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数据中心机房基础设施建设技术研究及监控产品选型

发表时间:2021-05-07  |  点击率:118
  程志芳
 
  安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定  201801
 
  引言
 
  数据中心是数字化和信息化的重要基础设施,对安全性、可靠性要求较高。同时,数据中心属于高耗能产业,节能增效是其重要的研究领域,也是行业发展和国家政策的方向。在节能减排的大环境下,数据中心需要在机房基础设施方面不断进行新技术的研发,实现节能降耗的目标。对此,本文从制冷系统、动力系统和照明系统等方面入手,对各项新技术进行了研究和分析,以期能为数据中心机房的基础设施建设提供技术参考,实现数据中心的绿色高效运营。
 
  一、数据中心制冷系统新技术研究
 
  通常,制冷系统的能耗占数据中心所有系统能耗的31%左右,是其主要的能耗组成部分。因此,制冷系统能耗优化在数据中心所有系统中空间、成效快且节约成本多,可以降低数据中心的能耗和PUE值,提升节能水平。制冷系统主要包括节能控制、系统形式、冷源站设备、末端设备以及冷却方式等五方面,下面分别对其中的新技术进行分析。
 
  1.节能控制
 
  (1)高水温供冷
 
  根据理论计算和工程经验,冷水机组蒸发温度提高1℃,制冷效率提升3%~4%。因此,提高冷冻水温度有助于提升机组效率,降低能耗。同时,冷冻水温度的提高可大大降低冷冻水管路传输的损耗,有效避免系统和末端设备结露现象。另外,提高冷冻水温度,能使机组运行负载减轻,设备的健康状况得以改善,修理周期延长,可大大降低设备维护和配件更换的费用。
 
  由于数据中心全年制冷,提升冷冻水温度,不仅可以提高冷水机组的效率,改善设备健康状况和机房环境 温湿度状况,还可以延长自由冷却时间,节约制冷系统运行费用,降低数据中心 PUE。根据《数据中心设计规范》中的规定,冷冻水供回水温度为 7~21℃ /12~27℃,并且建议采用较高的供回水温度实现数据中心的节能。因此,高水温供冷有助于数据中心降低制冷系统能耗,提升整个数据中心的节能水平。
 
  (2)人工智能寻优节能技术
 
  人工智能寻优节能技术是通过人工智能优化算法对制冷系统各参数进行优化控制,以使制冷系统全局能耗低。目前,常规空调系统一般基于人工经验进行空调系统的运行控制,需经过长期的不断调节和修正,且控制模式较为传统,具有一定的优化空间。与之相比,人工智能寻优节能技术是指在现有设备基础上,利用人工智能算法并结合历史数据对制冷系统各参数进行寻优,给出运行状态,可显著降低空调系统运行费用,实现资源利用。由于人工智能寻优节能技术对空调系统智能控制,可以有效降低运维成本及系统安全风险。目前 Google、华为已将人工智能寻优节能技术应用于数据中心,节能效果明显。人工智能寻优节能技术不仅可以提升数据中心的智能化控制水平,还可以降低数据中心的运行和维护成本。
 
  2. 系统形式——冷水机组与板换串联架构
 
  冷水机组与板换串联架构是将板式换热器设置在水冷侧,与冷水机组一一对应布置。冬季采用板式换热器自由冷却,过渡季节利用板式换热器预冷回水温度,冷水机组进一步压缩制冷,充分利用室外冷源,节省运行费用。冷水机组与板换串联架构工作原理。
 
  冷水机组与板换串联架构根据室外环境温度主要有以下三种运行模式:
 
  一是压缩机制冷。冷水机组制冷,板式换热器不工作。
 
  二是联合制冷。先经板式换热器预冷,然后再由冷水机组进一步制冷。
 
  三是完全自由冷却。冷水机组不工作,板式换热器供冷。
 
  与传统数据中心所采用的冷水机组与板换并联架构形式不同,串联架构大幅简化了系统架构,控制方式更为清晰和明确,运维切换便捷平滑,降低运维风险,提高系统安全可靠性。新的架构形式具有压缩机供冷、联合制冷和自由冷却三种运行模式,在过渡季和冬季都可利用室外自然冷源进行制冷,大幅延长自由冷却的使用时间,提高自然冷源利用率,节省运行费用。因此,冷水机组与板换串联架构优于传统数据中心制冷系统架构,节能效果明显。
 
