一、概述
随着社会电子ERP信息化程度的提高，企业的业务和管理朝着电子化和网络化的方向快速发展，在这种背景下，通信运营商的IDC 业务得到了迅速的发展。随着电子信息及制造技术的飞速提升，数据中心机房的设备密集度大大提高，耗电巨大，发热量更加集中，机房局部过热现象增多，机房内单位面积空调冷负荷急剧增加，由此引来的主设备运行故障和能耗逐年上升，甚至成为了制约通信业务发展的一大瓶颈。同时，具有重要战略地位及发展潜力数据中心作为通信行业高能耗的代表也成为了大家关注的焦点，国内外各大运营商及相关研究机构都陆续开展了一系列数据中心节能试点改造，取得了良好效果。
本文主要从电源（包括电力输配系统、交直流不间断电源等）和空调（包括制冷机房、空调末端系统等）两大方面对数据中心能耗现状及问题进行梳理，结合某运营商数据中心建设及改造案例，对数据中心机房提出系统的节能方案建议。
二、数据中心能耗现状
国内某运营商的调研数据显示：数据中心能耗呈逐年上升趋势，2009 年比2008 年增长了约20%左右，到2010 年底，数据中心占该运营商全国网络运营总能耗的比例达到了13%（见图1），特别是在一些IDC 业务发展较好的大城市，该比例远远超出了全国平均水平，比如：上海市2010 年数据中心能耗占比超过了25%，北京市则达到了50%以上。
图2-1 某运营商2010 年网络运营能耗结构
从机楼的角度来看，数据中心能耗主要由三个部分构成：数据通信设备、空调（制冷机房、空调末端系统）及电源（电力输配系统、交直流不间断电源），其能耗占比情况见图2。
图2-2 数据中心能耗构成
（数据来源：劳伦斯伯克利国家实验室）
上述数据显示，数据通信设备的能耗占比最大。但某种程度上来说，主设备的节能环节是运营商无法真正掌握的。因此，运营商在尽量采购节能减排主产品的同时，需不断加大力度，开展对数据中心空调及电源系统的节能建设及技术改造，以期实现节能降耗。
三、数据中心电源系统节能研究
一般来说，数据中心电源系统包括：外电引入、变压器、发电机、电动机、交流不间断电源系统、直流不间断电源系统、照明系统及输配电线路等。由于数据中心功率密度的提高，所消耗的电功率增加，在电力各环节能量损耗亦随之增大，因此，电源系统各环节均需采取节能措施。
一）、外电引入、变压器、发电机及电动机系统节能研究
数据中心外电、变压器、发电机及电动机等环节的现状、问题及节能建议见下表：
表3-1 数据中心外电引入、变压器、发电机及电动机系统节能研究
二）、照明系统及输配电线路节能研究
数据中心照明及输配电线路环节的现状、问题及节能建议见下表：
表3-2 数据中心照明及输配电线路节能研究
三）、交、直流不间断电源系统节能研究
1. 传统交流不间断电源（塔式UPS）系统应用现状
当前，数据中心主设备一般要求交流电源输入，多采用传统的交流UPS 系统供电模式，即：UPS 系统将交流市电整流逆变后，为数据主设备提供220/380V 的交流不间断电源。其应用现状总结如下：
（1）传统UPS 系统多采用N+1 配置，等级较高的数据中心机房采用2（N+1）配置。
（2）部分在网的早期UPS 主机采用6 脉冲整流，近年来基本都采用12 脉冲整流。
（3）为了限制UPS 系统产生的谐波，部分UPS 系统配置了有源滤波器。
（4）蓄电池后备时间大多按单机满载30 分钟配置，有的数据中心配置达到了单机满载1 小时。
2. 传统交流不间断电源系统存在的问题
随着数据中心高能耗问题的凸显以及对设备运行可靠性要求的不断提高，传统交流UPS供电模式存在以下一些不足：
（1）采用了冗余并机技术，无论是N+1 还是2（N+1）系统，在正常运行时，UPS 主机的负载率均较低，再考虑到系统配置容量较实际偏大，使得系统的负载率更低，未在最佳效率点附近运行，系统损耗较大。
传统UPS 系统的负载率与效率的大致关系见下图：
图3-1 负载率与效率关系图
