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试谈数据中心的节能途径

来源:《数智元》杂志 作者:乔国斌 邓乃章 更新时间:2024/6/7 7:35:05

摘要:本文探讨了数据中心能源管理的方法,对数据中心的能耗进行研究,对比了解研究现状,通过了解数据中心的各部分能耗以及可能存在的浪费现象,在供配电系统、空调系统、照明系统、水泵的变频设计等角度提出了一些提高数据中心能源效率的具体措施。为数据中心管理者提供可行的指南,并在实际应用中具有一定的参考价值。

     一、概述
  
我国数据中心的机架规模继续稳定增长,据数据显示,按照2.5kW~4kW标准架统计,截至2022年底,我国在用数据中心机架规模达到670万架。随着数据中心产业的快速发展,其年总耗电量已经达到了社会用电量的1.5%以上,其能耗在社会产业中的比重也越来越大,已经成为了全社会公认的“高能耗产业”。

然而我国数据中心具有发展快、能耗高、能效低的特点。存在着巨大节能潜力,亟须加快开展节能工作,提高能效水平。

1.1研究背景

随着信息技术的飞速发展,越来越多的企业和机构开始建设数据中心以满足信息化应用的需求。然而,与之相应的是数据中心的规模和数量不断增加,数据中心能源消耗也随之剧增。为此,需要对数据中心的能源消耗现状进行深入了解,并针对性地提出一些有效的方法和措施来提高数据中心的能源效率。

1.2国内研究现状

宁高明、何斌在《北京某单位数据中心节能优化分析》中指出:针对某大型数据中心早期规划无后备冷源情况及我国北方地区无引入自然冷源的情况,采用蓄冷罐+板式换热器的组合方案进行节能及增加后备能源。根据该地区的历史天气数据,分析数据中心核心指标PUE值,进而计算出节能目标值,确定了方案的合理可行性及经济性。

彭大铭在《数据中心供电系统节能减碳途径探讨》中指出:为降低数据中心供电系统碳排放水平,针对使用绿色能源、减少电源机房控温能耗、降低变换和输送损耗4个方面,从方案选择、设备选型和工程设计方向提出了具体举措。通过多种措施的共同应用,实现数据中心电源系统节能减碳。

彭精立、李星在《数据中心供配电节能方案分析》中指出:在国家“双碳”目标下,数据中心作为耗电大户,其节能问题日益凸显。在数据中心辅助系统中,耗能最多的是制冷系统和供配电系统。针对数据中心供配电系统,可以通过提升中压变电效率、优化UPS架构及效率、设置不同运行模式等方法降低供电能耗。对供电系统的节能方案进行对比分析,探讨数据中心供电节能的可执行思路。

雷婷、李银松在《高可靠数据中心节能技术分析》中指出:节能是当前数据中心建设的关键指标,而对追求高可靠性的数据中心建设运营,如何实现技术创新、节能减排,但又不能降低可靠性是棘手的问题。从机柜布局、空调系统、配电系统、智能管理系统多方面为高可靠数据中心如何实现节能减排、降低建设成本。

邵安、宋伟男在《数据中心节能建设研究》中指出:为降低数据中心PUE值,提高能源利用效率,从IT系统、空调系统、供配电系统三个方面,分析了数据中心建设过程中的节能技术,包含自然冷却技术、热管背板冷却技术、机房气流调节、市电直供+UPS/HVDC高可靠节能供电技术。通过引用实际应用效果和理论能效分析,采取这些措施,可以分别从不同维度降低数据中心能耗,有利于实现高效、节能、可持续发展的目标。

