数据中心节能评估报告中的能耗计算与能效分析
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2019年第15期
数据中心节能评估报告中的能耗计算与能效分析
沈洪蕾
（上海申元工程投资咨询有限公司，上海 200000）
摘 要：数据中心设备密集，能耗较高，占国家和地区用能比重不断攀升，采用合理的计算方法计算年综合能耗是做好节能评估工作的关键。文章对数据中心主要能耗设备做了分析，提出了综合能耗计算方法以及采取的节能措施，为从事节能评估工作的人员提供参考。
关键词：数据中心；节能评估；电能利用效率（PUE）中图分类号：F426    文献标志码：A    文章编号：2096-2789（2019）15-0245-02
作者简介：沈洪蕾（1985—），女，工程师，研究方向：建筑工程前期咨询、造价咨询。
1  概述
随着大数据、云计算等信息技术的不断发展，越来越多的数据中心建设需求涌现。由于数据中心设备密集、能耗较高，占国家和地区用电量比例不断攀升，在全社会能源供需形势严峻的背景下势必将造成较大的能源负担，因此，加强数据中心的节能评估，优化节能方案设计，对于规范数据中心建设、提高能源利用效率、推动数据中心节能减排具有重要意义。随着《固定资产投资项目节能审查办法》（国家发展和改革委员会2016年第44号令）的实施，对节能评估报告的编制做出了相关要求，但未针对能耗量计算方法进行明确。
关于数据中心的能效评价指标，目前比较通用的是电能利用效率（PUE ）。《“十三五”国家信息化规划》行动目标提出“到2018年，云计算和物联网原始创新能力显著增强，新建大型云计算数据中心电能使用效率PUE 值不高于1.5；到2020年，形成具有国际竞争力的云计算和物联网产业体系，新建大型云计算数据中心PUE 值不高于1.4”。目前国内PUE 大多为2.0～3.0。
本报告以上海市某新建数据中心为例，分析其主要能耗来源及能耗数量，进行能效分析，希望为从事节能评估工作的技术人员提供参考。
2  IT 设备
数据中心相对于一般的公用和住宅项目，除了空调、照明等通用用电设备外，IT 设备占比较大，用电量显著。数据中心的IT 能耗设备主要有服务器、存储器、网络通信设备等几类，机柜单位功率在3.5～5kW 。根据方案，该项目共设置机柜约3116台，按每台3.5kW 计算，IT 设备用电总功率约10906kW 。考虑服务器运行的峰谷需用系数取0.9，同时系数取0.9，则IT 设备用电约7738.46万kW·h 。
根据《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2008），电力当量折标煤系数为0.1229kgce/（kW·h ），该项目IT 设备年综合能耗为9510.57tce 。
可见，IT 设备能耗在数据中心总能耗中占比较高，为了实现节能目标，应选择能耗低的服务器设备。目前市场上的服务器主要有塔式、机架式、刀片式，其中刀片式相较传统的塔式和机架式服务器，具有功耗低、体积小、售价低的特点，不仅可以节约能源，而且可以节
约投资费用。
3  空调设备
数据中心一般由主机房区、支持区、辅助区及运维办公区组成，其中机房空间采用冷冻水型精密空调、配备水冷机组和恒温恒湿系统，送风方式采用地板下送风、上回风。冷源为冷冻水系统，采用2N 架构，平时热备运行，各自承担50%冷量，安装在数据中心地下一层。支持区的变配电室、柴油发电机房
、电池室、空调机房、动力站房、不间断电源系统用房等，采用水冷精密空调供冷，全年制冷。运维办公室设置变制冷剂流量变频多联机系统或者分体空调，夏季制冷，冬季采暖。
空调设备能耗量按照单位面积功率密度计算，主机房区因其散热量较高、对环境温度要求较高，电负荷按120W/m 2计算，支持区、辅助区按照100W/m 2计算，运维办公区用电指标按制冷50W/m 2、制热30W/m 2计算。测算空调设备年耗电量约1021.35万kW·h ，年综合能耗为1255.24tce 。
空调用电量计算
空调系统一般是数据中心提高能源利用效率的重要环节。数据机房机柜密集，散热量高，合理的机房气流组织对空调节有决定性作用。气流组织不合理将导致局部出现高热现象，对于地板下送风的空调系统，可能送风距离长、地板下线槽设计不合理等原因导致制冷量不足，出现局部高热现象。在数据机房空间布局上，应合理安排气流送风，避免热风回流，机柜排布应尽量采用“面对面、背靠背”的形式，空调采用下送风、上回风方式，架空地板高度应适宜，不宜小于400mm 。此外，应重视机房隔热设施，采用良好的隔热材料，对地板、墙壁、天花板进行隔热处理。在空调设备选用方面，应采用高效离心式冷水机组，根据季节差异和负载变化，调节运行模式，控制机组启闭，达到节能效果。随着电子技术的发展，可采用智能监测系统，通过先进的软件技术，实时读取设备运行参数，通过机柜的温湿度变化调节机柜出风量，达到对机房环境的实时监控和对能耗的精确控制。
4  变配电及照明系统
该数据中心采用2路独立的35kV 电源引至35kV 变配电所，每路负荷率不大于60%，当一路供电发生故障时，另一路可满足所有二级以上负荷供电要求。供信息机房用电的10/0.4kV 变配电所布置在信息机房主楼各层，供机房IT 设备、机房区照明系统、机房空调系统用电。
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2019年第15期
辅助支持区采用2台630kVA 干式变压器，为消防系统、安防系统、应急照明系统、办公区用电、舒适性空调等提供电源。此外，为保证供电可靠性，设置UPS 系统和柴油发电机设备。
