节能减排技术大全

随着气候变化的加剧，碳中和已成为全球共识，节能降碳成为社会所有行业的共同使命。经济发展、社会需求和技术变革推动我国数据中心飞速发展，受规模提升的影响，全国数据中心耗电量增长率连续多年超过12%，远高于其他用能行业，数据中心的节能降耗工作显得尤为必要。在国家部委的政策引领下，在领头企业的探索中，中国数据中心正在逐渐向规模化、低能耗、绿色可持续发展的方向迈进，数据中心节能工作亦不断取得新突破，这里对节能技术进行罗列和介绍，作为绿色数据中心建设和运维的参考。一、电能效率提升1、高压输配电正常情况下，电厂发电机组输出电源的额定电压为3.15～20KV，进行升压到500KV以上电压后进行传输，可以减少线路能耗、电路压降，在节能的同时也可以节约有色金属，降低线路工程造价，如图1所示。图1高压远距离输电2、非晶合金变压器在电压变化过程中，变压器存在空载损耗和负载损耗，其中空载损耗，不管有无负载，它一直存在。使用非晶合金材料制作的铁芯，如图2，可以大幅降低空载损耗，这种材料具有高的磁化率，非常优异的导磁性能，降低了磁阻；另外这种材料电阻阻抗较高，而且非常薄，厚度为常规硅钢片1/10，大大降低交变磁场的涡流损耗，可以比传统的变压器降低70-80%空载损耗，使用非晶合金可带来较好的节能效果，如表3中，一台S152000Kva变压器比S9变压器空载损耗要低2.05KW，可以给PLF带来0.0012改善。图2非晶合金变压器表3非晶合金变压器节能效果3、-48V开关电源传统通信电源采用48V供电，可靠性高，可以采用高效模块，模块休眠等技术实现系统节能。但其本身缺点也非常明显，输出电压低，输送的电流大，线路损耗大，整体效率较低，只有83.8%，如图4。图4-48V供电系统效率4、高压直流为了降低损耗，可以提升直流供电电压，如采用节能高效高压直流技术，降低线路损耗和转换损耗，从而提升整体系统效率，降低能耗，整体效率为92.19%，如图5；高压直流也可以采用智能休眠冗余技术，进一步提升效率。图5240VHVDC供电系统效率5、高频模块化UPS数据中心建设，优先使用节能高效高频模块化UPS，UPS主机效率高达95%，效率比工频机有了大幅提升，系统效率最高达到了91.23%，如图6所示。图6高频UPS效率6、一路市电/一路UPS使用一路市电，一路UPS技术，可以让系统效率达到93.63%,相比两路UPS供电，供电可靠性有一定的下降，但PLF可以带来了0.024的改善，如图7所示。图7一路市电/一路UPS效率7、一路市电/一路高压直流使用一路市电，一路HVDC技术，可以让系统效率达到94.11%,相比两路UPS供电，PLF带来了0.03的改善，如图8所示。图8一路市电/一路HVDC效率8、中低压一体化技术中低压一体化就是让变压器和低配贴近负荷中心，实现高压输配电，让10KV深入到负荷中心，简化低压配电架构。最简单的方法就是直接将变压器、低配和UPS拼装在一起，缩短了配电距离，让配电系统简洁高效，可以给PLF带来0.01的改善，如图9所示。图9中低压一体化技术9、巴拿马电源巴拿马电源就是中低压一体化技术的一种，只是UPS换成了高压直流，通过整合，将低压配电变成设备内部，电源系统效率比传统架构可以提升1%，如图10所示。图10巴拿马电源技术巴拿马电源主要由进线柜、压变柜、整流柜和输出柜组成，如图11所示图11巴拿马电源组成10、高压油机采用10KV高压油机并机运行，利于机组并机、负荷分配以及远距离，降低工程投资和运行损耗，如图12所示。图12高压油机并机系统11、电梯电能回馈电梯电能回馈，就是将电梯刹车的热能转换成电能，也叫回馈制动。在采用变频调速的设备里，这部分电能一般是通过能耗制动电阻转换为热能浪费了。能量回馈装置使用的电力电子变换技术，将电梯在运行过程中所产生的再生电能利用起来，并转换为同步的交流电能回送到电网，起到节电的效果。