上海置信应国网老旧数据中心机电系统能效诊断需调研历年能源消耗情况

2023-02-14

摘要：随着大数据时代的发展，原有老旧数据中心的机电系统已经落后于时代发展，需要进行升级改造，使其更加节能高效。 以某数据中心为例，对数据中心的主要系统和能耗部件进行了研究，有针对性地提出了节能改造的主要措施，提出了节能降耗的思路- 为数据中心的绿色高效运行提出减量化优化，提高数据中心的安全保障。 经济上，项目估算年节能量约300.7万度，节水2100吨，综合节能量8.1%。

关键词：数据中心； 综合节能； 电能管理； 技术改造

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能效诊断是通过对项目的能源数据分析、用能设备和系统能效对标、能源管理等进行集中调查和梳理，进行科学有效的研究、判断，从而达到建筑节能目标的方法。和诊断。 上海信信应国家电网公司要求，对其数据中心进行了能效诊断，分析了能源利用状况，通过现场调研和数据核实，研究了数据中心存在的能耗问题，分析挖掘节能潜力，提出可行的节能措施，引导数据中心运维人员提高能源利用水平。

数据中心能效诊断需要调查历年能源消耗情况，主要范围涉及数据中心的空调系统、照明系统、电源系统、UPS系统等，诊断步骤和方法为：根据建筑能耗统计，核实和收集各主要设备的能耗，检查设备的使用负荷，测试判断空调系统、配电系统等各类设备的运行状况。 通过调查、比较、诊断和审计，确定各耗能设备的能耗是否在合理范围内，评估数据中心设备和系统使用的能耗是否规范，管理是否科学，提出改造措施，并完成能效评价报告。

2 建筑能耗

数据中心作为容灾中心。 建筑面积约25000平方米，地上四层，地下两层。 共有机房16间，总面积约10000平方米。 配电系统采用2N进线，单线供电容量为8个高压变配电室，8个UPS室及蓄电池室，24个精密空调室，1个地下柴油发电机房。 年均用电量约3700万千瓦时。

数据中心和机房占总面积的90%，办公面积约占10%。 数据中心对供电和制冷的要求很高。 系统采用N+1环供冗余方式，运行时至少有两台制冷机组及相关配套设施同时运行。

2.1 空调系统

数据中心大楼采用中央空调系统进行制冷。 主要设备包括冷水机组（4台离心机组、2台螺杆机组）、冷却塔（2台52kW、1台37kW、2台46kW）、冷冻泵（2台90kW、2台75kW、3台37kW）； 冷却泵（四个 90kW，三个 75kW，三个 37kW）。 冷冻水通过环形双主管直供132台水冷精密空调； 新风机组为办公区、UPS机房、电池房、配电室等机房设备提供制冷。 调查发现，空调水系统未完成水力平衡，大马小车，冷却塔风机数量手动调节。

2.2 照明系统

数据中心照明系统约有4100盏节能灯和筒灯，总照明功率为140.8kW。 公共区域和数据中心区域采用人工控制。 大楼的照明光源主要采用普通日光灯和筒灯。 未满足规范规定的照度要求。

2.3 变配电系统

数据中心共有22台变压器，外线采用2N方式供电，分别来自两个开关站。 变配电系统采用双路互备方式连接。 UPS系统为16台数据机房服务器供电。 地下室配备多台柴油发电机组。 本机为电源提供应急电源。 通过对空调机房和变压器低压侧的现场测量发现谐波严重，且现场未安装有源谐波治理装置。

2.4 IT服务器及UPS系统

数据中心有5500台IT服务器； 8个UPS机房共56台UPS，每层2个UPS机房为本层4个数据机房供电。 数据机房机柜供电分为双路UPS供电和单路UPS加单路市电供电模式，通过勘察和负载测量，发现服务器的负载分布部分机房分布不均上海能耗管理系统风机，机房整体功率密度较低，负载区域分布及负载原因造成UPS低负载率损失较大。

2.5 设备构成及比例分析

根据设备能耗基础数据，将主要设备能耗划分为能源成分。 参照数据中心制冷系统正常运行情况，IT系统能耗占整体用电量的56.7%，制冷系统能耗约占29.7%。 损耗约占8.5%，变压器损耗约占2%，照明弱电及其他用电约占3.1%。 经计算，夏季工况PUE为1.7~1.8，冬季工况PUE为1.4~1.6。 能量比例分析图如图1所示。

