政府部门自建数据中心的绿色节能措施

杜 东

(五冶集团上海有限公司，上海 201900)

0 引言

伴随着智慧政务的政策，政府机关单位自建数据中心的建设速度和规模不断增长，但高能耗的现状一直困扰着用户。 为控制不断投建的数据中心能耗，近年来国家和地方相关部门发布了众多政策文件，要求必须夯实“互联网＋政务服务”的支撑基础，为构建统一、规范、多级联动的“互联网＋政务服务”技术和服务体系提供保障。 根据等级保护相关要求和智慧政务建设规划要求，未来区政务外网互联网出口、市电子政务外网出口、区政务外网网络核心等都将部署在数据网络中心内。 根据《关于研究新行政服务中心内部布局和拟建规划历史博物馆功能调整相关工作的会议纪要》区政府会议内容:原定在新行政服务中心的区信息中心功能用房保持不变，且同意区联勤网格化中心入驻新行政服务中心。

某行政服务中心数据机房IDC 及城市运行综合管理中心EPC 工程(以下简称“本工程”)在立项审批时，区发改委审批时的节能审查意见中明确提出本工程的PUE 值设计目标值为1.5，用户需求文件中明确设计标准为国家标准的A 级标准。 随着大数据、人工智能技术的创新发展及云计算需求的提高，数据中心的数据量和处理能力、对服务器的性能要求也越来越高，服务器的功耗会随着运算能力及存储能力的提高而增加。 本工程属于在已有建筑预留空间内建设数据中心，无法采用水冷精密空调，主机房位于建筑物的顶层及使用功能需求对于数据中心的综合设计至关重要，需要既适应建筑物本身的自然环境又绿色节能，本文将围绕绿色节能设计方案及最佳实践进行论述。

1 项目概述

本工程设计理念:服务于智慧政务，突出绿色节能性、规范性、自主化、适度安全性等为特点。 根据业务需求及管理需要划分为两个主机房，共布置9 组封闭冷通道144 个标准机柜。 数据中心的环境必须满足计算机等各种微电子设备和工作人员对温度、湿度、洁净度、电磁场强度、噪音干扰、安全保安、防漏、电源质量、震动、防雷和接地等的要求。本数据中心使用功能分区划分如图1 所示。

图1 数据中心功能分区划分

2 本数据中心项目设计原则

需要充分考虑长远发展需求，统一规划、统一布局、统一设计、规范标准，并根据实际需要及投资金额，突出重点、分步实施，保证系统建设的完整性和投资的有效性。 在方案设计和项目建设中应当遵循以下的原则:节能原则、规范性原则、自主化原则、适度安全性原则、先进性和成熟性原则、保密原则。 本方案设计系统框架如图2。

3 绿色节能设计中采取的技术措施

提升数据中心能源效率的第一步是评估能源使用效率(PUE)。 PUE ＝数据中心总设备能耗/IT设备总能耗，或PUE ＝数据中心总设施消耗的能源/IT 设备消耗的能源；PUE 是一个比率，基准是2，越接近1 表明能效水平越好。 绿色节能设计技术措施详见如图3。

图2 方案设计系统框架

图3 绿色节能设计技术措施

3.1 建筑节能技术措施

建筑节能措施主要是规划选址时要参考《数据中心设计规范》，从机房选址、设备布置、机房装修方面等入手，充分考虑到既要满足数据中心使用功能，又要考虑到利于节能而采取的方法。

(1)建筑结构热工设计:应符合国家标准《公共建筑节能设计标准》的有关规定，主机房与外维护结构相邻时，对应部分外围护结构的热工性能应根据全年动态能耗分析情况确定最优值。 并结合《数据中心设计规范》选择利于节能的建筑部位建设数据中心，充分利用自然条件降低数据中心的能耗水平，在初步设计阶段就应与建筑设计充分沟通做好选址工作。

(2)装饰材料的选择:装饰材料应选用保温、隔热、防火、防潮、少产尘的产品，如吊顶选择内衬吸音保温棉的铝合金微孔吊顶、地面及吊顶面敷设带铝箔的橡塑保温棉、墙面采用保温耐火的岩棉填充后再贴含防火防潮石膏板的专用机房彩钢板等措施，充分隔绝机房与外界环境的冷热自然交换，避免主机房空调冷量的流失。 所选材料除考虑隔热保温外还应防止结露现象。

(3)机房密闭性:主机房除消防要求的防火窗户外全部用砌块砖进行封堵，靠走廊侧采用实体墙结构，机房值班室的观察玻璃隔断选择双层中空隔热玻璃，减少因夏季太阳辐射或冬季寒冷产生的额外空调能耗。

3.2 空调及新风系统节能技术措施

(1)采用CFD 仿真软件模拟热负荷分布:对机柜内设备按设计满用电功率及管理需求进行合理性分配，采用CFD 仿真软件进行模拟计算封闭热通道及封闭冷通道方案，并指导IT 设备安装布置。

下面以主机房一为例，利用Ansysicem 建立物理模型，为了研究该机房的气流组织情况，将机房一简化为长方体结构，机柜简化为长方体结构，共6排，每排8 个，机柜之间形成的冷热通道宽度都为1.20 m。

本次模拟的模型选用针对高雷诺数的湍流计算模型标准k－ε 模型。 数值模拟基于连续性方程、动量方程、能量方程。 其控制方程公式为:

连续性方程:

能量方程:

动量方程:

利用Ansysicem 划分网格，采用结构化六面体网格对计算区域进行离散，相邻网格之间的最大变化率为2，封闭热通道和封闭冷通道计算后的数据代入建好的数据中心物理模型导入Ansys fluent 中，采用SIMPLE 压力连接方程的半隐式求解离散方程组。