二、数据中心能源使用的构成
  
数据中心(DataCenter)是一座可容纳多台计算机或服务器及与之配套的通信和存储设备,包含电力保障系统、环境控制设备、安全装置等一整套复杂设施的多功能建筑物。数据中心与传统机房相比,具有密度大大、可靠性高、操作方式灵活等特点。不同于一般的建筑设施,数据中心为了保证计算机系统的安全可靠运行,能耗一般可以达到同面积写字楼的100~200倍,如此大的耗电量使得能耗管理成为数据中心设计人员都需要考虑的一个重要问题。能源消耗管理的主要目的是提高能源使用效率,降低与能源消耗有关的所有经济和环境成本,具体地说,数据中心的所有者关心能源消耗带来的投资和运营成本,而社会和政府则需要重视能源消耗过高对环境的影响。

一个典型的数据中心主要是由几个部分消耗电能,包括制冷空调系统、IT设备和照明,其中核心的IT设备,包括计算、存储、网络等,对整个数据中心的能耗消耗在30%左右,而其他70%左右的电能则被配套和保障设施消耗。在这些配套设施中,为保证IT设备运行所需的温度和湿度环境,所使用的制冷空调系统耗能最多,约占整个数据中心能耗的30%~50%,而UPS和配电单元等电源设备、IT设备电压、电流要求和保证供电安全可靠性的电源设备所需电能约占20%~25%。PUE(PowerUsageEffectiveness)是国际上比较通行的数据中心能源使用效率的衡量指标,是评价数据中心能源效率的指标。

在公式(2.1)中,PUE是一个能效比值,越接近1表明能效水平越好。

三、供配电系统
  
3.1数据中心损耗的组成
  
当前,对供配电系统的节能研究,重点放在了怎样减少电能损耗的问题上。在这当中,变压器损耗、UPS系统的损耗和电缆线缆的损耗是供配电系统的三大损耗。

3.1.1变压器损耗:由于变压器是一种具有非线性特性的设备,其损耗主要包括空载、短路等,这些部件的变化对其产生的影响很大,所以如何精确地对这些部件进行损耗的分析十分困难。经多年来的探索与应用,其损耗是其额定容量的5%-6%之间,具有很大的节能空间。

3.1.2UPS系统损耗:UPS的损失大致可以划分为三个方面:空载损失、成比例损失和平方律损失。众多的理论与实际情况证明,提高UPS的效率是降低UPS系统的损耗的有效方法,但效率与其负荷率之间又存在着很强的非线性关联。

3.1.3电缆线损:根据统计,在大规模的数据中心中,通常情况下对于电力电缆的使用是大量的,而且一旦进入运行状态,其线损也是不容忽视的。并且电缆的损耗与其长度相关,专家就谐波对电力电缆的损耗的影响进行了仔细分析研究,提出电力电缆由谐波引起的损耗与谐波次数和谐波含有率相关。

3.2合理采用DR配电系统架构
  
提升系统效率,A级数据中心电气系统可分为2N、DR、RR架构,通常来讲,设备冗余越多系统的可靠性越高,但效率越低。2N、DR系统架构可用性基本相同,在设计规划中选用DR系统架构较2N系统架构可以进一步提高变压器及UPS的负载率,系统对比如表3.1所示,进而降低损耗,提升系统效率。

例如,3间数据中心的计算机室可替换为机房,每个计算机室的IT负载为1000kW。变压器使用的是2N结构,选择了6个1250kVA的变压器,每个变压器的负载率大约是42.5%(不包括UPS的充电功率),选择了6套2x600kVA的UPS,每组UPS的负荷率是42.5%,这样的话,其效率大约是95%。变压器使用的是DR结构,选择了3个1600kVA的变压器,每个变压器的负载率大约是66.2%(不包括UPS的充电功率),选择了3个3×500kVAUPS,每个UPS的负载率是68%,其效率是96%。

由此可见,选用DR配电架构较2N架构可以减少变压器数量需求,提高UPS的负载率,进而提升UPS效率,降低损耗。采用DR系统架构对电气系统供电负载因子能带来约1%的改善值。

3.3采用市电+UPS(HVDC)的架构模式
  
采用此架构模式,利用市电直供降低IT配电系统损耗;

