“双碳目标”下的数据中心电气节能减排方案探讨

上海邮电设计咨询研究院有限公司 唐婷婷

近年来可再生能源发电在能源结构中的比重逐年增长，加剧了电网峰谷调节、安全稳定运行的难度，致使电网原有的调节手段和方式更加难以为继。同时，随着我国经济的飞速发展，地区电网局部区域重过载与高可靠供电保障需求间的矛盾日益突出，数据中心作为能耗大户，推动其运行过程中节能减排对我国实现“碳达峰、碳中和”战略具有重要意义。

1 项目概况及电气节能设计方案

本项目规划用地是位于某地开发区内的灾备数据中心项目，总建筑面积5.8万m2，涉及数据中心楼、动力楼和信息楼。数据中心共设置12个模块机房，每个机房模块规划6kW IT 机柜164个、共计984kW。机房实行标准化设计理念，采用“机柜模块化、配电模块化、机房模块化”的总体原则，将机房、电力室布局归纳为标准化模型，形成可批量复制的模块化机房，按需灵活部署，以此提高数据中心的整体运营效率，实现快速部署、弹性扩展和绿色节能。

数据中心项目建设节能目标按照整体规划、分布实施的原则。电气系统作为数据中心节能降耗的关键之一，不仅需从建筑设计总体上采取合理的保温、空间布局，还应做好供配电系统设计、UPS 系统设计、精密空调区分设计、照明系统设计，以及环境监控系统对能源系统监测等配合，从而推进项目整体达到节能环保政策要求[1]。

1.1 供配电设计

根据设备负荷统计及分析，高压供电引自园区内变电站不同变压器，共引四路10kV，每两路市电电源互为冗余。后备电源采用10kV 中压柴发机组并机方式，与市电10kV 侧进行切换，经变压器后向低压用电设备进行供电。高低压配电室的规划布置靠近负荷中心，在充分考虑可靠性、可扩充性、便于维护的前提下，减小供电半径、节能节资。采用10kV 中压柴发机组与0.4kV 低压柴发机组相比，电压提升电流减小有利于组成大容量并机系统，且降低供电线路损耗，同时对于后级为10kV 设备（冷水主机）也便于直接提供供电保障，且柴发并机系统设备可根据IT 设备上架规划进行分期建设。

对大容量负荷、重要负荷采用放射式配电方式，对小负荷、分散型负荷配电则采用树干式配电方式。冷机机组设备、机房末端空调负荷等一级负荷由配电系统不同的母线段采取放射式供电，并在末端切换。照明、电力、消防用电负荷分别自成配电系统。同时，在变压器低压母线侧装设无功功率自动补偿装置，补偿后功率因数达到0.95以上。无功补偿容量根据实际需求计算量配置，利于节省初期投资。

1.2 UPS 系统设计

数据中心机房设计与建设应以IT 设备不间断运行为首要任务，以可扩充性为未来发展目标。本项目基于UPS 两种冗余输出方法：一是两台塔式UPS外部并联的传统方案，但功率固定、无法扩容，且维修难度大、时间长；一种为模块化、热插拔、功能模块双总线设计方式，可根据IT 设备结构进行设计，采用该方式可提高输出功率，可用性与可维护性极高。

数据中心基于对项目未来3～6年的发展需要预留了可扩容空间。本项目采用模块化UPS 主机设计，不仅可减少初期投资，还可合理控制投产后用电能耗，对可持续发展策略更好的执行。模块化UPS 主机采用标准的结构设计，每套系统由功率模块、监控模块、静态开关组成，其中功率模块可并联、平均分担负载，如遇故障自动退出系统、由其它功率模块来承担负载，既能水平扩展、又能垂直扩展。所有的模块可实现热拔插、可实现在线更换，是安全的电源保护方案。可以看出，采用模块化UPS 系统设计可适应不断变化的需求，与环保性和经济性相符[2]。

1.3 空调配电设计

空调设备末端采用带群组控制的精密空调制冷系统。由于数据中心制冷系统的运行费用占数据中心整体运行费用比例很高，故数据中心项目建成并达到设计容量后，数据中心运营能耗值巨大，只有采用高效节能的制冷系统、降低制冷部分的能耗，才能以此降低数据中心整体能耗。在节约整体运营成本费用的同时助力“双碳”策略的推进。机房内空调机组采取对冷量气流组织有优化处理功能的群组联控手段，避免机房“空调群”在组合使用时不协调。同时群组控制有利于节能运行，以机房内冷负荷变化为依据自动控制机组空调运行数量，避免无谓的能耗浪费。

