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方法论+黑科技,在深圳完成不可能的任务

2021-02-05 21:13 来源: 打印 扫码手机看

       在深圳这个全年绝大部分时间很难依靠自然冷却的地方,如何让数据中心的PUE降到1.3以下?深圳的目标是1.25,而且已经有“领行者”率先实现。

       2019年,深圳建筑总院大数据中心设计研究院(以下简称“深总院”)首批设计低于1.25的方案一次性获得审批,并付诸实践;2020年,广东省出台数据中心五年规划,将PUE1.25推广全省。

       在维缔技术(VERTIV,NYSE:VRT)2020设计院高峰论坛上,深圳建筑总院大数据中心设计研究院院长曾建国全面先容了深圳低于1.25的方法论和设计方案。

       高标准 高挑战

       2013年,工信部提出新建大型数据中心PUE不超过1.5;2018年,北京提出PUE不超过1.4,继而上海要求新建数据中心的PUE不超过1.3;2019年,深圳更是率先提出PUE低于1.25。

       2020年12月23日,国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局四部门联合出台《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的引导意见》,意见中指出,到2025年,全国范围内数据中心形成布局合理、绿色集约的基础设施一体化格局。意见中提到一点:东西部数据中心实现结构性平衡,大型、超大型数据中心运行电能利用效率降到1.3以下。

       出台时间越晚的政策,对PUE的要求越严格,这是可以理解的。但从客观上来看,也形成了越往南、平均气温越高、越不利于利用自然冷源,PUE却要更低的情况。尤其核心城市中位置最靠南,已经属于亚热带海洋气候、2020年全年平均气温都在22.3℃的深圳来说, 不要说“百分百利用自然冷源”,每年有多少时长可以利用自然冷源都难说。

      图注:深圳全年温度曲线图,冬季气温最低气温13--22度之间

       降低数据中心PUE的主要手段主要包含两个方面,一是充分利用自然冷源,尽量减少机械制冷的工作时间;二是缩短制冷路径,降低冷量在传输过程中的损耗。

      在我国大量的运营商和第三方数据中心里,冷却塔+板换+冷水机组的水系统架构非常流行,这种架构虽然比较复杂,对建设过程要求较高,但对建筑形式要求较低,不受温度和湿度影响,关键是非常成熟,国内的大多数设计院很喜欢出这种方案。

       对于深圳这样的地区来说,水系统最大的硬伤是换热环节过多,全年大部分时间无法使用自然的馈赠,需要开启冷水机组(用电),PUE值很难降到1.3以下,遑论1.25。

      近年逐渐兴起的间接蒸发冷却技术,在北方的很多区域能够较充分的利用自然冷源,实现PUE小于1.25的案例很多。但是间接蒸发冷却对空气的温湿度要求也比较高,当遇到空气湿度太高、温度也不低的时候同样需要开启机械制冷(用电),在深圳的湿热气候下,也难免“水土不服”。

      这就意味着在深圳要实现PUE低于1.25,采用传统的制冷方案是无法实现的艰巨任务。

       图注:冷却塔+冷水机组核心优势是对建筑形式要求最低的,但建设要求高

       庖丁解牛 拆分能耗

       数据中心是一个复杂的系统工程,从选址规划、供电、制冷到内部服务器、存储、网络等基础架构,再到环保节能、智能运维都需要先进的理念和设计。

       要降低PUE,就必须正确理解PUE值的构成:数据中心的总耗电量与IT设备耗电量的比值,降低PUE值的实质就是尽可能地降低分子,即数据中心的总耗电量,减去IT侧的耗电量,数据中心基础设施侧(风火水电)的能耗,大部分用在制冷环节,如冷机、空调等制冷设备。

