IDC机房基础设施节能系统解决方案(2011).ppt

机房空调系统高效节能冷却 & 供电系统节能解决方案 北京华君京通科技有限公司,IDC机房基础设施系统节能解决方案,内容主题 一、IDC机房能耗分布及节能技术路线 二、机房空调送风冷却系统节能 三、风冷式空调室外机喷水雾方式冷却节能 四、UPS供电系统节能 五、机房基础设施节能改造EMC模式,内容主题 一、IDC机房能耗分布及节能技术路线 二、机房空调送风冷却系统节能 三、风冷式空调室外机喷水雾方式冷却节能 四、UPS供电系统节能 五、机房基础设施节能改造EMC模式,典型数据中心机房的能耗分布,IT设备及网络通信设备：50%； 空调的通风及加湿系统：12%；空调的制冷系统：25%； 变压器/UPS供电系统：10%； 照明：3%； 资料来源：EYP Missions Critical Facilities Inc.,典型高可用型IDC电能利用情况,一个2N冗余的高密度数据中心在没能提升基础设施效率情况下的电能利用状况,机房节能技术路线,随着IT系统更高的单位功率密度投入运行，IDC空调冷却系统和电源电力效率会不断降低 其典型结果是： 1、为解决机房局部热点，提高制冷量，造成机房过度冷却、制冷能力的浪费 2、运行负载率的过低，造成电源整体效率降低、供电系统的电能损耗 故此机房按需冷却，提高UPS的运行效率成为高可用性、现实可靠的节能手段,内容主题 一、IDC机房能耗分布及节能技术路线 二、机房空调送风冷却系统节能 三、机房空调机组应用自然冷源和风冷式室外机喷水雾方式冷却节能 四、UPS供电系统节能 五、机房基础设施节能改造EMC模式,IDC机房局部热点问题,随着IDC数据中心的不断建设，以及机房IT设备高度的集成化，机房散热量日渐趋高、机房冷却及制冷能耗问题，及能源效率偏差开始受到了各界强烈关注。 目前机房下送风空调系统冷热通道虽被多数IDC设计者所采纳，但冷热风的短路（回流、漏流）和横向混合（旋流、涡流）现象依然十分严重。 机房内旋流、涡流如图所示可见IT机柜顶部近1/3处于热气团的包围之中。,IDC机房气流短路问题导致的后果,而机房内回流和漏流是由于下送风机房空调为负压回风，机房中出现纵向的冷热气流短路现象均为送风侧向回风侧短路，送风流量的短路率可达3050%。气流短路造成了精密空调不得不提高标称工况制冷量3050%的设计余量，造成用户一次投资的巨大浪费；同时普遍出现了空调机组运行过量、机房“过度冷却”的现象，造成运行费用居高不下。 而且由于气流短路，风机风量有必要加大用以补充短路部分的风量（主机增加的同时机房内风机总体输送的风量业已经相应加大)，而机房空调的送风机因其7*24小时运行，空调风机每年实际耗电量并不亚于机组的压缩机电耗。,数据大集中后出现的问题,近期IDC行业又呈现为了更加节省IDC的土建、或是用户的楼宇租赁费用，大型化、高密度化、数据大集中的IDC越来越普及。但是高密度化服务器机房的散热问题也越来越难解决。其出现的主要问题是： 1. 机房气流组织不理想； 2. 由于服务器机柜散热量并不均匀，出现大量单个或几个机柜的局部热点； 3. 高密度服务器的广泛应用使局部热点问题更加突出，局部热点温度过高； 4. 由于机房空调布置问题，机房远端、中心部位和边角部分出现局部热点； 综上介绍的诸点原因，IDC行业机房采用传统模式的精密空调系统呈现出能耗巨大，PUE值居高不下的状况。,普通IT机房存在同样的问题,热点问题并非只局限于高密度机房，在中密度甚至低密度机房也经常出现。例如传统的程控交换机房，因空调摆放于机房一侧，也会出现远端的局部热点。 这些难题，不能简单地增加机房空调台数/供冷量来解决，究其原因如下： 1. 受到场地限制，不能任意的增加机房空调台数； 2. 受到场地及应用运行的限制，不能任意改变地板高度，而增加地板高度是保证送风流量的先决条件；,普通IT机房存在同样的问题,3. 