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      數據中心機房基礎設施建設技術研究及監控產品選型

      發表時間:2021-05-07  |  點擊率:160
        程志芳
       
        安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801
       
        引言
       
        數據中心是數字化和信息化的重要基礎設施,對安全性、可靠性要求較高。同時,數據中心屬于高耗能產業,節能增效是其重要的研究領域,也是行業發展和國家政策的方向。在節能減排的大環境下,數據中心需要在機房基礎設施方面不斷進行新技術的研發,實現節能降耗的目標。對此,本文從制冷系統、動力系統和照明系統等方面入手,對各項新技術進行了研究和分析,以期能為數據中心機房的基礎設施建設提供技術參考,實現數據中心的綠色高效運營。
       
        一、數據中心制冷系統新技術研究
       
        通常,制冷系統的能耗占數據中心所有系統能耗的31%左右,是其主要的能耗組成部分。因此,制冷系統能耗優化在數據中心所有系統中空間、成效快且節約成本多,可以降低數據中心的能耗和PUE值,提升節能水平。制冷系統主要包括節能控制、系統形式、冷源站設備、末端設備以及冷卻方式等五方面,下面分別對其中的新技術進行分析。
       
        1.節能控制
       
        (1)高水溫供冷
       
        根據理論計算和工程經驗,冷水機組蒸發溫度提高1℃,制冷效率提升3%~4%。因此,提高冷凍水溫度有助于提升機組效率,降低能耗。同時,冷凍水溫度的提高可大大降低冷凍水管路傳輸的損耗,有效避免系統和末端設備結露現象。另外,提高冷凍水溫度,能使機組運行負載減輕,設備的健康狀況得以改善,修理周期延長,可大大降低設備維護和配件更換的費用。
       
        由于數據中心全年制冷,提升冷凍水溫度,不僅可以提高冷水機組的效率,改善設備健康狀況和機房環境 溫濕度狀況,還可以延長自由冷卻時間,節約制冷系統運行費用,降低數據中心 PUE。根據《數據中心設計規范》中的規定,冷凍水供回水溫度為 7~21℃ /12~27℃,并且建議采用較高的供回水溫度實現數據中心的節能。因此,高水溫供冷有助于數據中心降低制冷系統能耗,提升整個數據中心的節能水平。
       
        (2)人工智能尋優節能技術
       
        人工智能尋優節能技術是通過人工智能優化算法對制冷系統各參數進行優化控制,以使制冷系統全局能耗低。目前,常規空調系統一般基于人工經驗進行空調系統的運行控制,需經過長期的不斷調節和修正,且控制模式較為傳統,具有一定的優化空間。與之相比,人工智能尋優節能技術是指在現有設備基礎上,利用人工智能算法并結合歷史數據對制冷系統各參數進行尋優,給出運行狀態,可顯著降低空調系統運行費用,實現資源利用。由于人工智能尋優節能技術對空調系統智能控制,可以有效降低運維成本及系統安全風險。目前 Google、華為已將人工智能尋優節能技術應用于數據中心,節能效果明顯。人工智能尋優節能技術不僅可以提升數據中心的智能化控制水平,還可以降低數據中心的運行和維護成本。
       
        2. 系統形式——冷水機組與板換串聯架構
       
        冷水機組與板換串聯架構是將板式換熱器設置在水冷側,與冷水機組一一對應布置。冬季采用板式換熱器自由冷卻,過渡季節利用板式換熱器預冷回水溫度,冷水機組進一步壓縮制冷,充分利用室外冷源,節省運行費用。冷水機組與板換串聯架構工作原理。
       
        冷水機組與板換串聯架構根據室外環境溫度主要有以下三種運行模式:
       
        一是壓縮機制冷。冷水機組制冷,板式換熱器不工作。
       
        二是聯合制冷。先經板式換熱器預冷,然后再由冷水機組進一步制冷。
       
        三是完全自由冷卻。冷水機組不工作,板式換熱器供冷。
       
        與傳統數據中心所采用的冷水機組與板換并聯架構形式不同,串聯架構大幅簡化了系統架構,控制方式更為清晰和明確,運維切換便捷平滑,降低運維風險,提高系統安全可靠性。新的架構形式具有壓縮機供冷、聯合制冷和自由冷卻三種運行模式,在過渡季和冬季都可利用室外自然冷源進行制冷,大幅延長自由冷卻的使用時間,提高自然冷源利用率,節省運行費用。因此,冷水機組與板換串聯架構優于傳統數據中心制冷系統架構,節能效果明顯。
       