通过借助CFD 软件分别对封闭热通道和封闭冷通道的模型进行数值模拟，综合对比分析得到了以下结论:封闭冷通道基本解决了本项目换热不充分和冷热混流的现象，并对大热量的IT 服务器安装位置进行优化。 本项目经CFD 仿真调整后布局如图4。

图4 精密空调调整后布置

(2)选用高能效比的精密空调设备:选择能效比大于4 以上的EC 变容量压缩机精密空调，且风机采用EC 电机，而且采用带喷淋降温功能及集中式的室外冷凝器等先进技术从设备选型上降低空调系统的能耗。

(3)采用适当调高回风温度值:当机房需要降温时，空调工作在制冷状态，此时若将回风温度值设高些(在满足机房温度要求的条件下)，会使压缩机运行时间缩短起到节能作用。

(4)采用温度预处理新风系统:特别是在春冬季节时能充分利用外界的温度较低的新风系统对机房内进行换热，通过DCIM 集成系统的计算及机房内实时温湿度的数据采集，通过自主研发的算法软件来自动启动新风机，利用外界的冷空气对机房内进行换风及降温，并与精密空调进行联动协同工作，达到充分降低能耗的目的。

(5)采用高效的动环监控系统:通过能效管理模块就可以实时显示每个封闭冷通道当前的耗电情况，实时监测数据中心总能耗、IT 设备能耗、空调设备能耗等。 通过能耗分析引擎，迅速找出能耗使用突破点，根据匹配的能耗知识库，关联出相应的节能改进建议。

3.3 电气系统节能技术措施

(1)能源效率指标PUE 实时监测:该指标用于评估一个数据中心使用的能源中有多少用于IT 设备。 PUE ＝数据中心的总用电量/IT 设备的总用电量。 数据中心电能利用率的含义是在用户总输入的电能中，到底有多少电能消耗到IT 设备上。 PUE值的公式非常简单但影响因素非常多，需要结合每个项目的实际情况进行全面考虑和精心设计才能达到理想的指标。

(2)供电负载的三相平衡措施:IT 用电设备及照明灯具一般为单相，如三相电流不平衡时会产生中性线电流，造成电能损耗及损坏设备。 本工程设计采用精密小母线始端箱及配置智能换相系统，采用“极速换相＋相角追踪"的换相方法，配合针对电容类负载的相角追踪换相策略，最大限度保证了用电设备在切换过程中不掉电。 智能换相开关采用独创的智能工装＋动态行为识别技术，能自适应继电器固有动作时间的变化，从而保证其全生命周期内都能精准过零切换，对电网无冲击，使电网和用电设备更安全。

(3)UPS 电源谐波的治理: UPS 主机在运行时会向电网输送大量谐波电源，为维护电网供电环境，保护电能质量，需选用具备IGBT 整流技术的模块化UPS 主机，超低输入电流谐波，消除对电网污染；减少功率因数补偿、谐波治理成本，降低线缆损耗。 同时既保护负载，也保护电网输入功率因数接近单位功率因数，提高电能利用率的同时，减少UPS 前端配电费用，降低谐波影响。

(4)其他节能措施:例如采用LED 节能型的照明灯具、减少线路上接头及规范接头的做法，以及通过合理的配电箱位置及小母线供电等缩短传输线路的距离等措施也对节能有一定的作用。

3.4 电源管理软件技术措施

为实现数据中心能源的运营中动态管理，可以选择相关电源管理软件。 如惠普动态功率调整技术(Dynamic Power Saver)可以实时监测机箱内的电源消耗，并根据需求自动调节电源的供应；IBM(Provisioning)软件可在服务器不被使用时将其置于待机状态，使得服务器功耗减少80%；德迅公司的电源管理软件(Dsview 3 Power Manager)可以让用户实时监测数据中心IT 设备的能耗和能源使用情况。 本工程选用了德迅公司的软件实现对数据中心的用电及PUE 值的三维实时统计及分析，便于用户能针对性的解决能耗问题。

4 整体PUE 值分析计算

本工程整体PUE 值依据《电信互联网数据中心(IDC)的能耗测评方法》(YD/T 2543)中对PUE 值的定义及测量方法。 数据中心在实际运行中的PUE 值会根据不同的季节、节假日、每天的忙闲时段动态变化，因此全面准确地测量数据中心的PUE值应通过安装数字电表进行实时数据采集，然后利用管理软件自动计算并实时显示。 而本工程在设计阶段为验证复核设计选型设备情况，采用估算方法为:IT 设备满载(不考虑UPS 输出配电柜到PDU线路上的损耗)，精密空调满负荷运行时的最大功率，照明、新风机、加湿机全开的情况下进行计算，操作间的管理设备最大功率等为计算模型。 市电负荷计算表如表1 所示。 IT 最大负荷计算表如表2所示。

表1 本工程市电最大负荷计算表

续表1

表2 本工程IT 最大负荷计算表

计算结果:PUE ＝机房总设备能耗/IT 设备能耗＝(496.9 ＋178.6)/496.9 ＝1.36，所以本工程整体PUE 值符合设计任务书的目标值要求，满足用户提出的目标值。

5 结束语

数据中心的绿色节能设计涉及到建筑、暖通、电气、管理软件等多个方面，需要对精密空调布局进行CFD 仿真软件计算、重视设备选型及先进节能技术措施的应用。 而PUE 值可以作为一个能效指标来看，对于绿色数据中心使用中低能耗的控制非常直观有效。 除对数据中心设计中重视能耗指标外还必须全面审查IT 基础设施以提升数据中心的效率，用户可通过动环系统实时监测PUE 值，以及利用电源管理软件模块找出并修正IT 低效率的部分，减少碳排放，提高IT 设备的使用率，最终达到PUE 及ROI 优化的目标。