现有送风孔板的通风率多数不超过25%；理论上可供最大送风量约500立方英尺/分钟（849.45m3/h），提供3.125kw的制冷量。而现实运行中的机房通风地板送风风速至多也就是1.5m/s，仅能满足1.6kw/机柜的散热，无法满足更高密度应用的冷却需求 4. 增加空调机组的费用高、功耗大、效率低，并受机房供电扩容的限制 5. 降低空调设置会造成能耗加剧，曾有前文分析：空调设定参数从24/50%Rh改为22/50%Rh，空调机能耗将增加1525% 6. 机房空调是均匀送风方式，无法针对不同热密度冷量需求的机柜区别对待,机房局部热点强制送风,针对上述难题，我们提供的解决方案是采用风机通风地板满足机房局部热点冷却需求；继而通过减少空调机组的运行数量和供冷量，以达到整体机房空调系统的节能 配风地板，是机房送风气流组织的一种远端辅助送风单元部件，用来将空调机组所产生的冷量（冷风）强制的配送到IT机柜进气口处，用来解决传统空调系统送风方式的不足、尤其是高功率密度的应用需求,下送风平均分布气流组织局限性,传统地板均匀送风气流组织方式，已无法解决高密度机柜制冷需求。随着IT技术的发展，机柜功率越来越大，需要的配送风量也相应增加。但地板下送风存在两个瓶颈：地板下送风截面积和地板的出风口有效出风面积 为了解决地板下出风口的截面积瓶颈，目前铺设的地板越来越高，普遍需要架设到600mm以上。 但是地板出风口的面积已经达到了极限，因孔板通风率不可能达到100%，而增加每机柜拥有的通风地板数量必须增加机房面积。所以，地板下送风的平均分布气流组织方式，目前只能满足每机柜4KW以下的功率密度要求。如果要在一个传统的地板下送风方式的机房中满足4KW以上的高密度机柜的制冷需求，需要采用强制送风类型的通风地板产品，以突破地板出风口的送风瓶颈。,机房配风地板单元介绍,配风地板由高通风率的风口地板、强制送风机、红外温度传感器及控制电路等组成，其尺寸与标准地板相同，安装时，只需要在高功率密度的机柜前替代原来的地板即可 配风地板样式如图：,配风地板冷却效果模拟图,为冷空气所环绕,为冷空气所环绕,超薄版机房配风地板,机房配风地板运行状况,配风地板对机柜顶部送风冷却效果,配风地板单元机特点,模块化设计，可以任意放置，使用灵活，可以针对改造项目和新增加的服务器单独设置 高强度防静电地板配有高流量风口，送风效率100%，冷热风短路率接近0%（在机柜进气口端面形成冷风幕） 空调选型可完全根据服务器冷量选配，无需放大设计余量 采用风机地板群控系统，可与IT机柜的进风口红外温度+机柜PDU耗电量+芯片SPEC利用效率控制系统联动 可以根据IT设备及服务器运行情况，从0-100%分段调节输送的风量及风压，送风风压保证25%或33%功率段的运行即可满足IT机柜顶部的冷却，可满足虚拟机和刀片服务器满配载应用 在冷通道上使用，减少冷通道尺寸和占地面积，增加装机密度和机柜有效利用面积；节约机房建设面积及业主投资,配风地板单元机特点,提高机房送风准确度及送风效率，能效比节约显著，经过精确的现场规划设计、参数设定后不会出现机房内靠近空调机组前端的IT机柜送风量过高、时间过长导致后端机柜送风较弱而产生不可估测的过热现象 与配风地板红外群控系统联动的机房空调机组，可满足按需开启的功能，达到智能化节能运行，可令空调机组运行数量减半，耗电下降2045% 冗余设计的高效长寿风机，并有超温停机、报警功能 每台总风量4000m /h，送风风压高于65Pa，开启部分风机即可满足机柜上部冷却需求 单台重量26kg，方便搬移,红外/风压测控配风地板突出特点,标准地板模块，尺寸600 x600 x175mm，而且风机地板对地板架设最低高度要求仅180mm（此亦包括了地板下吸气空间），可满足绝大多数现有下送风机房的环境应用和改造； 高通风率通风板风口为碳钢承重风口，承载1400kg； 单/双向可调角度百叶风口，可满足冷通道内两侧面对面分布的机柜双向4590送风； 对原有机柜无需进行任何改装和接触（机柜背面无需安置排风感温探头），安全可靠，移动灵活方便，适合于新建和已运行的项目以及应用的临时调整需求； 简洁机柜进风口红外温度+送风温度探测控制模式，参数采集无误，冷却迅速；可控制IT机柜进气口的气流温度保证在222之内。