理和工作環(huán)境的適宜性。

隔離冷通道的可擴(kuò)展性主要是受地板下送風(fēng)和如何將地板下冷風(fēng)送入多個隔離冷通道的制約。很多人認(rèn)為只要當(dāng)空調(diào)機(jī)的出風(fēng)量能滿足設(shè)備的散熱風(fēng)量即可，但是他們忽略了高架地板下冷送風(fēng)對于多個隔離通道的壓力降和空間的限制。相反的隔離熱通道則是使用整個數(shù)據(jù)中心作為冷風(fēng)區(qū)域來解決這個問題，正因?yàn)檫@樣擴(kuò)大冷通道的空間。隔離熱通道相比于隔離冷通道有著更多空調(diào)冗余性能，多出的熱通道空間將會在空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能多出幾分鐘的寶貴維修時間。而且隨著服務(wù)器設(shè)備的散熱能力的提高，服務(wù)器所需的散熱風(fēng)量將會大大的減少?，F(xiàn)在很多服務(wù)器的熱風(fēng)的出風(fēng)溫度可到達(dá)到55℃。隔離冷通道的未被隔離部分空間的溫度將會比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心大大的提高，這將增加了數(shù)據(jù)中心工作人員的舒適度和減少數(shù)據(jù)中心其他設(shè)備的使用壽命。

綜上所述，雖然這兩種方法都可以提高空調(diào)使用效率，但是相比較起來，隔離熱通道比隔離冷通道的效率更高、適用性更好。

二、冷源方案比較

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)占機(jī)房總功耗的40%左右。機(jī)房中的制冷主要是由機(jī)房空調(diào)負(fù)責(zé)，所以降低機(jī)房空調(diào)的耗電量可以有效的降低機(jī)房的PUE值。目前數(shù)據(jù)中心中較為常用節(jié)能制冷系統(tǒng)有以下四種：

1. 水冷冷凍水機(jī)組+自由冷卻系統(tǒng)

本方案組成設(shè)備包含：水冷冷水機(jī)組、板式換熱器、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加壓裝置、蓄冷水罐、末端空調(diào)機(jī)組等組成。整個系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)組成，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

2. 風(fēng)冷冷凍水機(jī)組+自由冷卻系統(tǒng)

本方案組成設(shè)備包含：風(fēng)冷冷水機(jī)組、干盤管、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加壓裝置、蓄冷水罐、末端空調(diào)機(jī)組等組成。本系統(tǒng)做自由冷卻用的干盤管可集成于風(fēng)冷冷水機(jī)組內(nèi)，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

3. 自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組+自有冷卻

自帶冷源式風(fēng)冷空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)屬于分散式空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組由室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、干盤管組成。室外機(jī)內(nèi)置壓縮機(jī)，干盤管集中布置于室外，母管連接由水泵分配至各室內(nèi)空調(diào)機(jī)，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

4. 模塊末端全空氣空調(diào)機(jī)組水冷冷凍水

本方案組成設(shè)備包含：水冷冷水機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、加藥裝置、蓄冷水罐、全空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)組等組成。過渡季及冬季直接把室外冷空氣經(jīng)全空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)組處理后送至機(jī)房內(nèi)，以減少冷源部分的能耗，系統(tǒng)分三種工作模式：正常制冷、部分自由冷卻、完全自由冷卻。

數(shù)據(jù)中心到底使用哪種制冷系統(tǒng)，需要根據(jù)項(xiàng)目所在地的各項(xiàng)條件綜合考慮。在我國長江以北地區(qū)，如果有條件建議采用水冷冷凍水機(jī)組+自由冷卻系統(tǒng)的方式設(shè)計制冷系統(tǒng)，這樣在冬季氣溫7-12℃時可以采用預(yù)冷的方式，使用部分冷凍機(jī)組。在室外溫度小于7℃時，可以不啟動冷凍水機(jī)組，完全用自由冷卻系統(tǒng)對機(jī)房降溫，大大減少的了能源的消耗。