本项目冷水机组配套冷冻水泵、空调末端均需UPS 供电，其中每台冷冻水泵采用单台UPS 进行供电，末端空调采用1路市电+1路UPS 电源方式供电。

1.4 电气照明系统

本项目照明分为正常照明和应急照明，应急照明又分为备用照明、疏散照明及疏散指示标志。为倡导节能减排号召，本项目普通照明采用380/220V三相四线制交流电源。灯具均采用高功率因数型，要求功率因数不得低于0.9。

机房照明系统设计与其他场所相比照度要求要高，在照度设计时须对无服务器机柜照度和布满机柜后的工作面照度进行综合考虑。本项目机房正常照明引自机房专设照明干线，由双电源供电。无人值守机房备用照明设置为正常照明的10%。从节能角度考虑，机房采用智能灯光控制系统，与门禁管理系统配合，在机房无人区域实现自动转换最低照度模式；机房区域有人可自动打开灯光系统。

2 节能措施及技术的应用

数据中心节能控制涉及多个专业的综合考虑，为满足《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》要求，本项目还考虑如下节能措施。

2.1 设备选型考虑

项目选用I 级干式非晶合金变压器，比II 级电工钢带干式变压器的空载损耗下降了近65%，空载损耗和负载损耗的下降可提高变压器的转换效率，减小电网线损、降低运行成本，合理设置低压供电系统，使变压器尽可能长时间运行在最经济负荷状态；采用高效率的换流设备。本项目采用的UPS 主机设备，要求其效率不小于96%；为减少后期扩容安装的UPS 设备及整流设备等对电网产生的谐波污染，要求安装的UPS 系统自身设备配有谐波滤波器，整流设备应有对其输入谐波分量的要求。本项目在变压器低压侧市电油机转换屏后集中安装有源滤波器进行谐波治理。

自然光的利用和控制：在白天能利用自然光源时尽量关闭不必要的耗电光源。在人员稀少的楼梯间采用声光控制开关。在有外窗的房间，将灯具与窗线平行布置并按照平行方式单排控制[3]；根据用电性质和用电区域，所有的供电负荷均装设电能考核节能表计。变电所各出线回路均应装设电能计量表。表计为数字式，带通讯接口以便构成网络。空调系统的前端按干线计量、末端按楼层计量。照明系统按楼层或分区计量，电梯、水泵、风机按干线计量。

2.2 绿电应用

本项目充分利用建筑物屋面及当地的有效太阳能资源将光伏与建筑结合，让园区使用光伏能源获取满足日常生活所需的电力，有效降低建筑用能。利用单栋信息楼屋面空余面积（不小于8400m2），通过布置光伏与建筑一体化系统可实现约700kW光伏功率，按当地年平均光照有效利用小时数800h 估算，光伏系统年发电量约为560000kWh，可满足单栋信息楼的照明自用电。随着国家绿色数据中心政策及地方政策的逐步推进，未来数据中心在降低PUE 的同时，还可通过采购可再生能源电力、购买绿电证书、碳排放交易等手段加快实现碳中和目标。

3 结语

自国家提出“双碳”战略以来，也对数据中心的利用率、算力规模、能效等方面提出了高要求的具体发展指示。对此，为确保数据中心机房电气系统设计在满足可用性、可靠性、经济性等基本要求、并与“双碳”政策相一致，本项目在实施过程中选用了低碳绿色智能化电气产品，降低UPS 系统占地面积，使用新一代绿色智能开关设备，并采用完整立体的产品组合和架构选择，从而为数据中心可靠运行提供设备保障。

其次，在对供配电架构设计、部署上系统规划，做到简化流程、灵活扩展，将电气系统架构的构建由“基于产品”升级为“基于应用”；在设计中，为提高数据中心性能和故障可预测性，通过采用智能集散控制确保机房配电系统精细化管理以达到全程实施监控目的，保证了运营安全；此外，在机房照明系统设计时使用了环保灯具，在保障优质光源的同时降低照明能耗。本项目通过采取符合推动“双碳”发展的电气节能设计，对构建更高水平数据中心项目建设具有重要意义。