,红外/风压测控配风地板突出特点,配备美国原装红外送风温度传感器，部件均装在高通风率地板风口的内部 可实现集中监控的电脑控制器，具备RS485联网监控接口 完备的报警功能，配备消防、远程紧急关断接入点 配备照明型开关及保险，保证风机地板供电、维修关断时对UPS电源无浪涌、对网络无闪断等干扰 配有完备的防静电地板工作地与机组保护地绝缘隔离的措施 可选配标准全钢地板和不同高度木地板以及面板花纹、颜色等规格的产品。,红外配风地板型号与技术规格,红外测控标准型配风地板； 红外压差测控高流量全能配风地板 型号HCCT-200/4-S； HCCT-200/4-F 外形尺寸600*600*180H；600*600*180H（mm） 送风总量3200M3/h； 4000M3/h 输出冷量10KW； 25KW 送风风压25Pa； 65Pa 额定电压 220v/50Hz 220v/50Hz 额定功率 230W； 410W 额定电流 09A； 19A 颜色浅白面板/深色机箱,下送风式机房空调的红外云台扫描探测+配风地板冷却系统控制模式,红外测控配风地板单元,监测机房负荷红外温度高效节能运行模式的控制系统结构框图,红外测控配风地板系统监控界面,机房送风冷却系统采用红外测控配风技术项目改造工程,首先进行机房能源和散热审计、继而用CFD软件进行机房热成像分析、然后选定特殊位置安装风机地板单元开机运行、最终停止有裕量的空调机或调整空调设定参数并进行机房冷却效果和节能率的确认 现运行机房均有不同程度的上述局部热点和能耗超高问题，或在建机房希望防患于未然，故我们可以提供规划设计工程师进行实地勘察并提出完整改进方案和建议。机房用户可免费试用我方所提供的风机通风地板样机应用于已运行的机房，以解决局部热点难题,机房散热统计和CFD设计,现在的新型机房多应用计算流体力学软件于机房规划设计阶段，针对不同规划设计方案来模拟分析机房内气流组织是否理想，其效果参见下列采用CFD技术所进行的热像分析图,某个机房的现状是中央区域散热较差,在原空调机组对面加装空调机的设计方案被CFD技术评估分析所否定,某机房规划设计中空调机的初始摆放位置，机房中央部分机柜势必过热,经调整过的机房设计空调机摆放位置，从图中可见原先过热的机柜冷却效果转变十分良好； 但也可见必须所有的空调机处于开启状态下才能获得此散热效果， 而没有考虑到有空调备机和n+1节能运行模式下的散热状况,某个机房规划设计机柜排序有误导致CFD热象分析图可见机房局部热点,CFD软件设计的机房的3D图,CFD软件设计的机房机柜发热量分布图，不同颜色代表不同的负载量,机房空调的送风气流动态图及地板出风口的风量分布图,采用计算机流体力学专业的机房设计CFD软件建模流程图，建模后的效果图如下图所示； 和机房规划设计图的实际效果相近,通过红外热成像仪拍摄机房负荷表面温度扫描图像校验散热和节能效果,案例：大兴信息中心机房空调送风冷却系统改造,机房空调送风冷却系统节能改造数据分析,改造前汇总数据,机房空调送风冷却系统节能改造数据分析,节能改造后预计数据,预计全年节约电耗58153度、节能率达24.7%、节电费46523元,内容主题 一、IDC机房能耗分布及节能技术路线 二、机房空调送风冷却系统节能 三、风冷式空调室外机喷水雾方式冷却节能 四、UPS供电系统节能 五、机房基础设施节能改造EMC模式,IDC机房 空调室外冷凝器 喷水雾冷凝节能系统,一.系统简介,在夏天高温季节,用喷雾代替喷水，既解决了室外机跳机，又节约了大量水资源,还节约了大量电费.是空调节能的方向之一。,室外冷凝器水喷雾节能系统,室外机水喷雾系统,二.系统应用原理,当蒸发温度不变,冷凝温度升高,对同一台制冷机来讲,它的制冷量减少,功耗增大;反之,当冷凝温度降低,情况正好相反.,三.