当电梯处于轻载上行和重载下行时，机械能转化为电能，通过市电跟踪技术，把电能反馈回电网，如图13所示，再生利用，从而有效节省电能。图13电梯电能回馈原理12、照明节能照明灯具优先选用节能型LED光源，灯具控制方式采用相对集中、分散控制相结合，公共楼道等采用节能自熄开关控制，节约电能。二、使用绿能13、水电水电站是把位于高处的水体引向低处的水轮机来进行发电，如图14所示，将水能转换成电能。由于水能来自河川等天然径流，而河川天然径流主要是由自然界气、水循环形成，水的循环使水能可以再生循环使用，故水能称为“再生能源”。图14水电工作原理14、光伏电池在太阳光照射下，一些特定的半导体内会产生自由电荷，这些自由电荷定向移动和积累并产生一定的电动势，可以向外电路提供电流，如图15所示，这种现象被称为光生伏特效应或光伏效应。图15光伏电池原理太阳能光伏电池可以模块化制造，并根据需要组合成不同功率的电站，如图16所示，通信基站通过光伏电池的不同组合，可以达到500W——10KW左右的输出功率。图16光伏系统组成15、风力发电风力发电是指把风的动能转为电能。风能也是一种清洁无公害的可再生能源，利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视，在运营商的基站里，光伏电池可以和风力发电组成风／光互补系统，如图17所示，因为风力资源和太阳光资源具有较好的互补特性。没有太阳的时候经常有风，没有风的时候常常有太阳，可以提高通信站点供电的可靠性。图17风光互补系统16、太阳能空调太阳能空调可以采用蒸气喷射式制冷，是以喷射器代替压缩机，以消耗热能为代价，在喷射器的喷气室形成低压区，如图18，利用工质在低压下气化吸热实现制冷。图18喷射器形成低压原理太阳能对加热器进行加热，形成高温高压工作蒸汽，在喷射器喷嘴中绝热膨胀，形成一股低压高速气流，从而将蒸发器里的低压水蒸气抽吸到喷射器中，形成低压吸热制冷，如图19所示图19太阳能空调原理17、氢能氢能作为公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。采用普通的电解技术，就可以将光伏、风电等再生能源转换成氢能进行储存，从而供给氢能源汽车和燃料电池使用，氢储能技术，很好的解决了清洁能源的储存问题，可以说氢能源是能源储存的终极方式，目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展，有望成为氢能技术和应用领先的国家之一。水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，在电解槽通上直流电，水分子在电极发生电化学反应，分解成氢气和氧气，其中阴极附近产生氢气，如图20所示。图20电解制氢原理水电解制取的氢气，经过加压，储存在容量里，供给氢能源汽车和燃料电池使用，很好的解决了清洁能源的储存问题，如图21所示。图21水解制氢储存使用过程17、核能核能将原子核裂变释放的核能转换成热能，再转变为电能。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方，核电站工作原理如图22所示。图22核电站工作原理由于核能发电排放少，不会造成空气污染；核能发电为无碳排放，温室效应不明显；铀燃料成本低，发电成本低，所以一定程度上也算是一种清洁能源。三、储能技术20、抽水蓄能抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，通过这种方式将其他电源(包括火电站、核电站和水电站)的多余电能，抽水至上水库储存起来，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。