數(shù)據(jù)中心機房的節(jié)能設計

　摘要 據(jù)相關權威機構調查，IT行業(yè)每年的二氧化碳排放量約為3500萬t，占全球總排放量的2%，數(shù)據(jù)中心成碳排放大戶，建設“高效節(jié)能數(shù)據(jù)中心機房”已成為IT行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的又一新要求。本文主要從數(shù)據(jù)中心機房電源系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、機房與機柜布局及其他四方面來探討數(shù)據(jù)中心機房的節(jié)能設計問題。 
　　綠色、節(jié)能、低碳的觀念已滲透到社會生活的方方面面，解決好數(shù)據(jù)中心機房的高能耗問題，是每個企業(yè)用戶所關注的。筆者結合近年來的一些實踐經(jīng)驗，從機房電源系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、機房與機柜布局及其他四方面對數(shù)據(jù)中心機房的節(jié)能設計談些粗淺的認識，希望能為同行提供參考。 
　　1 機房電源系統(tǒng)節(jié)能 
　　1.1 電源系統(tǒng)設計方面的節(jié)能方案 
　　當前數(shù)據(jù)中心機房設備用電主要為交流電，交流電是由變壓器和ATS開關所組成的UPS輸入供電系統(tǒng)，UPS功耗約占數(shù)據(jù)中心機房所需總功耗的10%。數(shù)據(jù)中心機房直流供電替代交流供電，不僅能保證供電可靠性和電磁兼容還能提高能效比，但是目前該方案還缺少設備支持以及存在直流供電系統(tǒng)價格昂貴的問題。 
　　以下電源方案能很好的做到節(jié)能：1）采用無變壓器的UPS設備。目前有越來越多的廠商推出無變壓器的UPS設備，可以讓整機的效率提升至90%以上。傳統(tǒng)的UPS的整機效率只有75%~85%，但采用無變壓器的機型，可以提升至90%以上，因此，選用無變壓器的UPS可以更有效的運用電源，讓每一度電都花費在系統(tǒng)運作上，進而降低電力的成本[2]；2）選擇模塊化、可擴展的UPS設備。IT設備會隨著企業(yè)業(yè)務的增加而擴增，當然企業(yè)在選購 UPS設備上，為了達到備份與擴展性，都會選購大型的UPS設備，這會讓UPS使用效率大都低于30％。當UPS負載率低于30％，能源的轉換效率就會低于50％，造成電力的浪費；3）機房的IT設備盡量選用220V的電力。處理器每花費1W的電力，實際上所消耗的電力大于1.5W，主要的原因在于電力輸送和轉換，電力從機房的輸入總配電箱送到每一個 IT設備的零組件，需要經(jīng)過多道的電力轉換，每轉換一次，就消耗掉一定的電力。 
　　1.2 運行維護方面的節(jié)能方案 
　　在機房的運行維護上，一般變壓器經(jīng)濟運行的負載率為30%，變壓器負載率長期低于30%，可以考慮停掉其中一臺；調整負載，均衡變壓器的負載率也是一項重要的節(jié)電措施；另外，過多的諧波會嚴重影響供電系統(tǒng)電能質量，對現(xiàn)網(wǎng)運行相關設備產(chǎn)生危害，同時諧波通過在供電系統(tǒng)內流動發(fā)熱，浪費電能，因此治理低壓供電系統(tǒng)諧波也是設備運行維護應該注意的問題。 
　　2 機房空調系統(tǒng)節(jié)能 
　　2.1 常用空調系統(tǒng)分類 
　　目前常用的空調系統(tǒng)有：集中空調冷水系統(tǒng)+冷水型恒溫恒濕空調、風冷恒溫恒濕空調機系統(tǒng)和機柜模塊式空調系統(tǒng)[3]。第一種系統(tǒng)制冷能效比較高，系統(tǒng)整體的能效比一般可達4.0以上，適用于大型機房，系統(tǒng)的整體性能較好，可進行集中調控，缺點是需要單獨設置制冷主機房。第二種系統(tǒng)適用于有室外機放置位置的通信機房，由于風冷恒溫恒濕空調機不需接冷水管，所以可直接安裝在通信機房內，安裝設置比較靈活。第三種系統(tǒng)制冷效率較高，一定程度上能夠解決大功率機柜的散熱問題。在設計空調系統(tǒng)時要綜合考慮多方因素，選擇合適的系統(tǒng)。 