系统特点,雾化-扩大水与冷凝器的接触面积,通过雾化水与空气接触的表面积增加几百倍,让水易于蒸发。 温差-当雾化水相变气化时可吸收大量热量(同质量水温度升高吸热的539倍)，使冷凝器进风面温度T下降，冷凝器两边温差加大即t加大，使冷凝器冷却效果更加提高。 负压-由于风机抽风的负压作用,使雾化水与冷凝器的接触面积加大增加散热量，改善压缩机工况。,四.实现方法,水雾产生: 喷水雾器，它能把水滴雾化成1/500的小水雾,水雾圈直径0.61米。这样一滴水的表面积就能增加近500倍。温度越低液体相变成气体的吸热量越高。这样通过雾化后的水雾与冷凝器接触面积加大，使热交换能力大大加强。,五.喷水与喷水雾间的区别,机房空调都碰到室外温度33左右会发生高压报警及高压 引起的停机。目前有的解决方法是采用喷水方法。它的缺点是： 1、喷水是用大量的水资源来换取室外机减压,每个喷头水量48L-60L/小时。而喷雾2L/小时. 2、由于喷水在室外机翅片间有张力,导致气流不畅,有时候喷水反而会引起冷凝器停机。而喷雾不会滞留在翅片上，能迅速解决室外机高温停机现象，保证压缩机正常工作. 3、不是每个场地都允许喷水，因为大量积水会引起房屋漏水问题。 4、在水资源缺乏的省市，如北京等地不允许大量喷水。 喷雾是用少量水解决大问题。,六.节能效益,室外温度:(一般状况) 2529，节能5%。 3032，节能10%。 3335，节能15%20%。 3538，节能25%以上。 耗水量: 雾化器HCCT-FOGC-01 2升/时,七.实物外观 机房空调雾化冷凝控制系统,安装在空调后的雾化器,现场调试中的控制盒,内容主题 一、IDC机房能耗分布及节能技术路线 二、机房空调送风冷却系统节能 三、机房空调机组应用自然冷源和风冷式室外机喷水雾方式冷却节能 四、UPS供电系统节能 五、机房基础设施节能改造EMC模式,数据中心UPS节能技术,数据中心机房的能耗有一部分是位于数据中心机房的中的由输入变压器(典型配置为10KV/400V型的干式降压变压器)和ATS开关所组成的UPS输入供电系统和由UPS及其相应的输入和输出配电柜所组成的UPS供电系统，它们的功耗约占数据中心机房所需的总功耗的10%左右。其中7%左右的功耗来源于UPS供电系统所产生的功耗，3%左右的功耗来源于UPS输入供电系统系统所产生的功耗。 由于UPS处于交流供电环节的最重要一环，几乎机房所有的IT设备必须由UPS供电，大型数据中心的UPS装机总容量均已达到大容量或超大容量等级，提高运行时的能效势在必行。目前数据中心UPS的节能可以考虑从方案、效率、降低电流谐波、提高输入功率因数、节地等方面全方位进行。,UPS的效率直接决定了整个UPS系统的能耗，这也使得数据中心客户对UPS的效率的要求日益提高。以一个容量为300kVA的UPS为例,每度电按0.9元计算,UPS效率每提高1%,一年节省的电费为3000.80.01243650.9=18921.6元。 同时若以3：1的能效比来考虑，空调系统会因此节电18921.6/3=6307.2元 可见提高UPS的工作效率,可以为数据中心节省大笔电费,因此提高UPS效率是降低整个机房能耗的最直接方法。,降低输入电流谐波以及提高输入功率因数除了大大降低所带来的危害外，还能够减少前端的配电装置和电缆的成本，同时使得数据中心的UPS供电系统的前端发电机的容量大为降低，从而大大降低数据中心的电源系统成本。 目前治理谐波能够实现低输入电流谐波（3%）和高输入功率因数（0.99），从而实现数据中心的节能要求。