当电网用电量处于低谷值时，把多余的电能用来抽水，即把下游调节池中的水重新提到上游位置，以备再度发电充分利用水资源。这个过程是电能转化机械能，再转化为水的势能，如图23所示。图23抽水蓄能原理储能发电过程，当电力高峰时，放水发电，水的势能变成动能，推动水轮机转动，再转化成电能，如图24所示。图24发电原理21、深井拉铁深井拉铁储能，也叫深井重物储能，是重力储能的一种，就是在深井内，采用提升重物进行能力储存，在需要的时候，利用重物下降释放能量来进行发电。这个深井，可以现场挖掘，也可以寻找废弃的矿井，但是需要一定的深度，一般在500米到几千米的样子，然后挂上几千吨的重物，并垂到井底。当需要蓄能时，就利用富余的电能去驱动电机，将这个重物提升到地面，如图25所示。图25深井拉铁储能模式需要发电时，就让重物往下落，重物下落的过程，就可以带动发电机对外发电，如图26所示。深井拉铁技术好比一枚巨大的储能电池，显然，这个深井越深，挂的重物重量越重，这枚电池的容量也就越大，能储存的电量也越多。图26深井拉铁释能模式22、飞轮蓄能飞轮储能是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来的一种方式。储能时，利用电动机带动飞轮高速旋转，电能转换为飞轮的动能，如图27所示；在需要能量的时候，飞轮带动发电机减速运行，将存储的能量释放出来，航母上的飞机电磁弹射系统用的就是飞轮储能系统。图27飞轮储能释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程，如图28所示。图28飞轮释能23、压缩空气储能压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的多余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，也可以是报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井，当电力系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入轮气机作功发电。储能模式，在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，并将空气高压密封在，如图29所示图29储能模式在电网负荷高峰期，释放压缩空气，推动汽轮机发电，如图30所示图30释能模式24、液流电池液流电池由电池单元、电解液、电解液存储供给单元等部分构成。液流电池的正极和负极电解质溶液储存于电池外部的储罐中，通过泵和管路输送到电池内部，通过正、负极电解质溶液活性物质发生可逆氧化还原反应，实现电能和化学能的相互转化。这里以全钒液流电池为例，钒化学性质活跃，呈现多种价态，钒液流电池以钒离子的不同价态的溶液为电解液，使其在正负极板上发生可逆反应，完成充电、放电和再充电过程。电池充电后，正极物质为V5+离子溶液，负极为V2+离子溶液；电池放电后，正、负极分别为V4+和V3+离子溶液。充电时，正极发生氧化反应活性物质价态升高，负极发生还原反应活性物质价态降低，如图31所示。图31液流电池充电过程液流电池放电时，正极活性物质价态降低，负极活性物质价态升高，液流电池释放出它所储存的能力，如图32所示。图32液流电池放电过程26、水蓄冷数据中心为了防止冷源中断，往往配置蓄冷罐，如果蓄冷罐够大，或者热负荷较小是，这时可以用它进行调峰运行，在尖峰电价时，利用蓄冷罐直接向末端释放冷量，从而降低尖峰电量的使用，起到调峰作用，如图33所示；图33蓄冷罐放冷模式当谷电电价时，冷水机组向末端设备供冷的同时向蓄冷罐进行蓄冷，如图34所示。