3.3.1市电+UPS(HVDC)混合使用;

3.3.2UPS(HVDC)模块具备智能休眠功能;

3.3.3采用市电+UPS(HVDC)直供时,市电供电质量应满足IT设备正常运行要求;

3.3.4采用HVDC时IT设备需采用定制的电源模块;

3.3.5为了降低对柴油发电机组的干扰,IT装置的电源必须具有大于0.95的功率因子,并且必须具有小于5%的谐波,这样才能防止由于电容负荷的冲击而引起的柴发机的带载问题。IT配电采用1路市电+1路UPS(HVDC)供电系统的效率与传统双路UPS系统供电对系统整体效率能带来约2%的改善值。

IT配电采用1路市电+1路UPS供电系统的电源效率如表3.2所示;

IT配电采用1路市电+1路HVDC供电系统的电源效率如表3.3所示;

IT配电采用2路UPS供电系统的电源效率如表3.4所示;

3.4谐波治理与无功补偿
  
数据中心IT设备、UPS、变频设备等都会造成很多谐波,为了降低配电系统谐波的影响,一般情况下,在配电室使用集中自动补偿、谐波治理设备,比如SVG+APF补偿装置,来实现对谐波含量的实时控制,并将功率因数补偿到0.95以上,以此来降低电能损耗。

设备选型

数据中心配电系统主要耗能设备包括变压器及UPS(HVDC),对变压器、UPS(HVDC)设备选型时,提出了采用新的节能装置或技术来降低装置本身的能量消耗,从而达到整个系统的节电效应。

3.4.1采用低损耗、高能效的变压器,根据《GB20052-2020电力变压器能效限定值及能效等级》规范标准,相同等级的电气用钢带变压器,二级的能源效率较三级的能源效率降低15%,负荷损失降低10%;在同样的负荷损失下,同样的容量,同样的能量级别的非晶态金属绝缘体,其空载损失要比普通的铁质绝缘体少60%。

目前A级数据中心配电系统通常采用2N架构,变压器常时运行负荷低于50%,空载损耗低对节能更加有利。变压器的空载损耗+负载损耗通常不高于1%。

3.4.2利用变压器的过载能力降低变压器的配置容量,减少系统的变压器空载损耗,带来节能效果数据中心UPS负载率,根据规定,确定不间断电源系统的基本容量时应留有余量。不间断电源系统的基本容量可按下式计算:

E≥1.2P(3.1)

在公式(3.1)中,E表示不间断电源系统的基本容量(kW/kVA);

P是电子信息设备的计算负荷(kW/kVA);

P/E≤1/1.2=83.33%,即负载率不大于83.33%;

依照UPS负载率标准,变压器负载率如表3.5所示:

由此可见,当UPS容量与变压器容量一致时,变压器常时负载率约为45%左右,当UPS的容量高于变压器20%左右时,变压器负载率为55%左右,变压器满载时的过载率不超过10%,也处于比较合理位置。合理的变压器过载能力能够降低配电系统对变压器容量的需求,对提升系统节能降耗起到正向作用。

3.5HVDC设备
  
高压直流系统(HVDC)的主要成分是交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监测模块。

在电网运行的时候,整流模块将380V的交流电转化为240V的高压直流,然后通过直流配电单元来为IT设备提供电力,并且还可以为蓄电池进行充电。当电网出现故障时,通过蓄电池为信息技术装置提供电力。

HVDC设备系统效率在96%上,比传统的UPS设备减少一个DC/AC逆变器及服务器机架内部的AC/DC整流器,配电环节减少了两次交直流间转换的电能损耗,从而提升了供电系统的效率。