三、采用變頻電機(jī)

空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力和環(huán)境密切相關(guān)，夏天室外溫度越高，制冷能力越低，因此大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的制冷量都是按最差(夏天最熱)工況設(shè)計的(空調(diào)的制冷量一般要比其在理想工況下的額定值低，這時建筑物本身不但不散熱，反而吸熱)。這樣，全年絕大部分時間空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在負(fù)荷不飽滿狀態(tài)。另外，大型數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)荷從零到滿載也需要相當(dāng)?shù)臅r間，一般也在一到三年之間。還有，IT負(fù)載的能耗和網(wǎng)絡(luò)訪問量或運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，根據(jù)其應(yīng)用的特點(diǎn)，每天24小時的能耗都在變化，一年365天的能耗也都在變化。比如，游戲服務(wù)器在早上的負(fù)載和能耗都比較低，但在晚上就比較高;視頻服務(wù)器在遇到重大事件時的負(fù)載和能耗就比較高。

因此，在水冷系統(tǒng)中所有電機(jī)采用變頻系統(tǒng)，這樣可以節(jié)約大量的能量，其增加的投資一般在一年內(nèi)節(jié)省的電費(fèi)中就可以收回(基本滿負(fù)荷情況下)。對于風(fēng)機(jī)和水泵，輸入功率和這些設(shè)備的轉(zhuǎn)速的三次方成正比。例如，如果風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速為正常轉(zhuǎn)速的50%，僅需要同一設(shè)備運(yùn)行在100%額定轉(zhuǎn)速時理論功率的12.5%.因此，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在部分負(fù)荷時，變速裝置的節(jié)能潛力十分明顯。

四、提高冷凍水的溫度

冷水機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)的冷凍水溫度為7到12℃，水冷空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)工況也是認(rèn)為冷凍水溫度為7到12℃。但是這個溫度范圍對于數(shù)據(jù)中心來說有點(diǎn)低，帶來以下兩個不利因素：這個溫度大大低于數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行在40%左右相對濕度的露點(diǎn)溫度，將在風(fēng)機(jī)盤管上形成大量的冷凝水，需要進(jìn)一步加濕才能保持機(jī)房的環(huán)境濕度。這個除濕和加濕過程都是非常消耗能量的過程。

冷凍水的溫度和冷水機(jī)組的效率成正比關(guān)系，也就是說冷凍水的溫度越高，冷水機(jī)組的效率也就越高。根據(jù)YORK公司在網(wǎng)絡(luò)上公布的材料，冷凍水溫度每提高一度，冷水機(jī)組的效率就可以提高大約3%.目前，在集裝箱數(shù)據(jù)中心和高功率密度的冷水背板制冷技術(shù)中都把冷凍水的溫度設(shè)計為12到18℃，已經(jīng)高于露點(diǎn)溫度，完全不會除濕，也就不需要加濕。冷凍水的溫度提高后，水冷精密空調(diào)的制冷能力會下降，實(shí)際的制冷能力需要廠家提供的電腦選型軟件來確定，一般會下降10%到15%.但是由于冷凍水溫度提高后很少或基本不除濕和加濕，加上采用EC調(diào)速風(fēng)機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生的熱量減少，整個水冷精密空調(diào)的實(shí)際制冷能力(顯冷)下降并不多。

五、供配電系統(tǒng)節(jié)能

1. 精確計算供電功率

使用用電管理軟件精確計算用電功率和智能化控制系統(tǒng)用電，提高電源利用率。為機(jī)房建設(shè)規(guī)劃提供更精確的數(shù)據(jù)，智能控制整體用電量。

2. 供配電系統(tǒng)節(jié)約電能的技術(shù)方法

主要是配電電壓深入負(fù)荷中心、配電變壓器的正確選擇和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、配電線路的合理選擇和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、電壓調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)和方法的采用。配電系統(tǒng)的降損節(jié)能技術(shù)措施如下：