用电设备除IT 设备及空调外，还包括照明设备、送排风系统、电梯设备以及变配电电能损耗等，这部分电能消耗量按照惯例也采用单位功率密度法估算。其中照明设备机房区域按10W/m 2计算，其他区域按25W/m 2计算；送排风及消防设施用地按照30W/m 2计算；电梯设备按3W/m 2计算；变配电系统电能损耗按照以上用电负荷的5%计算。测算照明系统及其他设备年耗电量共647.76万kW·h ，年综合能耗为796.09tce 。
这部分的节能措施一般采用安装节能灯管、缩短供电线路长度、低压无功无偿、变频控制、设置智能控
制系统等方式。数据中心各区域照度标准严格按现行国家标准《建筑照明设计标准》执行，尽量选用细管径直管型荧光灯、紧凑型荧光灯或LED 灯，配有符合国家能效标准的电子镇流器或节能型电感镇流器。走道、楼梯间、门厅等公共场所照明采用智能集中控制，根据采光状况分区、分组控制。变配电所的位置设于各层IT 设备附近，缩短供电线路长度，降低损耗。对于无功功率容量大且相对集中的负荷，采用就地补偿。动力设备选用变频调速泵，根据负荷变化调速节能。
5  给排水系统
除了上述电能消耗外，数据中心还需考虑一定的水量消耗，主要是运维人员的生活用水和空调系统所需的冷却水。办公用水定额一般为30～50L/（人·d ），机房冷却水系统补水按1500m 3/d 、冷冻水系统补水按照10m 3/d ，计算年总用水量约57.95万m 3。根据《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2008），新水折标煤系数为0.0857kgce/t ，折合年综合能耗49.66tce 。
为了实现节约用水的目标，一般设计配备能效等级高的节水型产品，选用效率高的给水泵以及密闭性能好的阀门、设备，使用耐腐蚀、耐久性能好的管材、管件，设置能源监测系统，监测控制能源消耗。
6  能耗分析
数据中心能源消耗量统计如表1所示。
根据能源利用效率PUE 的计算公式：PUE=数据中心总耗电/IT 设备耗电，数据中心扣除办公用电后的项目总用电为9390.90万kW·h ，其中IT 设备用电为7738.46万kW·h ，则PUE=1.213。对照信息化规划发展目标，该数据中心能源利用率较高，设计用能合理，符合节能、低碳的要求。
7  结束语
数据中心节能评估涉及的行业较广、专业性较强，不仅要考虑常规的建筑能源消耗，还要结合最新的信息技术发展，考量数据中心服务器、存储器等IT 设备配备以及精密空调系统等设计要点，综合分析各项能耗设施，并提出适当的措施降低能耗，实现数据中心节能减排目标。
参考文献：
[1]全国人民代表大会常务委员会.中华人民共和国节约能源法
[S].北京：全国人民代表大会常务委员会.[2]国家发展和改革委员会.固定资产投资项目节能审查办法
[S].北京：国家发展和改革委员会.[3]GB 50174-2017，数据中心设计规范[S].
[4]王帆.数据中心机房节能减排技术的实践研究[J].电子技
术与软件工程,2015(21):191.[5]王菁.云计算中心节能评估分析[J].机电信息,2014(24):
153-154.[6]徐慧姣.数据中心机房的节能减排技术及发展[J].通讯世
界,2019,26(3):316.
表1 年综合能耗分析表
能耗系统能耗量综合能耗占比IT 设备7738.46万kW·h 9510.57tce 81.91%空调设备1021.35万kW·h 1255.24tce 10.81%变配电及照明系统647.76万kW·h 796.09tce    6.86%给排水系统
57.95万m
3
49.66tce 0.43%合计
11611.56tce
100%
Energy Consumption Calculation and Energy Efficiency Analysis in Data Center
Sdfds Report
Abstract ：The equipment of data center is dense,the energy consumption is relatively high,and the proportion of energy consumption in the country and region is rising constantly.It is the key to do a good job of energy saving evaluation by adopting reasonable calculation method to calculate the annual comprehensive energy consumption.This paper analyzes the main energy consumption equipment in the data center,puts forward the comprehensive energy consumption calculation method and the energy saving measures adopted,and provides reference for the personnel engaged in the energy conservation evaluation work.Key  Words ：data center,energy efficiency assessment,power use efficiency(PUE)
Shen Honglei
(Shanghai Shenyuan Engineering Investment Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200000)

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