高压直流设备(HVDC)无旁路设置,关键部位元器件损坏会对维修造成一定困难,可通过系统架构配置来实现设备的可在线维护或容错。

3.5.1巴拿马电源

巴拿马电源采用移相变压器取代工频变压器,从10kV~240V整个供电链路优化集成,降压和整流为直流这两个环节合二为一,同时减少了设备的占地面积及低压侧电缆损耗,提升了系统效率。巴拿马电源与传统IDC供电方案相比,功率模块效率达到98.5%,在轻载下20%时,效率可达97.5%以上。巴拿马电源在标准配置下最大可安装96台整流模块,模块具备智能休眠和热插拔功能。

相较传统数据中心电源架构,原低压配电系统中的低压母联、低压电容补偿、谐波治理等功能需要在高压侧来完成。

3.5.2高频节能UPS

数据中心UPS建议选用节能型高频机,输入功率因数0.99,谐波含量<3%。数据中心UPS长时间运行负载率低于50%,需要重点关注UPS低负载运行效率。在阶段性建设的项目中,可以使用具有动态休眠功能的模块机,该功能能够在系统负载很低时,结合电源监控系统,根据目前的总负载,自动地确定所需工作的整流模块或UPS的个数。这样,就能更好的提升系统的效率。

利用UPS的ECO运行方式,达到降低能耗的目的。在UPS旁路运行良好,电网电压良好的情况下,UPS通过旁路EMC滤波向负载供电,并使逆变处于备用状态;当旁路电压和频率超出一定限度时,UPS转换为双变换工作模式。当UPS采用ECO工作模式时,UPS的转换效率可以达到99%,比UPS双变换工作模式可以减少3%左右。

四、蓄电池监测系统设计
  
已有研究表明,很多不间断电源(UPS)的负荷比只有20%,而供电效率约为50%~60%。也就是说,超过50%的功率消耗来自于UPS和空调等设备。

在UPS供电系统中,蓄电池发挥着重要的作用,在发生故障时,蓄电池可以保证整个系统的运行。在供电系统的一系列故障中和蓄电池相关的原因约为总体故障的30%以上,降低故障率也可以有效地节能。因此,建立一套合理和行之有效的电池监控体系是非常有实际意义的。当前,在市面上,在数据中心铅酸蓄电池最主要的是一种储能类型,它与其它类型的蓄电池相比,具有性能很稳定、使用寿命较长、技术成熟度比较高的优势,表4.1列出了这种情况。

电池监测系统主要包括:环境温度探头、电流传感器、采集器(采集模块)、控制器、监控主机等如图4.1所示。本系统能对区域中所有的蓄电池监测模块以及每个蓄电池可以称为单体电池的工作参数和工作状况进行监控,对出现的问题发出警报或警告,同时还能向监测主机发出监测和控制指令。该系统具备以下几个功能:

       
(1)数据查询功能:本地监控系统与后台监控中心,可显示各项实时数据,进行参数设置及命令下发等操作,方便日常维护及传输出现问题时,维护人员进行现场数据查询及问题查看。

(2)数据上传、记录功能:后台监控中心历史数据保存时间不少于100天(24h×100天)。主控模块应能保留单体电池的初始内阻,能显示出电池使用阶段的内阻恶化程度。

(3)配置功能:可以进行在线配置以及修改,系统可以在线设置系统里偶尔需要修改的信息,如报警级别、报警门限、报警屏蔽及报警过滤条件等。

(4)报警功能;推荐采用多级报警方式,报警级别至少分为以下三级:紧急时刻报警:已经或者将要危及设备以及通信安全,应立刻进行处理的报警。重要报警:可能影响设备及通信安全,需要安排时间处理的报警。一般情况报警:发生了不会影响设备以及通信安全但应该注意的事件,需要向维护人员提示相关的信息、数据性能分析与统计。