图1 能量比例分析图

根据图1的能量比分析可以得出，在保证IT设备业务量的前提下，空调系统和配电系统是本次节能改造的重点。 针对上述数据中心存在的能耗问题，在对设备构成能效进行分析后，制定如下技改方案。

3 技术方案

3.1 措施一：自然冷源系统

冷站负荷分为数据中心冷负荷和写字楼负荷。 系统配备冷冻水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔。

数据中心屋顶上的一个新的微型气象站连接到天气预报系统。 通过实时了解天气变化，优化制冷方式调整相应工况，新增一套自然冷源制冷系统。 气温较低时，开启板式换热器进行换热，充分利用自然冷源，实现冷却塔对机房的自然冷却，从而减少离心机组的运行台数。 自然冷源供冷的节能效果在北方寒冷地区尤为明显，预计每年可节电125.2万度。 自然冷源系统示意图如图2所示。

图2 自然冷源系统示意图

3.2措施二：机房群控系统

升级机房群控系统，实现对原有冷水机、冷却塔、水泵等设备的远程监控，根据实际制冷量、机房温度等实测，通过PID调节优化制冷机组运行负荷参数。 区分夏、春、秋、冬工况，分别编程，将冷水机组冷冻水出口温度夏季提高5℃，春秋季提高7.5℃，有效提高制冷机组工作时的效率。匹配端的温度保持不变。 研究表明，通过优化制冷机组运行方式，定频制冷机组运行在80%~90%负荷范围内，变频制冷机组运行在60%~70%负荷范围内。 冷水机能效提升约8%，此项节能措施预计每年可节电20万度。

3.3 措施三：优化水泵运行逻辑

设计院在初期设计水泵系统时，考虑到冗余通常会超配。 如果控制策略不理想，水泵会工作在冗余状态，造成大马小车。 当流量满足时，变频水泵可以通过降低水泵在部分负荷时的运行频率来节能。 通过群控软件升级，制定符合实际工况的控制程序，使制冷系统制冷量与循环水泵流量相匹配。 通过变频电机与工频电机的逻辑组合，提高水泵效率，降低水泵系统的冗余能耗，使系统工作在最佳的水力平衡状态。 通过以上措施，水泵能耗可降低5%左右。 此项措施预计每年可节电80,000千瓦时。

3.4 措施四：冷却塔逻辑控制

改进冷却塔的逻辑控制，采用自动控制技术提高冷却塔的节能效率，安装防冻传感器，防止冬季盘管结冰，室外时开启相关冷却塔温度下降到零阈值，优先使用冷却水温，避免接水板受热填料结冰，从而减少冷却管路电伴热的使用时间，节约电能。 夏季可通过增加冷却塔开启台数，降低冷却塔风机运行频率，增加风机开启台数降低综合能耗，配合变频控制，增加换热面积通过冷却水泵的控制实现冷却管路的水力平衡，通过逻辑控制性提高系统的安全性。 这项措施估计每年可节省 50,000 度电。

3.5 措施五：机房冷通道系统

根据服务器安装密度和数据流量分区，推进机房冷通道系统的实施。 机房冷通道系统不同于常规的开放式机柜布局。 即利用机房机柜的独立隔离空间，采用“先对设备降温，再对环境降温”的理念，让冷空气通过前行的方式进行冷热空气交换然后出去。 冷通道系统可有效提高系统换热效率，与开放式空调系统相比，减少冷空气的扩散，使冷热空气各行其道，避免二次混合。 按照机房1/4的冷通道系统布置，该措施预计每年可节省空调能耗约53.7万度。

3.6 措施六：智能照明系统

数据中心机房更换为光效高、寿命长、显色指数好的LED光源灯具，并增加了智能照明控制系统。 在楼道、电梯前室、卫生间等公共照明区域安装人体感应传感器，通过直接数字控制器DDC进行控制，结合照明分区调整接线，做到人来灯灭人离开时，通过人体感应和定时控制措施，预计每年可节电约65000度电。

3.7 措施七：UPS电池监控系统

在机房管理方面，通过优化服务器布局、虚拟化等技术，降低冗余服务器的能耗。 数据中心大多使用铅酸电池系统。 内阻增大会导致电池发热鼓包，进而导致供电系统安全性整体下降。 建议增加储能电池在线监测系统，通过电池管理系统对组串进行管理，实时监测电池组的总电压、分压、内阻等，对电池组进行脉冲激活充电时对电池进行充电，以提高电池的硫化，延长电池的使用寿命，降低电池的年报废率。 电池管理系统框图如图3所示。