合理使用變壓器根據(jù)用電特點(diǎn)選擇較為靈活的結(jié)線方式，并能隨各變壓器的負(fù)載率及時進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，以確保變壓器運(yùn)行在最佳負(fù)載狀態(tài)。變壓器的三相負(fù)載力求平衡，不平衡運(yùn)行不僅降低出力，而且增加損耗。

重視和合理進(jìn)行無功補(bǔ)償合理地選擇無功補(bǔ)償方式、補(bǔ)償點(diǎn)及補(bǔ)償容量，能有效地穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓水平，避免大量的無功通過線路遠(yuǎn)距離傳輸而造成有功網(wǎng)損。對配電網(wǎng)的電容器無功補(bǔ)償，通常采取集中、分散、就地相結(jié)合的方式;電容器自動投切的方式可按母線電壓的高低、無功功率的方向、功率因數(shù)大小、負(fù)載電流的大小、晝夜時間劃分進(jìn)行。

對低壓配電線路改造，擴(kuò)大導(dǎo)線的載流水平按導(dǎo)線截面的選擇原則，可以確定滿足要求的最小截面導(dǎo)線;但從長遠(yuǎn)來看，選用最小截面導(dǎo)線并不經(jīng)濟(jì)。如果把理論最小截面導(dǎo)線加大一到二級，線損下降所節(jié)省的費(fèi)用，足可以在較短時間內(nèi)把增加的投資收回。

減少接點(diǎn)數(shù)量，降低接觸電阻在配電系統(tǒng)中，導(dǎo)體之間的連接普遍存在，連接點(diǎn)數(shù)量眾多，不僅成為系統(tǒng)中的安全薄弱環(huán)節(jié)，而且還是造成線損增加的重要因素。必須重視搭接處的施工工藝，保證導(dǎo)體接觸緊密，并可采用降阻劑，進(jìn)一小降低接觸電阻。不同材料間的搭接尤其要注意。

采用節(jié)能型照明電器根據(jù)建筑布局和照明場所合理布置光源、選擇照明方式、光源類型是降損節(jié)能的有效方法。推廣高效節(jié)能電光源，以電子鎮(zhèn)流器取代電感鎮(zhèn)流器;應(yīng)用電子調(diào)光器、延時開關(guān)、光控開關(guān)、聲控開關(guān)、感應(yīng)式開關(guān)取代蹺板式開關(guān)，將大幅降低照明能耗和線損。

UPS的節(jié)能必需從方案、UPS、電池、配電等方面全方位進(jìn)行。

六、UPS不間斷電源節(jié)能

1. 按需擴(kuò)容的柔性規(guī)劃

目前，數(shù)據(jù)中心大多是分期分模塊的進(jìn)行建設(shè)，考慮今后未來幾年的擴(kuò)容，在設(shè)計時UPS容量一般都考慮容量比較大些，一次就安裝了幾套大功率的UPS并機(jī)，初期負(fù)載量只有規(guī)劃容量的10%～20%，使UPS的利用率很低，造成電能的浪費(fèi)，為了避免這種情況的發(fā)生，需要采用模塊化的UPS，逐步擴(kuò)容。

2. 提高UPS能效

目前UPS均為在線式雙變換構(gòu)架，在其工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。提高UPS的工作效率，可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)，可見提高UPS效率是降低整個機(jī)房能耗的最直接方法。因此采購UPS，盡量采購效率更高的UPS.當(dāng)然UPS效率高不僅僅是滿載時效率高，同時也必須具備一個較高的效率曲線，特別是在“1+1”并機(jī)系統(tǒng)時，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，每臺UPS容量不得大于50%，如果此次效率僅為90%以下，就算滿載效率達(dá)到95%以上，也是沒有意義的，所以要求UPS必須采取措施優(yōu)化效率曲線，使UPS效率在較低負(fù)載時也能達(dá)到較高的效率。