  3. 冷源站设备
 
  (1)高压变频冷水机组
 
  随着近几年高压变频技术的快速发展,高压变频器应用越来越广,高压变频冷水机组是将高压变频器应用于冷水机组,充分利用了高压供电系统简洁、投资少、占地面积小以及变频器节能、快速启动的特点。与传统的高压定频机组相比,高压变频冷水机组主要是利用变频器变频调速、降低能耗的优势,机组变频可以大幅降低机组在部分负荷下的能耗,高压变频机组的应用可以节能约 15%。同时,高压变频机组具有减少喘震发生、降低冷机噪音和快速启动等特点。数据中心的水冷系统可以采用高压变频冷水机组来提升机组的效率,降低制冷系统的运行费用。
 
  (2)自然冷却风冷冷水机组
 
  自然冷却风冷冷水机组是通过在传统风冷螺杆机组上增设一套自然冷却盘管用于自由冷却,冬季采用室外自然冷源制冷,夏季采用压缩机制冷,过渡季节采用压缩机和室外自然冷源联合制冷。
 
  传统的风冷螺杆机组只能采用压缩机制冷,不能利用室外自然冷源进行制冷,节能效果较差。自然冷却风冷冷水机组有压缩机供冷、混合制冷和自然冷却三种运行模式,在过渡季和冬季充分利用室外自然冷源,大幅延长自由冷却的使用时间,提高自然冷源利用率,节省运行费用。同时,机组内置自由冷却且根据室外气象参数自动切换制冷模式,无需通过人工切换阀门和调整机组运行状态,降低系统复杂度和运维难度,提高系统可靠性。对于数据中心的风冷系统的冷源主机可以采用自然冷却风冷冷水机组,充分利用室外冷源,降低制冷系统的运行费用。
 
  4. 端设备
 
  (1)纯行级空调
 
  对于机柜内满配服务器的高供电密度机房,传统的精密空调房间级制冷方式已不能满足环境的要求。行间级空调采用冷风从冷通道送风、后由热通道回风的水平送风方式,从而保障了服务器对温度的要求,消除了局部热点,进而在增加了服务器运行可靠性的同时有效降低不必要的能耗。
 
  房间级空调一般通过地板下送风上回风的形式,送风距离长,冷量损失大。而行间级空调一般紧靠热源布置,近端制冷,送风距离短,冷量损失小,降低空调设备能耗。房间级空调需要设置空调间,而行间级空调体积小,可以快速部署,便于扩展,并且行间级空调采用水平送风方式,无需架空地板,降低基建投资。因此,为了降低空调设备能耗,同时应对服务器功率密度的提高,数据中心末端空调设备可以采用行间级空调取代房间级空调。
 
  (2)非标设备冷通道封闭
 
  为了优化数据机房气流组织,机房服务器一般采用“面对面,背对背”设置,并将机架冷空气进口侧进行封闭,形成冷通道封闭,冷热气流之间互不影响,有效防止冷热气流短路,提高空调系统的风量利用率和冷风利用率,降低空调系统的能耗。 冷通道封闭一般针对标准的服务器进行设置,由于数据中心除了传统的标准服务器外,还有大量的网络机柜、小型机和存储设备等非标设备,这类设备尺寸和样式多样化,封闭难度较大,普遍不采取冷通道封闭措施,导致机房气流组织不能很好地优化,影响制冷空调的出风温度设定和能耗。对于非标设备可以通过设置预制框架并通过调整封闭隔板尺寸等措施实现冷通道封闭,从而优化机房气流组织,提高机房送风温度,进而提高整个空调系统的供冷温度,降低空调系统的能耗。
 