图 3 电池管理系统框图

通过更换坏电池减少充放电热损失。 这项措施预计每年可节省 278,000 度电。

3.8 措施八：有源滤波系统

谐波测量按-5-52的要求进行。 由于数据中心使用的电源大多为开关电源，在工作时会造成谐波反馈到低压电网侧，影响电网侧电能质量。 谐波会导致线路损耗增加。 较大，影响配电系统的功率因数。 为了减少谐波的影响，改善电能质量，研究通过在数据中心变压器的低压侧安装电流互感器和有源滤波系统APF（电源）滤除3~50次谐波。 奇次谐波，改善电流总谐波失真THDi。 APF除谐波治理外，还对原无源LC滤波器具有动态补偿和三相平衡调节功能。 有源滤波系统可以提高IT设备运行的稳定性，减少线路损耗，减少控制系统故障。 机率、减少继电保护装置误动作等。该措施预计每年可节电42万度。

3.9措施九：中水回用系统

中水回用系统是将外来废水和冷凝水经过多级过滤和膜反应处理，去除水中的各种杂质和有害成分，使其清澈、无色、无味，收集中水回用。 数据中心有很多精密空调和风扇。 设备冷却后，集水盘会产生大量冷凝水。 通过在制冷设备的冷凝管路安装PPR管，将其引至中水箱，将冷凝水转化为可重复使用的回用水。 水用于冲厕、绿化浇灌，减少市政供水，达到节水效果。

本项目预计每年可节水2100吨。 按照当地6元/吨的水价计算，此项措施预计每年可节约13000元。

3.10措施10：光伏发电系统

据调查，数据中心的屋顶有1000平方米的空置面积。 通过增加光伏太阳能组件和逆变器，采用自用余电并网的低压并网方式，为建筑照明等系统提供清洁能源供电。 光伏发电系统在项目所在的北京昌平地区装机容量约为每年1482小时，预计光伏发电系统年发电量为12.7万千瓦时。

4。结论

以某数据中心为例，研究了数据中心能效诊断的主要系统，阐述了各系统的工作原理，提出了数据中心建筑节能改造的主要方向。 通过以上节能改造措施，可以有效降低数据中心的PUE。 数据中心预计每年可节约能源约300.7万度，节水2100吨。 根据当地水电价格测算，年节约成本约271.9万元，估算总投资约1250万元，静态投资回收期约4.6年。 综合节能率为8.1%。 本研究为数据中心建筑节能降耗提供了多种思路。 在节能降耗的同时，也提高了数据中心机电系统运行的安全性。

当日能耗曲线

再来一次红霞

摘要：本文介绍了天津医药研究院有限公司国家重点实验室及科研成果产业化基地的能耗监控系统。 智能电表用于采集配电现场的各种电气参数。 水表测量每层厕所的用水量。 组网后与现场总线通信并远程传输至后台，通过Acrel-5000建筑能耗监测系统实现对配电回路用电量、用水量的监测分析。

关键词：大型公共建筑； 能耗监控系统； ACREL-5000。

1 简介

近年来，多项建筑节能管理标准导则和重点用能单位能耗在线监测管理标准相继出台，能源利用效率越来越受到重视。 安科瑞能源管理云平台可为建筑和企业能耗、节能提供数据支持。

2 设计依据

GB-T 15587-2008《工业企业能源管理导则》

《企业合理用电评价导则国标》

《企业节能规划通则》

《企业能源审计技术通则-国标》

-2009《能源管理体系要求》

GB-50052-2009《供配电系统设计规范》

能耗计量装置国家和行业标准

3项目概况

天津药物研究所有限公司国家重点实验室及科研成果产业化基地项目分为两栋楼，第一实验楼和第二实验楼。

实验一层有PZ80系列多功能电表22只，水表15只； 实验二楼65台PZ80系列多功能电表和19台水表； 1#配电室PZ80系列多功能电表62台。 后台位于一楼值班室。 后台位于一楼值班室。 因此，根据本项目的性质，设计了一套能耗系统。 电表的数据直接通过能耗网关的串口进行采集。

本项目旨在解决能源消耗基础数据的智能化、自动化、可视化、可量化的采集和存储； 建立能源管理平台，实现能源集中管理； 深入分析能源消耗的过程和趋势； 建立能耗监测和公示平台。 通过对电能介质的统一综合管理，可以查询和分析各区域设备的能源使用情况，帮助管理者发现潜在的节能机会，提高能源利用效率，科学有效地管理能源使用情况，从而降低能源使用成本。 建设节约型社会发挥作用。