图34蓄冷（充冷）模式27、冰蓄冷冰蓄冷技术，就是在电力负荷较低的夜间，也就是用电低谷期的时候，采用电制冷机进行制冰，将冷量以冰的方式储存起来，夜间蓄冰模式（制冰工况）如图35所示图35冰蓄冷蓄冷模式而在电力负荷较高的白天，也就是用电高峰的时期，再把储存的冷量释放出来，在满足数据中心空调对冷量需要的同时，实现用电负荷的“移峰填谷”，如图36所示，通过峰谷电的差价，降低用电费用。图36冰蓄冷供冷模式四、机房空调节能28、机房空调变频通过变频技术，改变压缩机马达转速，从而改变压缩机容量，如图37所示，利用变频器调节输出频率，对负载流量进行控制实现节能。图37压缩机变频技术原理当室内负荷要求高时，变频压缩机马达频率随之增大，从而导致马达转速更快，吸排气容量升高。当室内负荷要求降低时，变频压缩机的频率减小，容量降低，如图38。图38频率改变对变频压缩机容量影响变频器应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的一种电力控制设备。通过压缩机变频，在部分负荷情况下，可以提升冷凝器和蒸发器效率，降低冷凝压力，如图39所示，节能率达10%-30%以上，配合EC风机，可以给CLF带来0.2的改善；压缩机变频，无频繁启停，对部件及控制电路无冲击，机房温度波动小。图39变频节能原理29、氟泵技术氟泵节能空调主要由氟泵、管路阀门等组成，氟泵节能空调分为双氟泵机组和单系统氟泵机组，氟泵机组可以采用专用型机组或者改装后的风冷型机房空调机配套使用，组成两套不同的制冷循环模式，即压缩式制冷循环和氟泵制冷循环，经过试验，氟泵技术可以改善CLF高达0.3。当室外环境温度较高时，如室外环境温度>20℃时，氟泵开始压缩机制冷模式，这时压缩机正常运行，氟泵停止工作，系统类似于一台普通的机房空调，如图40所示；图40压缩机工作模式当室外环境温度较低，达到系统控制的设定点时，如室外环境温度<10℃时，,这时压缩机停止工作，氟泵启动，如图41所示。蒸发器中与室内空气换热后的制冷剂，直接进入风冷冷凝器与室外冷源进行换热，冷却成液态后的制冷剂在氟泵的作用下克服管阻回到蒸发器继续换热，达到节能效果。图41氟泵模式（节能模式）当室外环境温度略低时，如10℃<室外环境温度<20℃时，这时系统处于混合模式，压缩机和氟泵同时工作，如图42所示。图42混合制冷模式30、动态双冷源技术动态双冷源技术在集中冷却水冷却+机房空调系统基础上，叠加自然冷却模块（水盘管），可以进一步降低空调能耗；采用闭塔冷却+集中冷却水+数码涡旋技术+EC风机等技术组合，通过动态调节的方法，可以实现压缩机制冷和自然冷却的平稳过渡，延长自然冷却时间，提升节能效率，经过试验，某数据中心CLF从0.55减低到0.28，节能明显。双冷源空调使用过程有三种工作模式：压缩机模式如图43所示。图43压缩机工作模式自然冷却模式如图44所示。图44自然冷却模式动态双冷源模式如图45所示，在过渡季节，压缩机完全作为自然冷却冷量补充，压缩机按照需求在20-100%之间调节输出，数码压缩机和水盘管进行完美匹配。图45动双冷源模式五、水冷冷冻水系统节能31、变频机组离心压缩机靠电机通过增速齿轮带动叶轮高速旋转，叶轮高速旋转产生的离心力提高制冷剂气体的速度，然后通过扩压室，并在其中完成动能与压力能的转化。压缩机的最大压头由压缩机叶轮的最大线速度决定。对于制冷量较大的冷水机组，采用变频技术，可以改善启动性能，防止机组在满负荷启动时扭矩过大并启动节能运行目的，同时也增加机组的适应能力，使机组的负荷能与系统用户的负荷相匹配，避免频繁的开启机组，如图46所示。图46变频离心机组32、中压冷机采用中压冷机，一方面可以减少低压冷机所用变压器的损耗，另外一方面由于运行电流小，大大降低运行损耗，如图47所示。图47中压冷机和低压冷机比较33、磁悬浮冷机磁悬浮就是依靠磁力，让物体悬浮的一种技术。