        3. 冷源站設備
       
        (1)高壓變頻冷水機組
       
        隨著近幾年高壓變頻技術的快速發展,高壓變頻器應用越來越廣,高壓變頻冷水機組是將高壓變頻器應用于冷水機組,充分利用了高壓供電系統簡潔、投資少、占地面積小以及變頻器節能、快速啟動的特點。與傳統的高壓定頻機組相比,高壓變頻冷水機組主要是利用變頻器變頻調速、降低能耗的優勢,機組變頻可以大幅降低機組在部分負荷下的能耗,高壓變頻機組的應用可以節能約 15%。同時,高壓變頻機組具有減少喘震發生、降低冷機噪音和快速啟動等特點。數據中心的水冷系統可以采用高壓變頻冷水機組來提升機組的效率,降低制冷系統的運行費用。
       
        (2)自然冷卻風冷冷水機組
       
        自然冷卻風冷冷水機組是通過在傳統風冷螺桿機組上增設一套自然冷卻盤管用于自由冷卻,冬季采用室外自然冷源制冷,夏季采用壓縮機制冷,過渡季節采用壓縮機和室外自然冷源聯合制冷。
       
        傳統的風冷螺桿機組只能采用壓縮機制冷,不能利用室外自然冷源進行制冷,節能效果較差。自然冷卻風冷冷水機組有壓縮機供冷、混合制冷和自然冷卻三種運行模式,在過渡季和冬季充分利用室外自然冷源,大幅延長自由冷卻的使用時間,提高自然冷源利用率,節省運行費用。同時,機組內置自由冷卻且根據室外氣象參數自動切換制冷模式,無需通過人工切換閥門和調整機組運行狀態,降低系統復雜度和運維難度,提高系統可靠性。對于數據中心的風冷系統的冷源主機可以采用自然冷卻風冷冷水機組,充分利用室外冷源,降低制冷系統的運行費用。
       
        4. 端設備
       
        (1)純行級空調
       
        對于機柜內滿配服務器的高供電密度機房,傳統的精密空調房間級制冷方式已不能滿足環境的要求。行間級空調采用冷風從冷通道送風、后由熱通道回風的水平送風方式,從而保障了服務器對溫度的要求,消除了局部熱點,進而在增加了服務器運行可靠性的同時有效降低不必要的能耗。
       
        房間級空調一般通過地板下送風上回風的形式,送風距離長,冷量損失大。而行間級空調一般緊靠熱源布置,近端制冷,送風距離短,冷量損失小,降低空調設備能耗。房間級空調需要設置空調間,而行間級空調體積小,可以快速部署,便于擴展,并且行間級空調采用水平送風方式,無需架空地板,降低基建投資。因此,為了降低空調設備能耗,同時應對服務器功率密度的提高,數據中心末端空調設備可以采用行間級空調取代房間級空調。
       
        (2)非標設備冷通道封閉
       
        為了優化數據機房氣流組織,機房服務器一般采用“面對面,背對背”設置,并將機架冷空氣進口側進行封閉,形成冷通道封閉,冷熱氣流之間互不影響,有效防止冷熱氣流短路,提高空調系統的風量利用率和冷風利用率,降低空調系統的能耗。 冷通道封閉一般針對標準的服務器進行設置,由于數據中心除了傳統的標準服務器外,還有大量的網絡機柜、小型機和存儲設備等非標設備,這類設備尺寸和樣式多樣化,封閉難度較大,普遍不采取冷通道封閉措施,導致機房氣流組織不能很好地優化,影響制冷空調的出風溫度設定和能耗。對于非標設備可以通過設置預制框架并通過調整封閉隔板尺寸等措施實現冷通道封閉,從而優化機房氣流組織,提高機房送風溫度,進而提高整個空調系統的供冷溫度,降低空調系統的能耗。
       
        5. 冷卻方式——液冷服務器
       
        液冷服務器是指通過將水或氟化液注入服務器,通過冷熱交換帶走服務器的散熱,從而取代常規的風冷模式。與傳統的風冷相比,液冷的比熱容大,能吸收大量的熱量,CPU的溫度能夠得到很好的控制,節省服務器的數量。由于液冷服務器的冷卻液直接導向熱源,不僅省掉了風扇及機房專用空調系統,而且可以采用較高的溫度,大幅提升室外免費冷源的使用時間,節省運行費用。此外,整個液冷系統的噪音比風冷系統小很多,可達到“靜音機房”的效果。數據中心服務器的功率密度越來越高,液冷服務器的部署有助于突破現有制冷形式的限制,并且節能。
       