降低輸入電流諧波，提高功率因數(shù)諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電力線路呈現(xiàn)一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)，由于非線性負(fù)載產(chǎn)生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變，稱為諧波。諧波的危害包括：引起電氣組件附加損耗和發(fā)熱(如電容、變壓器、電機(jī)等);電氣組件溫升高、效率低、加速絕緣老化、降低使用壽命;干擾設(shè)備正常工作;無功功率增加，電力設(shè)備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設(shè)備);供電效率低;出現(xiàn)諧振，特別是柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電時更嚴(yán)重;空開跳閘、熔絲熔斷、設(shè)備無故損壞。解決方法主要有以下四種：。采用12脈沖整流器。采用無源濾波器。采用有源濾波器。采用高頻IGBT整流及PFC功率因數(shù)校正電路設(shè)計整流器

七、高壓直流供電技術(shù)

與傳統(tǒng)48V供電系統(tǒng)類似，高壓直流供電系統(tǒng)是由多個并聯(lián)冗余整流器和蓄電池組成的。在正常情況下，整流器將市電交流電源變換為270V、350V或420V等直流電源，供給電信設(shè)備，同時給蓄電池充電。電信設(shè)備需要的其它電壓等級的直流電源，采用DC/DC變換器變換得到。市電停電時，由蓄電池放電為電信設(shè)備供電;長時間市電停電時，由備用發(fā)電機(jī)組替代市電，提供交流輸入電源。高壓直流供電的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

1.可靠性

直流電源模塊化輸出和電池直接并聯(lián)給負(fù)載供電，后備電池與電源后段并聯(lián)給服務(wù)器構(gòu)成2路冗余供電，可靠性高，真正不間斷;如果UPS后備電池只是與電源前段并聯(lián)給DC/DC供電，整個系統(tǒng)供電對數(shù)據(jù)設(shè)備不是冗余供電模式。在某種原因下UPS系統(tǒng)崩潰，電池不能直接應(yīng)用，導(dǎo)致后端設(shè)備斷電。而采用直流供電，杜絕系統(tǒng)崩潰帶來的斷電風(fēng)險。

2. 可操作、維護(hù)性

并機(jī)容易，并且可以做成系統(tǒng)解決方案，做到安全不間斷割接，功率部分采用模塊化，支持帶電熱插拔，可快速更換，功率部分和監(jiān)控功能模塊CSU之間正常工作是監(jiān)控單元CSU控制，故障時各自獨(dú)立控制，避免故障擴(kuò)散。更換模塊和監(jiān)控單元CSU是互不影響的，便于維護(hù)。

3. 提高負(fù)載的可靠性

計算機(jī)等開關(guān)電源內(nèi)部的橋式整流變?yōu)橹绷麟娬?fù)極防接反電路，即使計算機(jī)輸入電源的正負(fù)極接反，不影響計算機(jī)的正常工作。影響設(shè)備壽命和故障的一個重要因素是電容元件的失效問題，交流電經(jīng)過整流橋之后是一個脈動直流電，使后面的電容元件不停的充放電，壽命縮短。采用直流供電，元器件的壽命延長。延長了負(fù)載設(shè)備的壽命，提高了其可靠性。

4. 智能化管理

直流高壓開關(guān)電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)48V直流電源系統(tǒng)一樣，可以很方便的對電池進(jìn)行全面的智能化管理，具有完備的電池管理系統(tǒng)，有效延長了電池的使用壽命，降低了運(yùn)營成本，提高了供電的可靠性;UPS電池管理簡單、不全面，電池容量損失速度快。

5. 降低諧波干擾

對于計算機(jī)和服務(wù)器來說，采用直流輸入，不再存在相位和頻率的問題，多機(jī)并聯(lián)變得簡單易行。無諧波干擾，UPS存在輸出功率因數(shù)，一般在0.6～0.8.