,艾默生Adapt PM(Power Management) 智能IDC动力系统介绍,在一个机柜内部集成了可灵活配置和扩容的冗余UPS系统以及同样具备灵活配置和可扩容能力的配电系统的全新的IDC电力保障和管理系统 其内置的UPS系统具有业内最佳的节能环保特性：40%75%负载效率96%，25%负载效率95%；输入功率因数1，输入谐波电流3% 超强带载能力：输出功率因数为1，带超前及滞后功率因数负载均不降额 便于安装：上下均可进出线，无需进线柜；便于维护：全正面维护，UPS、旁路、配电均可在2min内维修更换；便于改造：冗余UPS系统可共用电池系统，电池组采用12V30/32/34/36/40节设计，设置灵活，便于旧系统改造时利用原有电池系统，也可在单节电池故障时及时撤除，消除对UPS系统运行的影响,艾默生Adapt PM(Power Management) 智能IDC动力系统介绍,普通/高效UPS能耗对比分析,现运行的普通UPS效率多处于83%（最差的竟73%），功率因数0.88 就此以一个典型的2N冗余数据中心在没能提升UPS运行效率以及采用高效UPS的电能利用状况进行如下分析：,内容主题 一、IDC机房能耗分布及节能技术路线 二、机房空调送风冷却系统节能 三、机房空调机组应用自然冷源和风冷式室外机喷水雾方式冷却节能 四、UPS系统节能 五、机房基础设施节能改造EMC模式,合同能源管理EMC模式介绍,合同能源管理（Energy Management Contrct，简称EMC）是70年代在美国发展起来的、目前欧美国家广泛采用的、基于市场的一种节能新机制。 事实证明这种模式能够激起能耗企业开展节能技改的热情，有效地推进节能工作，受到了联合国和各国政府的大力推广。 采用EMC模式开展业务的专业节能服务公司，国内称为EMC公司，国外称为ESCO公司。 其内涵是：指从事能源服务的EMC公司与客户签订节能服务合同，为客户提供包括：能源审计、项目设计、项目融资、设备采购、工程施工、安装调试、人员培训、节能量确认等系统的节能服务，并从客户节能改造后获得的节能效益中，收回投资和取得利润的一种商业运作模式。在中国示范推广刚满十岁,新近在国家各类节能文件中频繁出现,企业零投资、零风险,EMC公司负责运作节能项目、承担项目全部技术和经济风险，产生节能效益后，与用能企业一同分享，并以此取得投资回报。 能耗企业不用资金投入采购设备以及折旧计提，即可完成节能技术改造； 节能工程施工完毕，就可分享项目的部分节能效益； 在合同期内，能耗企业的支付全部来自项目效益，现金流始终为正值，提升资产负债表的财务价值； 合同结束后，节能设备和全部节能效益归能耗企业； EMC为能耗企业承担技术风险和经济风险。 EMC实施节能改造不影响企业正常的生产和经营。,效益分配示意图,项目现金流示意图,EMC公司与普通节能设备销售商的区别,EMC公司从事的是一种风险投资 不仅要提供节能项目的融资，还要承担节能技术与项目成败的风险； 不仅要负责节能项目的建设，而且要保证节能项目的效果。 这是任何节能产品销售商与节能项目工程商都无法与之比拟的！ EMC公司销售的实际上不是设备，而是一种系统的节能服务，是一种减少能源成本的财务管理方法，项目里的产品、技术和工程都是服务的手段，而非服务的目的。,除了承担投资的经济和技术风险外，EMC公司与普通设备销售商相比还具有以下特点：,1 节能更专业：EMC公司拥有一批能源审计、能源管理、财务融资专家及暖通制冷、电力电气、自动控制等方面的专业工程师，能为企业提供更专业的节能技术服务。 2 技术更先进：掌握着国内外最新、最先进、最成熟的节能技术和高效用能设备方面的信息资讯，因此能根据机房项目的不同特点，采用最适合的技术方案。 3 服务更全面：提供一系列的能源审计与管理、节能改造整体方案设计与施工、用能设备维护与管理、节约能源诊断与顾问咨询、节能知识传播与人员培训等全过程、全方位的服务。 4 管理更科学：企业借助EMC公司实施节能服务，可以获得专业节能资讯和能源管理经验，提升管理人员素质，促进内部管理科学化。,合同能源项目管理流程及环节,节能效益分享,能源审计节能诊断,节能改造方案设计,能源管理合同的谈判和签署,项目投资,施工.设备采购.安装及调试,节能及效益产生及及监测,中国联通北京分公司技术交流会,HCCT 于郡东,谢谢观赏！ 2011年3月,