       曾建国院长的思路便是:将数据中心看作一个整体,拆分数据中心能耗,并依此而构建模型。

       图注:如前所述,制冷环节仍然是降低PUE的关键所在

       熟悉设计流程的专业人员都知道,数据中心里主要的设备是包含风电、制冷、IT,都属不同专业、不同团队的人来设计实施。其中,绝大部分设计院也不设计IT部分,而IT的负载通常是恒定值。为此,深总院搭建的能耗模型主要分为三个部分:建筑、电气、制冷。

       从绿色建筑层面来讲,目前低碳绿建趋势下,排放的趋势趋零。因此,降低PUE主要集中在电气和制冷两个层面:在电气领域,需要高能效的设备和最短的传输;在空调系统也是如此,超高效制冷,极致转换,这两个领域本质上都是将最简单的设备和最低的功耗结合起来,每一部分的PUE都控制到一定数值,最终实现整体PUE值的降低。

       性能提升 架构优化

       曾建国院长在谈到降低PUE值时有一个观点:将数据中心看作整体,不仅要实现设备级的节能、系统级的节能,还要实现项目级的节能,可以总结为:设备性能提升,系统架构优化。

       在电力设备层面,从低压配电系统来看,UPS行业已经有预制三工况模式,把UPS主机和输入输出柜合并,同样印证了前文的理论,把设备的最节能跟线路的损耗最小合并在一起实现电气能耗降低,同时预制三工况还是AI特征的三工况,可以自动调节,可以在保证可靠性的前提下实现节能效率最高。在高低压配电系统中,无论是巴拿马配电系统,还是维谛技术(Vertiv)的One power系统,依然在这个逻辑下保证设备可靠节能,通过应用整合缩短电力路由。

      前文说过,冷却塔+冷水机模型会增加能耗,深总院以一项黑科技——智能氟泵系统取而代之,成为满足PUE<1.25目标的关键。维谛技术(Vertiv)拥有专利的智能氟泵系统采用无水自然冷却循环,作用类似间接蒸发制冷模块,但对空气湿度不敏感,其“氟泵”不只是一个泵,它是一整套循环系统,包括数据中心内部的蒸发器、外部的风冷冷凝器、制冷剂气液分离器、油分离器和制冷剂循环泵,结合变频、间接蒸发、氟热管泵、AI等多项技术,可以在三种模式下运行:动力热管模式、混合智能模式、高效压缩模式。

       使用智能氟泵系统后,在深圳地区可实现:全年能效7.66,pPUE0.131的水平。

       当然在实施时面临一个问题,传统机房空调的改良时面临管路传输的限制,针对这个挑战,深总院将维谛技术人工智能技术融入数据中心PUE群控系统中,一来通过人工智能群控技术,通过采取多种算法,可以预判IT负载,实现 “按需制冷”,达到“预测未来温度、智慧控制输出”目的;二来基于“室内负载功耗、 室内外温湿度”变化 ,预测通道温湿度, 达成自动学习调节,这样可以实现动态响应,根据制冷、数据中心场景定制,AI可完成不同模式空调的精确组合运行,达到按需智能和精确智能感应的目的。

       通过实验证据表明,在使用AI技术以后,可以降低数据中心10%的能耗。深总院的这套模型,从设备级、系统级、项目级开始着眼拆解数据中心能耗,通过建筑节能、电源系统、制冷系统的整合优化,“深圳PUE1.25的价值”正在传递给更多的地区。

     《中国青年报》曾评论:“当大家需要一把尺子来衡量当代中国的精神刻度时,深圳是最无疑义的选项之一。”作为最早一批要从设计的和业务,并往两端上下延伸的深圳建筑总院大数据中心设计研究院,除了在数据中心领域的潜心研究,正不断创新思路,打通从设计到规划、再到建设的数据中心全生命周期服务,对于他们而言,PUE低于1.25是挑战,但更多是机遇。

了解更多:

https://www.vertiv.com/zh-CN/about/news-and-insights/#/?utm_source=Paid-esenet-Dttimes-PUE&utm_campaign=architects-of-continuity&utm_content=zh

 


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