4 系统架构

Acrel-5000建筑能耗分析与管理系统以工作站主机、通讯设备、测控单元为基本工具，为大型公共建筑的实时数据采集和远程管理提供基础平台。 它可以与其他楼宇自控系统进行通信转发，构成一个复杂的监控系统。 能耗系统主要采用分层分布式计算机网络结构，如系统结构图所示：

系统结构图

5个系统软件模块

综合能耗主界面

反映当年建筑能耗各类别能耗和折合标准煤的综合能耗，计算单位面积能耗；

能耗主要采用电表计量，界面下方显示电能按天计算的小时能耗曲线； 点击各类能耗的上方区域，跳转到该类能耗分析主界面；

可通过下拉框切换建筑，可根据项目需求更换建筑图片；

分类能耗主界面

反映某类能源消费（如电力）当日与昨日同期、同月与上月同期、本月同期的能源消费量及比较、增长百分比和增加值。当年及上年同期；

反映某类能源消耗在过去48小时、过去31天、过去12个月、过去3年的能源消耗趋势；

反映具体能耗项目的当月能耗饼图；

反映了当年各月某类能源消耗量同比分析图；

分类能耗分会能耗统计报表

可灵活选择分支机构，统计一定时间段内分支机构每天、每月、每周、每季度、每年的能耗情况；

通过数据透视表的强大功能，用户可以进行各种数据统计，并对数据进行合并排序；

统计数据可以以直方图、点线图、堆积图、饼图等多种图表形式展示；

统计数据可导出Excel；

分类用能分部非工作日用能

统计各网点在工作日和非工作日的能耗情况，非工作日可通过系统灵活设置；

统计数据可导出Excel；

分门别类用能同比分析

各支路当年月度能耗及上年同期能耗统计；

分类用能分会用能采集

任意两次查询各支路的抄表读数，并计算差值；

时间精确到分钟；

分时段分类用能行业用能趋势分析

可以查询某段时间内任意支路的能耗参数（如电压、电流、功率、功率因数等）。 可查询的具体参数与安装的仪器和系统配置有关，查询不能跨月；

数据以图表或表格的形式展示，图表可以通过鼠标操作放大、缩小、移动； 数据可以排序（最大值，最小值）；

数据可以导出到Excel；

分项能耗主界面

配置选项

按照相关技术规范配置建筑的基本信息，如：建筑功能、建筑面积、空调面积、建筑地址等，其中建筑面积等信息将分析单位面积能耗；

配置项目所用仪表的类型、型号、生产厂家等基本信息，并添加该型号仪表可提供的监控参数信息。 这里的配置影响能耗统计、按时间统计能耗、参数查询功能；

配置项目中使用的所有计量仪表，保存计量仪表的地址、变比、对应的采集器、编码、监控电路名称等信息；

配置分项能耗统计涉及的计量、比例、计算方式等信息，可根据项目情况灵活配置。 这里的配置信息会影响到每个品类的子项能耗分析模块中的功能；

配置各部门能耗对应的计量仪表、计算方式、比例和部门能耗计划。 完成此配置后，将启用部门能耗分析功能模块；

配置建筑内某一用能面积对应的仪表、计算方式、比例。 完成此配置后，将启用区域能耗分析功能模块。

6 展望

根据天津医药研究院有限公司国家重点实验室和科研成果产业化基地的能耗运行效果分析，建立典型的能耗分析模型进行统一分析。

建立建筑能耗计量制度，盘点建筑能耗，发现黑幕能耗，使节能改造更有针对性。

选择节能电器。

再好的节能设备，也无法控制浪费，发挥不出节能效果。 通过增加自动化节能设备，制定设备运行策略，减少人为干预，集中管控，节能设备正在实现节能。

通过能耗监测系统提供的同比分析数据，量化节能改造的成果松江能耗管理系统价格表，论证节能效果。

7 结论

大型公共建筑总面积不到城镇建筑总面积的4%，但能源消耗总量却占全国城镇用电量的22%。 大型公共建筑单位面积年用电量达到70~10~20倍。 公共建筑是节能大户和节能重点。 做好天津药物研究所有限公司节能工作，对于推进和带动节能工作，实现节能减排目标具有重要意义。