(5)数据性能分析与统计:监控系统能以直观的形式对性能数据进行显示,并能对收集的各性能数据进行分析,检测异常状态。

五、照明系统节能设计

为了节能降耗,就必须对数据中心照明系统进行优化。首先,在符合国家标准的场所照度和照明功率密度的条件下,对光源进行合理布置、选择照明方式和光源类型,

5.1例如使用T8、T5系列三基色直管荧光灯、LED等节能的光

源,并应用电子镇流器、电子调光器、延时开关、光控开关、声控开关、感应式开关等装置,来减少灯具的能量消耗,减少线路损耗。以T5三基色直管荧光灯为例,与普通卤粉荧光灯相比,在同样照度的条件下,后者比前者的光效降低

30%,即新型节能光源节能达30%。

5.2同时还要选用高效的灯具,并按照眩光限制和配光要求的条件来进行灯具的布局,在相同的照度下,将灯具的效率提升,可以降低所需的灯具的数目,从而实现节能。这也是决定室内亮度的一个重要指标。在同样的照明条件下,如果照明设备的利用率较高,则需要的照明设备数目较少,从而实现了节约能源。

5.3应该采用智能照明控制或墙壁开关分场景、分区域控制,比如加入红外、光控、声控等控制手段,并根据机房列间、侧窗平行、维护、值班、安防等不同场景需求,自定义程序,实现分组定时开启/关闭,以达到对灯具的方便、灵活控制的目的,减少不必要的开灯次数,延长灯具的使用寿命,从而达到有效节能的目的。

5.4节能灯LED的使用

在数据中心园区内,应当使用LED灯进行路灯、空调间及模块机房的照明,并且路灯杆内的开关应当使用漏电保护开关。另外,在变电所、配电室、柴油机房和电池室等房间内的照明设备,应当设置开关位于变电所门外,工作人员在巡检前打开照明灯具,巡检结束后关闭照明灯具,以减少不必要的能源浪费。在这种情况下,照明灯具可以减少持续照明时间,每次最长照明时间不超过10min,总用电时间约为40min。这样做不仅可以方便工作人员巡检,而且能够减少用电量和成本空调制冷系统

六、空调制冷系统
  
数据中心的空调系统有一个明显的特征,即与传统的空调系统设计中的7/12℃相比,如果水系统的供水与回水之间的温差超过5℃,则可以被认为是一个大温差的系统。如果采用大温差供水系统,可以满足数据中心的特定要求。图6.1示出了制冷系统原理图。

6.1如果数据中心的湿负载很低,可以在不需要考虑除湿容量的情况下,通过增加回水的温度来实现具有较大的温差的系统。而在接近干燥状态的情况下,则可避免终端同时进行增湿和除湿,从而达到节能的目的。

6.2高级数据中心具有较大的设备冗余,在大温差、小流速的情况下,可以减少水泵、管道的选择,从而节省了占地面积,而且在初期的建造投资方面,与普通建筑物相比,更加经济,而且具有更为显著的节能作用。

6.3与舒适型空调相比,数据中心空调具有全年供冷稳定的特点,并且具有较高的冷负荷密度。采用大温差、小流量的系统,其总节能效果比普通的舒适度空调要好得多。

6.4加湿器的选择

空调自带加湿器功率较大,一般数据中心采用集中式加湿,其中湿膜加湿器具有良好效果,湿膜加湿是等焓加湿过程,会降低空气的温度,不会增加机房的热负荷,相反还会降低机房的显热负荷,从加湿节能的角度看湿膜加湿运行成本最低,所以机房加湿一般会选用-湿膜加湿机。

湿膜加湿器的特点:加湿能力自我调节,饱和效率高,不产生过饱和、结露现象;加湿距离短,节约空调机组的体积;强度高,耐腐蚀,寿命长;降低噪音,维护、保养方便,运行费用低等;良好的降温效果。

冷热通道封闭

根据分析,采用封闭冷通道或者是封闭热通道的方法,使数据中心内的冷、热气流相互分离。封闭冷热通道具有以下优点:防止产生机房局部热点。通过封闭冷通道或热通道,可防止从制冷装置里吹出的冷气在输送到机柜之前的途中里与热风相互混入。这样,当冷气流离开冷冻设备,抵达机房内所有机柜时,其温差变化的很小,也就是保持了IT设备进风口温度的一致,因此,就防止了局部热点的出现。