        二、數據中心動力系統新技術研究
       
        動力系統是制冷系統之外主要的能耗組成,同時動力系統的安全可靠是數據中心穩定運行的前提。動力系統能耗的主要來源是不間斷電源系統,也是動力系統節能的重點。而數據中心安全可靠運行需要動力系統的設備可靠和運維便利。為此,針對動力系統,在不間斷電源設備、末端配電和蓄電池等方面進行新技術的研究,我們對微模塊化 UPS、旁路 UPS、智能配電母線和鋰電池等新技術進行了分析。
       
        1. 不間斷電源設備
       
        (1)微模塊化UPS
       
        微模塊化UPS通過多個模塊并列,實現大功率輸出。每套系統由功率模塊、監控模塊和靜態開關組成,功率模塊并聯平均分擔負載,如遇故障自動退出系統,由其他功率模塊來承擔負載。獨特的冗余并機技術使設備無單點故障,以確保電源的可靠性。所有的模塊可以熱拔插,實現在線更換。
       
        與傳統的塔式UPS相比,微模塊化UPS具備熱插拔電源和電池模塊,可在線維護,提高系統安全性,兼容各種機架和 PDU,可單獨部署,也可與IT設備一起安裝;同時,還支持外部電池柜以延長運行時間。微模塊化UPS還具有模塊休眠技術,在負載率低時整機運行效率仍可達到96%,而傳統塔式UPS在負載率低時運行效率一般僅為90%。因此,模塊化UPS運維和能效優于傳統塔式UPS,可有效提升數據中心供電設備的可靠性和節能水平。
       
        (2)旁路UPS
       
        旁路UPS是在市電品質較好時利用UPS旁路直接供電給數據中心的IT負載,UPS內部的逆變器處于在線備份狀態,當市電電壓和頻率波動加劇時,切換到UPS雙變換模式進行供電。
       
        相對于傳統UPS,旁路UPS既可以利用雙變換模式供電,也可以利用旁路模式供電。通過旁路模式供電,旁路UPS可以實現市電直供,供電效率可以達到近99%,有效節約UPS能耗,提高UPS效率。旁路 UPS是在原有架構基礎上實現市電直供模式,可提高系統可靠性
       
        2. 末端配電——智能配電母線
       
        智能配電母線是利用軌道式低壓母線為機房末端設備供電,代替傳統的精密配電柜加電纜的供配電方式,采用即插即用的插接箱,可實現在母線槽不斷電情況下在任意位置進行連接或斷開,實現快速部署,隨需而變。
       
        與傳統的“精密配電柜 + 電纜”的配電方式相比,智能配電母線節省機柜空間,可根據機房機柜配置進行按需擴容,用電需求可在線隨時隨需增減,并且可隨時實現單相、三相轉換。同時,具有母線安裝快速、插接位置靈活、運維方便和接線美觀等優點。智能配電母線有助于降低數據中心的運維成本,提升數據中心的可靠性
       
        3. 蓄電池——鋰電池
       
        傳統數據中心采用鉛酸蓄電池,由于鉛酸蓄電池的放電倍率低,導致其體積大、重量重,而鋰電池具有更高的能量密度與更高的輸出功率密度,體積小,占地面積減小約 50%;重量輕,約是鉛蓄電池的 1/5。鋰電池具有更長的生命周期且免維護,-20~60℃較廣的溫度適應性,充電時間更少且自行放電的速率更佳,月自放電率僅為 1%,能在發生運行中斷時發揮重要的作用。同時,鋰電池采用模塊插拔設計,運維便利,內置監控系統可以實時關注電池的充放電及溫度狀況。因此,鋰電池在安全性方面可充分保證數據中心的可靠運行,并大幅提升數據中心機房基礎設施的利用率,降低基建成本和運
       