磁悬浮轴承先通过磁力，让转子悬浮起来，再保证转子处在中心位置工作，如果转子往下偏离，就增加上部磁铁的电流，减少下部磁铁的电流；如果转子向右偏离，就增加左边磁铁的电流，减少右边磁铁的电流，如图48所示。图48磁悬浮轴承原理有了磁悬浮轴承，就可以制造磁悬浮压缩机。磁悬浮压缩机就是采用磁悬浮轴承技术的一种制冷压缩机，它利用磁场原理，让压缩机的转子工作时处于一种悬浮状态，从而在旋转时和机座不产生机械接触，避免了机械磨擦，这给超高速运转的离心制冷压缩机带来了很大的好处，磁悬浮压缩机结构如图49所示。图49磁悬浮压缩机结构34、板换+冷塔自然冷却当冷却水出水水温较低时，可以直接使用自然冷源，如T冷塔出水≤12℃时，关停冷机，开启板换，将自然冷源直接送到机房内。这种情况下板换承担所有的负荷，如图50。图50板换模式当冷却水水温略为上升时，如12℃≤T冷塔出水≤18℃时，冷冻水先进板换，和冷却水先进行热交换降低温度，之后再在进入冷机，由冷机将水温冷却到要求的温度，这种条件下，板换的使用时间可以延长，自然冷却使用的时间可以增加如图51。图51联合模式35、余热回收空调在制冷的同时，需要往室外排出热量，这种热量就是常说的废热，不仅无用，而且会产生热污染；在数据中心，冷凝产生的热量是非常惊人的，如果这些冷凝热能够利用起来去制取热水，就能变废为宝，在免费获得热水的同时，也可以降低空调的能耗。只需要在冷凝器前增加一个热交换器，或者直接选择带热回收功能的机组，进入热回收装置的冷水通过换热器吸收压缩机排出的高温高压制冷剂释放的热量，降低制冷剂温度的同时变成45度～60度的热水，供给机房的油机水套加热，也可以作为办公的生活用水，甚至可以作为养殖业的热水供应。系统原理如图52所示。图52冷凝热回收系统图36、地源热泵地源热泵是一种以土壤、地下水或地表水作为低温热源的一种供热空调系统。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：地源换热系统、热泵主机系统和末端系统。地源热泵主要利用地能进行冷热交换，冬季从地能中取热，夏季从低能中取冷，工作过程如图53所示。图53地源热泵工作原理图五、自然冷却41、新风系统直接利用室外冷空气冷量，通过风机将室外冷空气过滤后直接引入到机房里，图54，这种冷却效率最高，适合在空气质量较好的情况下使用，图55为常见的新风机柜。图54新风节能技术图55新风节能技术42、板换换热技术通过板换隔绝室外空气进行换热，让冷却后的空气送入机房，如图56。由于室外空气无法直接进入机房，如图57，空气板换适合在空气污染的环境下使用，冷却效率要低于新风系统，适合在有空气污染，不适合安装新风系统的环境；当室外气温较高时，需要机械制冷。图56空气板换冷却设备示意图图57空气板换结构图43、转轮换热技术（京都转轮）这是一种全热交换技术，早期在日本东京都使用，所以也叫京都转轮，它不仅可以交换热量，还可以交换湿度，可以同时节约降温和加/除湿能耗，降温作用和板换换热相似，通过转轮的旋转，让室外空气和室内空气在转轮处进行热湿交换，原理如图58，京都转轮在数据机房应用如图59，这种方式冷却效率较高，适合在有空气污染、不适合安装新风系统的环境，转轮工作示意图如图60；由于使用中有轻度的交叉污染，转轮全热交换和板换相比并没有明显优势。图58京都转轮换热工作原理图59京都转轮换热数据机房应用图60京都转轮示意图44、直接蒸发节能技术直接蒸发冷却是使空气和水直接接触，通过水的蒸发后，空气的温度会下降，其特点是对空气实现等焓加湿降温过程，送风降温的极限温度为进风的湿球温度，如图61所示。图61直接蒸发原理使用加湿后冷却的空气可以对机房进行降温。实际使用中，可以和新风系统配合使用，当室外温度较低时，直接利用新风降温；当室外温度升高时，开启加湿系统，水蒸发后空气温度降低后，再进入机房冷却，这样可以延长自然冷却的时间和效率，适合在空气质量较好的情况下使用，如图62；要注意的是蒸发过程会影响机房湿度。