空调的送风温度可以升高到较高的温度时,依旧可以满足机房里IT设备安全而稳定的运行,不使用通道封闭的传统制冷方式,它的送风温度要低于IT设备所需的温度,才可以有效避免机房内某一机柜局部过热。利用封闭冷通道或者封闭热通道的方法,可以将冷热气流进行有效的分离,从而防止了冷热气流的相互混合,从而可以增加送风温度,并且送达冷冻设备的回风温度也会随之增加。回风温度升高能够使冷却盘管的热交换效率得到一定的提升,进而整体的能效得到提高。

通过消除热、冷气流的相互混合,并将空调系统的送风量设置在一定的范围内,使得空调制冷系统能够在超过露点温度的情况下正常工作。在送风温度超过露点温度时,室内的相对湿度并没有明显下降。如果空气湿度不降低的话,则无需增湿,既省电又省水。

在保证同样的制冷效果的情况下,两种模式均可降低空调系统的送风量,从而达到降低空调系统能耗的目的。

水侧节能

水侧制冷系统是指通过外部环境实现对数据中心内部空间的降温,其核心问题是通过外部环境为数据中心提供冷水,从而实现对水的自适应调节。一般情况下,制冷机组主要由机组、冷却塔、冷冻泵、冷冻离心水泵、冷冻水专用空调终端等组成,如图6.1所示。该系统采用中央空调,大大提高了机组的制冷效率。这样的制冷塔装置简便,操作环节所产生的噪声较小,投资和维修费用较合理。

相对于水侧节能系统,如果在制冷机组上增加带风扇的换热器,就可以通过制冷来降低数据中心的环境温度,而绿色节能系统就可以通过换热器来实现对环境温度的自动化监测。当操作系统进行特定的操作,在数据中心的外部环境温度达到预设的范围之后,水冷却机设备的冷却效应就会停止工作,水侧节能系统就会逐渐开始。

风侧采用自然制冷

在上面的基础上,利用天然冷却系统,将冷热两种不同的气流分别传送到了数据中心,从而显著提高了换热和冷却的实际效率。因此,在建立数据中心的过程中,必须保证长时间的冷空气天气,否则,将会受到天然制冷的限制。因此,在中高纬区域,天然冷却技术被普遍采用。我国大部分区域年均温度在20℃以下,他们使用最多的就是以风为主的天然冷却方式,具有天然的优势。利用天然风的方式进行自然冷却,不仅与环境温度、湿度有关,还与外部空气品质指标密切相关,如果空气质量达不到一定要求的话,就会对设备造成一定的影响,进而削弱了整个系统的性能。

制冷模式季节切换

1)冷机制冷模式:

离心式变频机组打开,利用阀门控制管路水的流向使得板式换热器停止工作,由冷机制冷提供全部冷负荷,此工作模式适用于夏季。

自然冷却模式

离心式变频机组闭合,利用阀门控制管路的流向使用板式换热器进行制冷,冷机停止工作。在这种方式下,由于冷水机组退出运行,使能耗大幅度下降。所以,提高自然制冷模式的使用时间可以有效地使PUE值更接近于1.此工作模式适用于冬季。

预冷模式

要先让冷却水通过板式换热器进行预冷,这样就可以让冷却水处于低频的工作状态,这样就可以节约一部分能源。此工作模式适用于春秋季节。

七、提高机房制冷的效率
  
可以清除地板下的障碍物以及把地板进行密封,同时安装高架抗静电的地板,这样数据中心的房间里的地板下的所有区域都将作为对制冷气体进行调整的静压箱,冷空气将从留有出气孔的排气孔底端输送到服务器柜前方。为确保冷空气的持续供给及有效的排风,可以在设计方案时,将地板高度留的足够深。