  5. 冷却方式——液冷服务器
 
  液冷服务器是指通过将水或氟化液注入服务器,通过冷热交换带走服务器的散热,从而取代常规的风冷模式。与传统的风冷相比,液冷的比热容大,能吸收大量的热量,CPU的温度能够得到很好的控制,节省服务器的数量。由于液冷服务器的冷却液直接导向热源,不仅省掉了风扇及机房专用空调系统,而且可以采用较高的温度,大幅提升室外免费冷源的使用时间,节省运行费用。此外,整个液冷系统的噪音比风冷系统小很多,可达到“静音机房”的效果。数据中心服务器的功率密度越来越高,液冷服务器的部署有助于突破现有制冷形式的限制,并且节能。
 
  二、数据中心动力系统新技术研究
 
  动力系统是制冷系统之外主要的能耗组成,同时动力系统的安全可靠是数据中心稳定运行的前提。动力系统能耗的主要来源是不间断电源系统,也是动力系统节能的重点。而数据中心安全可靠运行需要动力系统的设备可靠和运维便利。为此,针对动力系统,在不间断电源设备、末端配电和蓄电池等方面进行新技术的研究,我们对微模块化 UPS、旁路 UPS、智能配电母线和锂电池等新技术进行了分析。
 
  1. 不间断电源设备
 
  (1)微模块化UPS
 
  微模块化UPS通过多个模块并列,实现大功率输出。每套系统由功率模块、监控模块和静态开关组成,功率模块并联平均分担负载,如遇故障自动退出系统,由其他功率模块来承担负载。独特的冗余并机技术使设备无单点故障,以确保电源的可靠性。所有的模块可以热拔插,实现在线更换。
 
  与传统的塔式UPS相比,微模块化UPS具备热插拔电源和电池模块,可在线维护,提高系统安全性,兼容各种机架和 PDU,可单独部署,也可与IT设备一起安装;同时,还支持外部电池柜以延长运行时间。微模块化UPS还具有模块休眠技术,在负载率低时整机运行效率仍可达到96%,而传统塔式UPS在负载率低时运行效率一般仅为90%。因此,模块化UPS运维和能效优于传统塔式UPS,可有效提升数据中心供电设备的可靠性和节能水平。
 
  (2)旁路UPS
 
  旁路UPS是在市电品质较好时利用UPS旁路直接供电给数据中心的IT负载,UPS内部的逆变器处于在线备份状态,当市电电压和频率波动加剧时,切换到UPS双变换模式进行供电。
 
  相对于传统UPS,旁路UPS既可以利用双变换模式供电,也可以利用旁路模式供电。通过旁路模式供电,旁路UPS可以实现市电直供,供电效率可以达到近99%,有效节约UPS能耗,提高UPS效率。旁路 UPS是在原有架构基础上实现市电直供模式,可提高系统可靠性
 
  2. 末端配电——智能配电母线
 
  智能配电母线是利用轨道式低压母线为机房末端设备供电,代替传统的精密配电柜加电缆的供配电方式,采用即插即用的插接箱,可实现在母线槽不断电情况下在任意位置进行连接或断开,实现快速部署,随需而变。
 
  与传统的“精密配电柜 + 电缆”的配电方式相比,智能配电母线节省机柜空间,可根据机房机柜配置进行按需扩容,用电需求可在线随时随需增减,并且可随时实现单相、三相转换。同时,具有母线安装快速、插接位置灵活、运维方便和接线美观等优点。智能配电母线有助于降低数据中心的运维成本,提升数据中心的可靠性
 
  3. 蓄电池——锂电池
 
  传统数据中心采用铅酸蓄电池,由于铅酸蓄电池的放电倍率低,导致其体积大、重量重,而锂电池具有更高的能量密度与更高的输出功率密度,体积小,占地面积减小约 50%;重量轻,约是铅蓄电池的 1/5。锂电池具有更长的生命周期且免维护,-20~60℃较广的温度适应性,充电时间更少且自行放电的速率更佳,月自放电率仅为 1%,能在发生运行中断时发挥重要的作用。同时,锂电池采用模块插拔设计,运维便利,内置监控系统可以实时关注电池的充放电及温度状况。因此,锂电池在安全性方面可充分保证数据中心的可靠运行,并大幅提升数据中心机房基础设施的利用率,降低基建成本和运
 