图62直接蒸发技术45、间接蒸发节能技术间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器，将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给机房循环空气，实现空气等湿降温的过程，如图63，在这个过程中，二次空气经处理后其干球温度和湿球温度都下降了，而含湿量不变，对送风气流实现减焓等湿降温过程，送风降温的极限温度为进风的露球温度。图63间接蒸发原理通过蒸发换热器隔绝室外空气，室外空气无法直接进入机房，适合在空气污染的环境下使用，冷却效率虽然低于直接蒸发技术，但是室外的污染物无法进入机房，另外蒸发过程不影响机房湿度，制冷原理如图64，间接蒸发的核心器件是蒸发模块，如图65，其气流组织包含两部分，分别为机房内气流和室外气流，如图66。图64间接蒸发制冷技术图65间接蒸发模块原理图66间接蒸发模块气流46、鸡窝气流部分数据中心直接采用烟囱效应，形成空气自然对流，这种方式完全不用空调，通风的钱也省了，节能很彻底，图67所示，雅虎数据中心就采用了这种方案，使它成为世界上最节能的数据中心之一。采用烟囱效应自然对流的数据中心，受到流速的影响，机柜功耗受到限制，所以也可以选用风机，增加风量，如图68所示图67烟囱效应自然对流新风冷却图68烟囱效应+通风机的新风节能示意图47、Roubaix4烟囱气流从自然冷却的角度来说，OVH数据中心设计的Roubaix4冷却系统是最优秀的设计，它是一种完全的创新，直接把建筑物设计为一个大烟囱。该冷却方式原理，通过服务器产生的热空气形成热压差，推动机房气流循环，利用烟囱效应，实现超低功耗自然通风，如图69。图69OVH采用自然通风冷却方式OVHRoubaix设施将立方体形状的建筑物视为空气处理器，外部空气通过外墙上的百叶窗进入机房，冷却机架上服务器后形成热空气，通过机架后面的风扇离开IT机房，排放天庭里。数据中心设计了天庭，形成明显的烟囱效应，加快热气的排走，如图70所示。图70OVH自然冷却形成的烟囱效应据OVH称，Roubaix4冷却系统是多年研发的结晶。自然冷却效果非常棒，完全不使用空调，只使用通风系统以及冷板式液冷，CLF=0.06。48、山洞气流比如鹅厂将蒸发冷却技术和烟囱自然抽拔技术相结合，创建了山洞冷却方式和独特的气流方式，如图71所示:图71鹅厂蒸发冷却模块和烟囱效应相结合方式49、隧道气流富士康根据鸡舍和鹅厂气流的特点，把机房建在山体之间，也形成了自己独特的冷却方式，如图72，图73所示图72隧道气流示意图图73隧道气流构成47、湖水冷却如果采用湖水冷量，直接使用或者用板换把湖水冷量置换出来，确保24小时温度恒定，图74，某湖数据中心就采用了该方案。图74湖水冷却技术48、海水冷却如果采用是海水，就需要加装板换，板换和管路必须耐海水腐蚀，海水通过板换进行冷量交换给淡水，淡水送到数据中心，如图75，谷歌数据中心就采用了类似方案。图75海水冷却技术49、海底冷却也可以直接把海底数据机房沉在海底，直接让海水进入换热器冷却服务器，图76，微软二代就采用了该方案。图76海底直接冷却但是担心管道会堵塞，海水也会腐蚀管道和换热器，所以也有换热器版本，通过换热器，隔绝海水，图77，某软一代就采用了该方案。图77海底间接冷却六、液冷技术液冷技术，就是通过液体直接冷却设备，液体将设备发热元件产生热量直接带走；采用液冷，可以实现服务器等设备的自然散热，相对于传统的制冷系统，更为高效节能。按照液体与发热器件的接触方式，大致分为冷板式（间接接触）、喷淋式和全浸没式（直接接触）51、冷板液冷就是将液冷冷板固定在服务器的主要发热器件上，依靠流经冷板的液体将热量带走达到散热的目的；冷板液冷解决了服务器里发热量大的器件的散热，