发力新基建,UCloud绿色数据中心建设之路 | U刻
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发力新基建,UCloud绿色数据中心建设之路

  • 发力新基建,UCloud绿色数据中心建设之路

    ​环保意识的提高,使数据中心的能耗日益成为关注点。近年来,UCloud探索实践了多项节能减排技术,并在自建的乌兰察布数据中心取得了良好效果,电能使用效率PUE维持在1.3左右。绿色数据中心的理念,也令UCloud顺利获得上海市经济和信息化委员会的用能指标批准(UCloud 优刻得青浦数据中心获批上海新建IDC用能指标),这些技术将继续用于UCloud青浦数据中心的建设,发力新基建。

    PUE概念简介
    电能使用效率(PUE)最早是2006年由微软的数据中心专家Christian Belady提出,用于衡量能源利用率。从本世纪初起,国际上愈发重视数据中心的能耗问题,PUE已发展成为一个全世界普遍接受的数据中心能耗标准。数据中心的 PUE 值等于数据中心总能耗与 IT 设备能耗的比值,因此总是大于1。比值越小、越接近1,表示数据中心的能源利用率越高,越符合低碳、节能的标准。

    《上海市互联网数据中心建设导则(2019_版)》中,对PUE的计算做了严格而细致的规定。

    国际国内进展


    欧美国家在数据中心运营上起步更早,也从很早前就开始注重环保,探索出了风冷、水冷等多种自然冷却手段,结合全新的配电设计和热通道控制,将PUE维持在一个很优秀的水平上。
    例如亚马逊、谷歌、微软都喜欢将数据中心建在爱尔兰,除了税收优惠和大西洋沿岸丰富的光纤资源之外,当地气候寒冷,非常有利于自然风冷却设计。微软都柏林数据中心是微软最节能的设计之一,能源和水的消耗大幅减少,曾被评为“欧洲最佳企业数据中心”,堪称数据中心设计的里程碑。其PUE值为1.25,而行业平均值在2.0左右。此外,抛弃了传统制冷系统后,每月还能节省1800公升水。

    图:微软都柏林数据中心此后Facebook 数据中心( PUE=1.15)、谷歌比利时数据中心( PUE=1.16)相继落成,成为全球最最节能的几个数据中心之一,而雅虎纽约洛克波特数据中心,位于尼亚加拉大瀑布,建筑被专门设计为巨大的“鸡窝”形状用于空气处理,PUE达到了近乎极限的1.08
    在国内,政府相关部门也已开始规划绿色数据中心的路线图,按照《“十三五”国家信息化规划》,到2018年,我国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。


    能耗分析
    数据中心的能耗一般由IT设备能耗、UPS 转化能耗、制冷系统能耗、照明系统能耗、新风系统能耗、弱电系统能耗等多部分组成。如果想降低PUE,就需要采取对应的措施,例如,采用转换效率高的 UPS 系统、采用高效节能的绿色制冷系统、采用 LED 绿色节能光源等。

    (图片来自互联网)由上图可知,无效能耗中,占比最大的是制冷,因而对制冷系统的优化也是最具效益的。


    方案调研
    我们调研了各类制冷方式,包括:风冷直膨式空调、风冷式冷水系统、水冷式冷水系统、新风直接冷却系统、间接蒸发冷却系统和液冷机柜系统。
    每种制冷方式都存在一定的特点和优劣势,在能源效率、水资源利用效率、环境适应性、建筑条件适应性、高密支撑能力、供应链成熟度等方面各有千秋。设计制冷方案时需结合项目的特点和需求,因地制宜,多角度比选。

    乌兰察布地区低温、缺水,所以我们的数据中心采用了带自然冷却功能的风冷式冷水系统,可以利用自然冷源减低数据中心的PUE,同时具备节约水资源的优势,具有很高的环境和资源友好性。而上海地区气象高温、高湿,水资源相对丰富、土地资源紧张,为了达到理想的PUE,UCloud青浦数据中心采用了能源效率更高的水冷式冷水系统和间接蒸发冷却系统,间接蒸发冷却机组置于屋顶,为顶层机房模块制冷,其余楼层采用水冷式冷水系统。该数据中心的设计PUE指标达到1.29。


    建模和参数优化
    设备选用后,我们运用多年数据中心运营积累下来的数据,建立了一个完整的能耗模型。并通过实时数据,测算节能的效果,并与预期做比对。发现的偏差用于参数的调整,并重新反馈给模型。经过多轮次的参数优化,终于达到了预期效果。

    其它节能措施
    建筑节能

    建筑设计从方案设计到施工图设计整个过程充分考虑建筑节能措施,外围护结构的传热系数、各朝向的窗墙比以及外遮阳系数均满足国家《公共建筑节能设计标准》的要求。主机房不设外窗,以保证室内良好的热工性能。
    给排水节能

    各类水泵根据管网水力计算选择和配置,保证水泵工作时高效率运行,设计工况时的效率符合《清水离心泵能效限定值及节能评价值》节能评价值要求。
    冷源系统节能

    冷源系统均采用符合《冷水机组能效限定值及能源效率等级》的高效能变频离心机组,COP=7.1,名义工况制冷性能系数COP=6.4,制冷综合部分负荷性能系数IPLV不低于6.0,冷源系统综合性能系数SCOP不低于4.4,蒸发侧温度设置为17/23℃,冷凝侧温度设置为33/39℃,提高蒸发侧对数平均温差,降低冷机的压比,从而提高冷水机组的电制冷效率。
    全部冷源均接入BAS系统,全自动控制,可以根据负荷变化(回水温度)而自动调节供冷量及运行频率(变频),进一步提高整体运行效能。
    冷源系统配置板式换热器,根据室外季节温度变化,采用电制冷、部分自然冷却、完全自然冷却三种模式自动调节,最大限度利用自然冷源,减少化学能源消耗。

    高压直流供电技术

    与传统UPS系统相比,高压直流系统将整流逆变环节减少了,不仅大大降低了损耗,工作效率显著提高,而且减少了元器件的数量,能够显著降低设备成本。
    热回收技术

    采用水源多联机对机房余热进行回收利用,在冬季为电池室和办公空间供暖,可以有效降低采暖能耗;水源多联机还可以在夏季为电池室和办公空间制冷,提高了设备利用率。


    实践效果
    系统运行后,我们首先将其应用在乌兰察布数据中心,测算到PUE值为1.3,具备显著的节能效果。由于在机房热源中,散热始终是占比很高的一项,所以在发电价高的一线城市,这个方案同样拥有很高的吸引力。《上海市互联网数据中心建设导则(2019_版)》中,规定本市新建数据中心当年PUE不应高于1.4,第二年PUE不应高于1.3,我们的技术积累也会有充分的用武之地。


    小结
    绿水青山就是金山银山,UCloud在创造经济效益时,也不忘社会使命感,秉承绿色环保理念,为国内的新基建添砖加瓦。UCloud自建的青浦数据中心,将以大数据的存储、分析、应用为突破口,力争覆盖民生、政务、互联网、电子商务等诸多领域。