在负载分布上,可以选用比平均负载小的服务器,并将较少负载分配给多个服务器,使各服务器间的负载分布均匀,从而使各服务器间的负载分布均匀。1U的网络服务器所需的数量很大,可以将其在同一IDC机房内进行组装,并且分布在不同的网络机柜上。若箱体内还有垂直的闲置空间,可在箱体内加装隔断装置,以提高制冷的高效性。

UPS被设置在一个独立的空间里,并且被分开进行冷却,目前,大多数的数据中心都会把UPS和变电站里的其它装置放在一个空间里,这样做的好处是更容易管理和使用,坏处就是节能效果不佳。一般情况下,北方变电站冬天和一些春季和秋天是不用开空调的,只有在夏季更炎热时才会打开冷气。UPS与变电站中的其他设备,例如:变压器、开关、通信柜等,都被安装在了一起,这就使得变电站中总是有一种热源温度,这时就必须要开启空调来冷却。这样,就会产生空调机的电力损耗。不间断电源独立设置,有独立的空气调节装置,仅对不间断电源进行冷却。变电站在地面气温较低时无需降温,依靠室内气温和墙壁的自然降温。该方式能缩短空气循环时间,大大改善空气循环效果。

夏季时,为防止太阳直照射到循环水中,需在封闭的冷却塔四周加装反射板。在夏天,太阳直接照射在封闭的冷却塔表面,使其表面温度上升,对冷却水中的热量散失不利。在夏天的时候,在水塔四周增加反光板或遮挡物,可以使水温不会直射到表面,从而达到确保水温的目的。从而达到节约能源的目的。

八、水泵
  
8.1水泵功率的计算公式如下:

N=KP=KPe/η=KpgQH/1000η(8.1)

公式8.1中:P是水泵的轴向动力,kW,也称输入功率,是由电机传递给水泵的动力;

Pe是指泵的有效功率,kW,它也被称为输出功率,也就是单位时间内输出介质从泵中得到的有效能量。

Q表示水泵的流速,m3/S

H表示水泵的扬程,m

ρ为泵输送介质的密度,kg/m3一般水的密度为1000kg/m3(比重为1)

g为重力加速度,为9.8m/s2

K为电动机的安全系数,通常选取1.1-1.3;

η为泵的效率,通常是50%至85%。

大型水泵效率一般要求不低于80%,因此当水泵流量和扬程明确的情况下,水泵能耗基本确定。

8.2运行的安全可靠性

泵与电机是各种介质的循环和输送的动力,其工作的安全性对整个机组的安全可靠性有很大的影响,而机组的非正常停机常常会带来很大的经济损失,因此,为了提升机组的可靠性,在进行泵与电机的设计与选择时,一般都是在对其进行必要的牺牲,来增加其整体的可靠性。在保证机组安全性的前提下,提高泵与电机的经济性能是最重要的任务。

8.2.1合理选型

正确地选择泵与电机的工作参数和余量,既要保证工作参数有足够的余量又必须防止参数过高而造成运行效率的过多降低。

选择高效节能型产品是提高效率的前提。因此,合理选型需要了解泵与电机的产品系列的性能、规格,以及生产厂商的信用和产品质量的评估情况。

8.2.2选择最合适的调节方式

根据机组负荷变动的特征,合理选择泵的调节方式,机组带基本负荷时采用轴向导流器的经济性最好,采用轴向导流器加双速电动机的经济性能次之,采用变频调速的经济性最差。

8.2.3改进或改造原有的泵与电机

为使原有泵与电机达到节能的目的,需要在经济性分析的基础上,对造成其效率低的各个方面进行改造或改进。这方面的工作主要包括以下几个方面:

(1)选择产品质量可靠、效率高的新品、淘汰、更换掉那些技术落后,性能低下,效率低的泵或电机。

(2)为泵与电机的运行选择更高效的调节方式和运行方式。

(3)通过对泵与电机进行改造来消除其余系统不匹配的情况,包括经测算后重新设计叶轮,拆除一级叶轮、对叶片进行切割或加长的改造等手段改变原来的参数,以达到让泵的扬程和流量更好地符合机组运行的需要。

(4)改造管路系统,包括根治管道内的积灰垢堵塞、泄漏等问题,尽可能减小管路的阻力,使进入泵与电机入口的流速分布均匀等。

8.2.4水泵的变频

水泵变频节能理论分析

在数据中心的空调主机和末端精密空调中,大多数都使用了智能化设备,它们可以实时地按照负载情况对冷量输出进行调节,在某种意义上可以达到节能控制的目的。但是,在水循环系统(水泵)按初期额定流量、压力配置下,在实际负载小于设计预期的时候,它们会在大多数时间内处于低温差、大流量的情况下,从而导致了空调主机和水泵的能耗的增加。在低温工况下,调整冷冻水泵的工作频率(转速),降低冷却水的传输能耗,可以获得较好的节能效果。

在水循环系统中,最重要的耗电设备就是水泵,它也是通过调节水泵的转速来改变水系统的输送能量,因为水泵类负载的转速与转子的频率成正比,所以可以通过变频控制来实现节能效果,具体分析如下。

交流异步电动机的转速公式为:

n=60f(1-s)/p(8.2)

在公式8.2中,n为转速,f为频率,s为转差率,p为极对数。水泵属于平方转矩负载,即转矩T与转速n的平方成正比,即T∝n2,而电机轴的输出功率W∝T×n∝n3从这一点可以看出,在电机的速度稍微降低的时候,电机的功率损耗就会大大降低,从而大大降低了耗电量。

水泵变频改造设计

要对在各种空调冷负荷的条件下,空调的主机和变(工)频冷冻水泵的开启情况进行全面的考量,因此,控制策略应该使制冷水水泵同时拥有在自动和人工这两种模式下的启动、轮换以及停止功能,从而保证了空调系统的供冷充足、更加的节能高效。

在此次的应用中,变频节能装置它的最低频率应该能够达到每栋机楼的最远端的机房空调(或者是供水最不利端)扬程以及流量的要求,所以需要对温度和压力传感器进行合理的布置,并制订出相应的控制方案并对其进行相应的阀值设定,从而保证整个机楼能够正常地进行供冷工作。

各变频器所控制的设备可以手动或者自动选择在工频模式以及变频模式下正常运行,也就是在变频模式发生突发故障时,可以自动转为工频运行。

在已有的起动控制系统上,变频器控制系统与已有的起动控制系统是并联的,二者之间存在着电气和机械连锁,在变频器开始运行的时候,会切断与之对应的老的起动主电路,使其无法开始运行,反之,则会被切断。

  九、结论与展望
  
数据中心能源效率的提升需要从多个方面入手,本文以提升数据中心能源效率为核心,从数据中心供配电系统、照明系统、空调制冷系统、水泵方面给出了设计以及改进方案。在供配电系统中采用合适的配电架构方面、以及在设备的选型方面给出了设计,实现节能降耗。在照明方面选择了智能照明,实现了节能降耗。在空调制冷系统中,首先就从加湿器的正确选择方面实现节能降耗,其中,封闭冷热通道技术是一种非常有效的方法,可以更好的实现资源利用,以及在如何提升数据中心机房制冷的优化上提出建议。在水泵方面,追求更好的节能降耗,可以在水泵的良好运行与维护中,合理选型中,以及在水泵的变频上进行设计。

在数据中心未来的发展中,合理的使用氢能源,在海底数据中心建设中,在供电方面采用取消UPS的设计,制冷方面进入液冷时代,在数据中心的智能化方向还有很大的节能降耗前景。

编辑:Harris

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