经调查，很多大型数据中心机房的UPS 系统单机负载率一般在10%至30%之间，大多数只有20%左右，在发展过程中的数据中心机房UPS 单机负载率甚至更低，单机负载率10%不到的也占很大部分。
（2）目前仍有采用6 脉冲整流的UPS 在网运行，且没有采取相应的谐波处理措施，导致系统额外附加功率损耗大。部分UPS 系统虽然配置了谐波过滤器用于谐波治理，但治理后实际运行情况没有进行相应跟踪，治理效果无法保证。
（3）交流UPS 系统的后备蓄电池需经过UPS 逆变后才能供给负载，一旦UPS 本身出故障，仍会造成负载停电。
3.数据中心不间断电源系统发展趋势
（1）模块化交流不间断电源系统
为解决传统UPS 系统由于负载率低导致的系统低效率及难以实现按需扩容等问题，“模块化”的概念被引入了交流UPS 设计生产领域，出现了模块化交流UPS 系统。一般来说，模块化UPS 系统由机架、UPS 功率模块、静态开关模块、显示通信模块以及电池组构成，系统组成模式与直流供电系统相似，可以方便实现N+X 冗余，可根据实际负载量来配置合理的电源容量，其系统效率及供电可靠性相比传统UPS 系统都得到了提升。
（2）高压直流不间断电源系统
直流供电方式早已得到了长期的、大规模的使用及验证，该方式将交流市电整流后与蓄电池并联，直接为通信设备提供直流电源，大大提高了供电可靠性和工作效率，谐波小，可以很方便的实现按需扩容。传统的直流供电系统的电压等级一般为－48V，大功耗的数据中心设备若采用-48V 的供电电压，会使得配电线路的损耗大大增加，因此需要提高直流供电的电压等级，于是出现了“高压直流供电方式”。与传统交流UPS 系统比较，高压直流供电系统的效率更高，系统损耗明显降低。一般来说，直流电源模块的效率一般都在93%以上，即使模块使用率在40%，效率也可以达到92%，而UPS 系统的实际满载效率一般仅为85％以上，不超过90％。同时，高压直流供电系统还大大提高了不间断供电系统的可靠性。
4.建议
（1）优先考虑在新建以及改造使用年限长、耗电量大、故障率高的传统交流UPS 系统的数据中心采用高压直流供电系统或模块化UPS 系统。
（2）加强谐波治理。
5.某运营商案例
2010 年某运营商先后在5 个省建设了约23 套高压直流系统，用以取代传统的UPS 供电系统，建设规模及平均节电率情况见下表：
表3-3 某运营商高压直流系统建设情况
四、数据中心空调系统节能研究
1.数据中心空调系统节能建议
数据中心空调系统能耗主要包括制冷机房能耗和空调末端系统能耗，通过对某运营商多个数据中心空调系统的调研及分析，节能建议如下表：
表4-1 数据中心空调节能建议
2.某运营商空调系统节能案例
2010 年该运营商组织了7 个省，重点针对部分气流组织不好、有局部过热现象的数据中心进行了精确送风改造，节能情况如下表：
表4-2 某运营商数据中心精确送风改造情况
除此之外，该运营商还先后在多个省份开展了数据中心空调系统综合节能改造工程，取得良好效果，如：
（1）大型数据中心采用集中式冷冻水型恒温恒湿专用空调，架空地板精确下送风，管道结合自然回风，气流组织合理，提高空调系统整体能效比，节能效果显著。
（2）合理设定机房温湿度，分区精确供冷，提高效率，达到节能目的。
（3）部分专用空调取消加湿功能或配置独立的加湿装置，减少空调加湿能耗。
（4）采用自适应控制系统，根据机房负荷变化，自动调整空调运行数量，实现节能。
（5）改造老数据中心机房上送风风口以达到节能效果。
五、结束语
数据中心的节能降耗涉及到多个方面，本文通过对国内某运营商数据中心的实例分析，从电力和空调两方面提出了节能降耗建议，目标是为了更高效的利用能源，建设节能环保的绿色数据中心。
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本文标题：某数据中心能耗现状与节能改造方案
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