        維成本。
       
        三、數據中心照明系統新技術研究
       
        由于數據中心的 IT 設備全年 7×24小時不間斷運行,考慮到巡視和安防的需要,照明系統需要長期運行,其能耗和壽命都受到影響。隨著新的照明技術的不斷發展,更為節能、安全和智能的照明系統可以大幅節省數據中心運營費用。結合照明系統的發展和數據中心的運營特點,我們對LED照明、智能照明等新技術進行了研究分析。
       
        1.LED 照明
       
        LED 照明燈作為一種新型綠色半導體發光二極管,在相同情況下,其有效發光率比普通光源要高,且本身不含汞、鉛等有害物質,廢棄物可回收,光譜中沒有紫外線和紅外線,在生產和使用中不會對外界產生污染。紅外感應LED照明是基于LED照明通過感應人體的紅外熱輻射檢測光環境狀態,通過內置延時開關,對燈具進行開啟、微亮和關閉。
       
        傳統數據中心一般采用熒光燈進行照明,與熒光燈 相比,LED照明光效率高,可以達到90%,比傳統熒光燈節能70%。LED 照明壽命可達 50000小時,并且無燈絲、無玻璃泡,不怕震動,不易破碎,可降低燈具的維護工作量和成本。LED照明不含汞、鉛和氙等有害元素,利于回收和再利用,而且不會產生電磁干擾。不僅如此,采用LED照明的總體照明能耗下降,使其產生的顯熱量也將有所下降,可以降低機房區域空調負荷,進而降低空調系統的能耗。紅外感應LED照明不僅具有LED照明的優點,而且具有智能感應,實現人來燈亮、人走燈滅,可進一步降低照明能耗。
       
        從數據中心來看,機房樓由于人員較少,考慮到巡視和安防的需要,可以采用分區照明控制。在公共走道區域,采用人體感應LED照明,深度節能;機房區域采用智能調光 LED 照明,綠色節能。
       
        2. 智能照明
       
        智能照明是指利用物聯網技術、有線 / 無線通訊技術、電力載波通訊技術、嵌入式計算機智能化信息處理以及節能控制等技術組成的分布式無線遙測、遙控和遙訊控制系統,來實現對照明設備的智能化控制。智能照明系統利用計算機平臺統一管理與維護,可以實現分區域照明控制和智能調光控制,針對不同區域采取不同的運行策略,降低能耗??蓪崿F場景化設定,針對不同場景開啟不同的照明路線和方式,還可以實現自動巡檢、自診斷和自恢復功能,便于運維。智能照明系統提升了數據中心運維和管理效率,實現了照明系統的智能化控制,深度節能。
       
        綜上所述,數據中心基礎設施是數字化和信息化的基石,決定了數據中心的建設和運營水平。本文針對數據中心機房基礎設施的新技術進行研究,在制冷系統、動力系統和照明系統等方面提出了適合數據中心機房基礎設施的新技術,各項新技術在節能、運維和占地等方面具有顯著優勢,有助于實現數據中心安全、可靠和高效的運行。數據中心機房基礎設施新技術的研究可為數據中心機房基礎設施建設提供技術參考,推動數據中心技術水平的提升。
       
        四、安科瑞列頭柜及監測產品介紹
       
        隨著數據中心的迅猛發展,數據中心能耗問題也越來越突出,高效可靠的數據中心配電系統方案,是提高數據中心電能使用效率,降低設備能耗的有效方式。
       
        AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的,能夠綜合采集所有能源數據的智能系統,為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息,并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統,實現對整個數據機房的實時監控和有效管理,為實現綠色IDC提供可靠保證。
       
        1精密配電管理解決方案
       
        1.1交流系統
       
        1)功能要求:
       
        遙測:輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度;輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度;
       
        遙信:輸入分路的過壓/欠壓,缺相,過流,輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
       
        1.2直流系統
       
        1) 功能要求
       
        遙測:輸入分路的電壓、電流、功率、電度;
       
        遙信:輸入分路的過壓/欠壓,輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
       
        五、 安科瑞母線槽監測產品介紹
       
        1 概述
       
        數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來,隨著數據中心建設的快速發展和更高需求,智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中,具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點,即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊,將數據上傳至動環監控中心。
       
        2  AMB智能小母線管理系統
       
        1)交流系統功能:
       
        遙測:三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度,系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率;
       
        遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;
       
        2)直流系統功能:
       
        遙測:電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率;
       
        遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;
       
        參考文獻:
       
        【1】 王超.中國工商銀行數據中心基礎技術實驗室.
       
        【2】 安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.
       
        【3】 安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.
       
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