多措并举降低数据中心PUE

时间：2024-07-28

唐守彬，张冲

（中国移动通信集团辽宁有限公司网络管理中心动力室，辽宁沈阳 110179）

0 引言

在大数据时代，作为算力和新一代数字技术应用的物理承载，数据中心已经成为各行业数字化发展的关键基础设施。当前，各行业正处于数字化转型加速期，数据中心的应用场景逐渐增加，整体需求将持续增长[1]。与此同时，在国家“双碳战略”目标下，未来数据中心的可持续发展依然存在诸多挑战，各大运营商都在想尽办法降低成本，以获得最大利润。在这种大环境下，在确保原有运维生产稳定运行的基础上，如何降低数据中的电能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值已然成为亟待解决的问题。各运营商通过机房基础设施改造，探索并引入新的节能技术和创新产品来解决PUE值持续偏高的难题[2]。对于数据中心而言，其总体能耗主要由IT设备（服务器）能耗、不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）能耗、空调制冷能耗以及照明能耗等组成。数据中心机房能耗分布如图1所示。

图1 数据中心机房能耗分布

不同机房的设计和配置不同，导致能耗差异很大，好的空调制冷方案可以有效降低能耗，降低PUE值。空调制冷系统的能耗情况很复杂，包括新型节能制冷设备、设备运行参数设置、逻辑控制以及气流组织的调整等，需要各个环节紧密配合并合理规划与调整，实现冷量的最大化利用。以北方某数据中心为例，重点阐述如何降低制冷系统的能耗。一方面不断引入新的创新技术和节能产品，减少设备能耗；另一方面对制冷途径进行改造升级，从而大幅降低制冷系统的能耗，实现降低PUE值的目的[3]。

1 数据中心制冷系统模式

按照制冷方式的不同，可以将数据中心分为新型数据中心和经传统机房改造的数据中心。新型数据中心基本采用水冷系统制冷，而经传统机房改造的数据中心不具备采用水冷系统的条件，基本采用节能型精密空调或列间空调模式。针对不同的制冷模式，降低PUE值的实施方案也有差异[4]。

1.1 新建数据中心

新建数据中心一般采用水冷系统制冷，又分为风冷冷水系统和水冷冷水系统。风冷冷水系统一般由风冷冷水机组、自然冷却模块、水泵、供回水管路、蓄冷罐、水冷末端空调以及水冷列间空调等组成；水冷冷水系统一般由水冷冷水机组、冷却塔、水泵、供回水管路、蓄冷罐、水冷末端空调以及水冷列间空调等组成。由于制冷系统的结构不同，降低制冷系统能耗的措施也不尽相同，但总体思路基本一致[5]。

对于自然冷却模块和冷却塔而言，要合理调高运行所需要的的环境温度并降低供回水温度，充分利用自然风冷、水冷资源，尽量延长其投入运行时间，同时通过运维手段降低设备故障。对于水冷冷水机组和风冷冷水机组而言，要根据自然环境合理设置机组的启动温度，并调高供回水温度，使供回水温差接近工况，提高利用率，尽量缩短运行时间和启动频次。同时设备选型也很重要，应选择能效比较高的产品，并做好保养工作。对于水冷末端空调而言，要在合理范围内提高送回风温度，同时减少空调的运行数量，流量调节阀处于完全开启状态，使冷量充分与室内热气进行冷热交换。

定期对供水管路进行清洗，保持管路畅通，减少运行阻力。通过对板换、蒸发器、过滤器的定期冲洗处理，可以减少水泵的功耗，同时减少冷量的流失。此外，提高制冷系统的整体温度需要一个紧密、相互配合的方案。从水冷系统的供回水温度设置到末端空调的进回风参数设置是一个有机的整体，涉及冷却塔（自然冷却模块）的供回水温度设置和启停温度设置、水冷机组的供回水温度设置和启停温度设置、水冷末端空调的送回风温度设置等，各变量相互独立又相互制约。制冷的目的是满足机房IT设备与网络设备的冷量需求，使环境温度处于规定范围。设定水冷末端空调的送回风温度，完全打开流量控制阀，使冷量充分交换，最大限度实现节能。

在某数据中心应用上述方案，对自然冷模块、水冷机组、末端空调进行温度统一调整，使供回水温差接近5 ℃，确保机组的制冷效果，大幅缩减机组的运行时长，减少能耗，PUE值由原来的1.9降低到1.4左右。

1.2 经传统机房改造的数据中心

传统机房不具备配置水冷系统的条件，改造难度大，一般采用风冷精密空调制冷，此时可以通过配置氟泵空调、列间空调达到降耗的目的。对于风冷空调与列间空调调整的原则是调高送回风温度，尽可能减少设备运行数量。但即便如此，关停空调还是更加省电。尤其在机房投入初期，空调按机房满负荷配置，而实际负荷却很低，此时需要关停大量空调，极端情况下可以考虑不留冗余备份。除此之外，在冬季则要核实氟泵是否开启且正常运行，避免因氟泵故障导致能源浪费。

2 机房气流组织

一般数据中心机架内的设备为前进风、后出风的冷却方式，机柜（架）的布置采用面对面、背对背的方式，这样方便利用冷通道或热通道进行封闭，提高了冷量的利用率。由于现网运行中经常出现设备搬迁或拆除，不能及时加装封闭装置（盲板），导致冷热风直接交换，没有起到对设备制冷的作用，因此现场要随时进行封闭处理。此外，在同一通道内也存在个别机柜负荷差异很大的情况，导致对送风量的需求不同，需要定期调整出风口的风量，确保进风温度恒定。只有这样，才能保证设备的进风量，同时也使冷量得到有效利用，提高冷量的换热率，减少制冷设备的功耗。各设备的运行是一个有机整体，要从制冷系统的整体层面制定节能方案，多措并举，使冷量得到充分利用，减少各设备整体运行功耗，实现降低PUE值的目标。