6. 安全性

直流高壓電源系統(tǒng)，是標(biāo)準(zhǔn)電氣柜，安全性高，并且對分路輸出和母線的絕緣狀況實(shí)時監(jiān)控，對人身傷害預(yù)警大大提高;UPS非標(biāo)一體柜，安全性低。

7. 高效節(jié)能

由于省掉了逆變部分，直流開關(guān)系統(tǒng)經(jīng)過2次變流，電源效率達(dá)到92%以上，UPS系統(tǒng)經(jīng)過4次變流效率一般70%左右，這樣大大節(jié)省能源，降低運(yùn)營成本。

八、提高機(jī)房溫度

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》，A類和B類機(jī)房的主機(jī)房溫度要求保持在23±1℃，也就是22到24℃。ANSI/TIA-942-2005《Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers》中規(guī)定冷通道溫度為華氏68-77度，也就是20到25℃。美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)2008年新的機(jī)房冷通道溫度已經(jīng)從2004年的20到25℃提高到18到27℃。由于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的主機(jī)房溫度沒有指定是機(jī)柜前的進(jìn)風(fēng)溫度，傳統(tǒng)機(jī)房存在以下兩方面不足：。由于沒有冷通道或熱通道封閉，機(jī)房溫度特別的低，設(shè)備內(nèi)部的溫度并不低，大量的冷氣短路自循環(huán)。。機(jī)房溫度往往低于24℃，處于過度制冷狀態(tài)。

現(xiàn)代服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等并非傳統(tǒng)觀念(10年或20年前)中認(rèn)為的那么嬌貴，大部分服務(wù)器在溫度10-35℃，相對濕度20%-80%都可以正常運(yùn)行(ASHRAE認(rèn)為的設(shè)備環(huán)境要求，也是絕大部分商用服務(wù)器的工作環(huán)境要求范圍)。因此可以提高空調(diào)送風(fēng)溫度，保證IT設(shè)備的運(yùn)行溫度即可。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)和回風(fēng)溫度提高1℃時，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)電約2.5%.同時空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力提高約5%.

因此，在用戶認(rèn)可的條件下，提高機(jī)房的溫度是節(jié)約能源的措施之一。建議數(shù)據(jù)中心冷通道的溫度(ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)要求在冷通道中間對準(zhǔn)機(jī)柜中間1.5米高度測量，每4個機(jī)柜至少一個測試點(diǎn))最低為為24或25℃。

九、科學(xué)運(yùn)維

人走關(guān)燈和關(guān)閉大屏幕顯示器，減少照明產(chǎn)生的能耗以及相應(yīng)增加的制冷量。。盡量減少運(yùn)行新風(fēng)系統(tǒng)。在機(jī)房無人時關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的新風(fēng)系統(tǒng)。。建議冷通道的溫度不低于25℃。定期檢查冷通道的溫度以免過度制冷造成能源浪費(fèi)。。定期檢查地板，防止各種方式的漏風(fēng)。。冷通道必須完全封閉，機(jī)柜上沒有設(shè)備的區(qū)域必須安裝盲板，沒有負(fù)荷的機(jī)柜區(qū)域不能安裝通風(fēng)地板。每次設(shè)備變更，都要進(jìn)行檢查。。在能夠滿足制冷的條件下盡可能提高冷凍水的溫度，最高為12到18℃。。在氣象環(huán)境滿足的條件下，盡量使用全自然或半自然免費(fèi)制冷。。定期核對數(shù)字采集數(shù)據(jù)和模擬顯示儀表的數(shù)據(jù)是否一致，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在誤差，立即更換有關(guān)采集設(shè)備或儀表。。 對于還沒有使用的獨(dú)立機(jī)房區(qū)域，關(guān)閉所有機(jī)電設(shè)備，包括冷凍水管道的閥門。。定期檢修和清洗冷凍機(jī)組內(nèi)的銅管和冷卻塔，確保其工作在最佳狀態(tài)。。對于低負(fù)荷的機(jī)房，如果精密空調(diào)沒有EC風(fēng)機(jī)，就要關(guān)閉相應(yīng)的空調(diào)，如果是EC風(fēng)機(jī)，要通過實(shí)踐摸索出更節(jié)能空調(diào)運(yùn)行方式。