  维成本。
 
  三、数据中心照明系统新技术研究
 
  由于数据中心的 IT 设备全年 7×24小时不间断运行,考虑到巡视和安防的需要,照明系统需要长期运行,其能耗和寿命都受到影响。随着新的照明技术的不断发展,更为节能、安全和智能的照明系统可以大幅节省数据中心运营费用。结合照明系统的发展和数据中心的运营特点,我们对LED照明、智能照明等新技术进行了研究分析。
 
  1.LED 照明
 
  LED 照明灯作为一种新型绿色半导体发光二极管,在相同情况下,其有效发光率比普通光源要高,且本身不含汞、铅等有害物质,废弃物可回收,光谱中没有紫外线和红外线,在生产和使用中不会对外界产生污染。红外感应LED照明是基于LED照明通过感应人体的红外热辐射检测光环境状态,通过内置延时开关,对灯具进行开启、微亮和关闭。
 
  传统数据中心一般采用荧光灯进行照明,与荧光灯 相比,LED照明光效率高,可以达到90%,比传统荧光灯节能70%。LED 照明寿命可达 50000小时,并且无灯丝、无玻璃泡,不怕震动,不易破碎,可降低灯具的维护工作量和成本。LED照明不含汞、铅和氙等有害元素,利于回收和再利用,而且不会产生电磁干扰。不仅如此,采用LED照明的总体照明能耗下降,使其产生的显热量也将有所下降,可以降低机房区域空调负荷,进而降低空调系统的能耗。红外感应LED照明不仅具有LED照明的优点,而且具有智能感应,实现人来灯亮、人走灯灭,可进一步降低照明能耗。
 
  从数据中心来看,机房楼由于人员较少,考虑到巡视和安防的需要,可以采用分区照明控制。在公共走道区域,采用人体感应LED照明,深度节能;机房区域采用智能调光 LED 照明,绿色节能。
 
  2. 智能照明
 
  智能照明是指利用物联网技术、有线 / 无线通讯技术、电力载波通讯技术、嵌入式计算机智能化信息处理以及节能控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控和遥讯控制系统,来实现对照明设备的智能化控制。智能照明系统利用计算机平台统一管理与维护,可以实现分区域照明控制和智能调光控制,针对不同区域采取不同的运行策略,降低能耗。可实现场景化设定,针对不同场景开启不同的照明路线和方式,还可以实现自动巡检、自诊断和自恢复功能,便于运维。智能照明系统提升了数据中心运维和管理效率,实现了照明系统的智能化控制,深度节能。
 
  综上所述,数据中心基础设施是数字化和信息化的基石,决定了数据中心的建设和运营水平。本文针对数据中心机房基础设施的新技术进行研究,在制冷系统、动力系统和照明系统等方面提出了适合数据中心机房基础设施的新技术,各项新技术在节能、运维和占地等方面具有显著优势,有助于实现数据中心安全、可靠和高效的运行。数据中心机房基础设施新技术的研究可为数据中心机房基础设施建设提供技术参考,推动数据中心技术水平的提升。
 
  四、安科瑞列头柜及监测产品介绍
 
  随着数据中心的迅猛发展,数据中心能耗问题也越来越突出,高效可靠的数据中心配电系统方案,是提高数据中心电能使用效率,降低设备能耗的有效方式。
 
  AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的,能够综合采集所有能源数据的智能系统,为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息,并可通过通讯将数据上传到动环监控系统,实现对整个数据机房的实时监控和有效管理,为实现绿色IDC提供可靠保证。
 
  1精密配电管理解决方案
 
  1.1交流系统
 
  1)功能要求:
 
  遥测:输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度;输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度;
 
  遥信:输入分路的过压/欠压,缺相,过流,输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
 
  1.2直流系统
 
  1) 功能要求
 
  遥测:输入分路的电压、电流、功率、电度;
 
  遥信:输入分路的过压/欠压,输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
 
  五、 安科瑞母线槽监测产品介绍
 
  1 概述
 
  数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中,具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心。
 
  2  AMB智能小母线管理系统
 
  1)交流系统功能:
 
  遥测:三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度,系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率;
 
  遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;
 
  2)直流系统功能:
 
  遥测:电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率;
 
  遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;
 
  参考文献:
 
  【1】 王超.中国工商银行数据中心基础技术实验室.
 
  【2】 安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版.
 
  【3】 安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.