数据中心电源及空调节能方案研究

数据中心电源及空调节能方案研究

摘要：本文主要从电源和空调两个方面对数据中心能耗现状及问题进行梳理，

结合某运营商数据中心建设及改造案例，对数据中心机房提出系统的节能方案建议。

关键词：数据中心；空调节能；电源系统；能耗；电动机

前言

互联网数据中是一种拥有完善的设备(包括高速IP接入、超强的网络安全、安全可靠的

机房环境等)、专业化的管理和应用级服务的互联网数据平台。与传统电信机房相比，其主要

特点是服务器、存储和网络设备众多且集中，需要大量的集中供电。数据显示，2009年我国

通信行业年电耗量已达290亿kwh以上，而空调耗电则达100亿kWh以上，通信行业成为

未来节能减排的重要行业。数据中心能耗主要集中在服务器设备、制冷设备方面，空调用电

占机房总用电量的30～50％。数据中心的高能耗不仅带来运营成本的急剧攀升，而且产生沉

重的碳排量负担。如何利用各种管理、技术措施降低数据中心的能耗，已经成为当务之急。

一、数据中心能耗现状分析

以国内某运营商为研究对象，参考其近几年的能耗数据，仔细分析，其数据中心能耗自2009~2012年每年增长比例依次为28.6%、25.3%、27.7%、29.6%，其在全国网络运营总能耗

的比例依次为10.2%、10.9%、11.4%、12.7%，可发现其数据中心能耗呈逐年上升的趋势，需

要指出的是，越是在IDC业务发达的大城市，这一比例越高，据统计，2012年，上海、北京、香港的该特征指标分别高达36.8%、30.9%和44.3%，远远高于全国平均值。

二、数据中心电源系统节能研究

一般来说，数据中心电源系统包括：外电引入、变压器、发电机、电动机、交流不间断

电源系统、直流不间断电源系统、照明系统及输配电线路等。由于数据中心功率密度的提高，所消耗的电功率增加，在电力各环节能量损耗亦随之增大，因此，电源系统各环节均需采取

节能措施。

1.外电引入、变压器、发电机及电动机系统节能研究

外电引入；目前数据中心所在机楼的外电引入多采用两回路互为备用的10kV专线。相

比更高电压等级的外电引入，外电容量受到限制，线路损耗难以降低。变压器、发电机；目前，不少机楼的变压器实际使用负荷率较低，实际用电量与设计规划用电量存在较大差距。

电动机；数据中心的电动机类负载主要是风机和水泵，且多为Y系列，其效能较新型YX2系

列电动机低；电动机未采用变频调速等节能措施。

2.照明系统及输配电线路节能研究

照明；多数数据中心长期开启全部灯具，部分机房照度偏高；多采用T8荧光灯，效率

不高；灯具开关缺乏智能控制。输配电线路；目前多数在用的数据中心机楼的高低压配电房

及发电机房、电力电池室等远离数据主设备及空调等负荷中心区域，输配电线路长，线路损

耗较大。

3.交、直流不间断电源系统节能研究

（1）传统交流不间断电源（塔式UPS）系统应用现状

当前，数据中心主设备一般要求交流电源输入，多采用传统的交流UPS系统供电模式，即：UPS系统将交流市电整流逆变后，为数据主设备提供220/380V的交流不间断电源。其应用现状总结如下：传统UPS系统多采用N+1配置，等级较高的数据中心机房采用2（N+1）

配置。部分在网的早期UPS主机采用6脉冲整流，近年来基本都采用12脉冲整流。为了限

制UPS系统产生的谐波，部分UPS系统配置了有源滤波器。蓄电池后备时间大多按单机满载30分钟配置，有的数据中心配置达到了单机满载1小时。

（2）传统交流不间断电源系统存在的问题

随着数据中心高能耗问题的凸显以及对设备运行可靠性要求的不断提高，传统交流UPS

供电模式存在以下一些不足：采用了冗余并机技术，无论是N+1还是2（N+1）系统，在正

常运行时，UPS主机的负载率均较低，再考虑到系统配置容量较实际偏大，使得系统的负载

率更低，未在最佳效率点附近运行，系统损耗较大。目前仍有采用6脉冲整流的UPS在网运行，且没有采取相应的谐波处理措施，导致系统额外附加功率损耗大。部分UPS系统虽然配

置了谐波过滤器用于谐波治理，但治理后实际运行情况没有进行相应跟踪，治理效果无法保证。交流UPS系统的后备蓄电池需经过UPS逆变后才能供给负载，一旦UPS本身出故障，仍会造成负载停电。

三、数据中心空调系统节能研究

1.服务器节能技术

目前，服务器节能技术方案包括服务器芯片及配件节能、基础架构级节能和系统级节能。服务器芯片级节能技术主要包括cpu功耗控制、cpu频率调整、芯片级冷却技术和专用低功

耗部件等。基础架构级节能主要包括存储制冷、高效率电源、水冷及液态金属制冷机柜和智

能温控风扇等。在系统级节能的技术中，可以基于负载情况动态调整系统状态、实施部分节

点或者部件的休眠，根据各进程能耗的不同对cpu任务队列进行调整，根据能耗进行进程及

作业级迁移等。PowerCap(功耗封顶)是服务器节能方案经常采用的节能技术，其中PerformanceLevel通过设置系统的性能级别，控制CPU的工作状态，从而实现服务器节能，

该技术无需布置bmc网，实施相对简单，技术适用性极高，能够有效埘所有x86服务器进行

节电。PowerCap是服务器BMC(基板管理控制器)卡提供的一个功能，通过设置该服务器最高

的能耗值来限定整机的功耗，该技术可控制度高且灵活，控制程度更精细，数据精准度达到100％。在实际应用中，服务器节电采用何种控制方式，取决于服务器本身条件。

2.空调系统节能技术

传统的机房空调节能主要包括采用变频技术、提高冷水机组运行效率、采用节能环保型

制冷剂、充分利用自然冷源(室外新风)等方式。如前所述，服务器是空调或新风系统最终服

务的对象，其发热量降低能够减少空调及新风的能耗需求。基于此，该文提出一种基于服务

器散热系统定制化的空调节能技术，通过有效减少服务器散发到数据中心的发热量，达到提

升数据中心环境温度和空调系统节能减排的目的。

(1)热管水冷散热系统

该方案将热管技术应用在服务器散热系统，充分利用热管的高效导热性能，将服务器内

部器件产生的热量传递到冷水板，在冷水板中与流动的冷水进行换热，最后由冷水板中的冷

水将热量排出数据中心。本方案可以有效消除服务器的热岛效应，降低数据中心空调系统的

制冷压力。同时，通过与冷却塔免费供冷、室外新风量冷却等技术有机结合，能够充分利用

室外自然冷源，从而到达到空调系统节能的目的。

(2)冷却塔免费供冷