　　2.2 機房空調節(jié)能措施分析 
　　空調系統(tǒng)占機房能耗的比例逐年增加，對一些數(shù)據(jù)機房的調研發(fā)現(xiàn)：空調系統(tǒng)的電費支出占整個機房電費支出的45%左右[4]。由于以下原因，空調系統(tǒng)長時間處于非滿載運行狀態(tài)：1）通信設備對空調系統(tǒng)要求較高，設計時安全余量較大；2）設備分期安裝、分期投入運行，機房啟用初期空置率較高；3）空調系統(tǒng)的制冷量是用夏季空調計算溫度計算而得，在其他季節(jié)，室外溫度降低，制冷負荷變小。因此，機房的空調系統(tǒng)的節(jié)能潛力是比較大的[5]。 
　　2.3 機房空調節(jié)能技術 
　　首先，采用變頻技術可實現(xiàn)對壓縮機、水泵、風機等設備的無級調節(jié)，有利于空調系統(tǒng)的節(jié)能。變頻式主機透過轉速的改變，當機房需要較多的冷空氣則強化轉速，當機房有足夠的冷氣需求，則可降低轉速，達到省電的目的。 
　　在送風與散熱模式上，采用水平式散熱架構。傳統(tǒng)的下吹式空調透過高架地板將冷空氣送入機柜，但隨著服務器所散發(fā)出來的熱量越來越高，傳統(tǒng)的下吹式空調已經(jīng)無法應付。水平式冷卻系統(tǒng)，則是在數(shù)臺機柜間，裝置1臺冷卻機柜，冷空氣并不是從高架地板送出，而是透過冷卻機柜，將冷空氣平行送至各機柜，由于冷空氣氣流路徑較小，也提升空調效率，降低用電量。另外，可使用制冷主機群控系統(tǒng)來解決制冷主機和輔助制冷設施的運行臺數(shù)隨負荷季節(jié)變化的問題。 
　　對高密度、高散熱量的機柜，采用純水（或冷媒）冷機柜帶走熱量。過去1個機柜的總耗電量約為3kW，但隨著服務器效能的提升，1個機柜的總耗電量甚至可以達到14kW以上，傳統(tǒng)的空調將無法因應高密度、高散熱量的機柜。水冷套件只需要1/4的傳統(tǒng)空調能耗，就可達到相同的制冷效果，進而節(jié)省空調的支出。相較于純水，冷媒能交換的熱量更多，也提升水冷套件的降溫能力，更適合高散熱量的系統(tǒng)運作。 
　　3 機房與機柜布局 
　　3.1 機房布局方面 
　　采用小型化模塊機房的方案。大型機房由于機房的面積較廣，容易讓送風距離過長，造成遠程機柜冷空氣進氣不足，這個時候，就必須要調低整體空調系統(tǒng)的溫度，造成電力的浪費。視機柜的負載量，將大型機房按功能和功耗大小劃分出數(shù)個小機房，由于小機房單位面積較小，回風的距離也較短，不但可以達到有效率的降溫，還可以減少空調費用的支出。 
　　3.2 機柜布局方面 
　　采用高通孔率機柜，并建立冷熱通道。由于機柜的前方為進氣口，后方為散熱孔，如果機柜的正面都是朝向同一面，前方機柜的熱量就會被后方的機柜吸入，造成后方機柜溫度過高，也因此，機柜的擺放必須面對面、背對背。兩個機柜的正面能面對面，建立起冷通道，而兩個機柜的背面也是背對背，建立起熱通道，強化空調冷卻的效率，避免冷空氣混和熱空氣造成混風現(xiàn)象。 
　　在整個機房環(huán)境里，平均分配高密度機柜。高密度機柜如果擺放的位置過于緊密，容易因為熱點而造成機柜冷卻效率不佳，此時，如果只是強化冷卻效果，不但造成空調的浪費，機柜冷卻的效果也很有限。 
　　4 其它方面的節(jié)能 
　　4.1 機房建筑節(jié)能 
　　早期的一些機房由于未考慮機房建筑節(jié)能，圍護結構傳熱損失比較大，加上一些大樓內機房和辦公用房混用，建造時窗墻比例偏大并大量采用玻璃幕墻，這些因素都增加了空調負荷，導致機房空調系統(tǒng)浪費嚴重，能耗消耗嚴重。 
　　需對機房建筑圍護結構進行高水平的保溫隔熱，對外墻增加保溫隔熱層。在外墻圍護結構保溫隔熱良好的情況下，對機房內墻、機房地板、機房天花采取保溫隔熱措施。 
　　4.2 降低空調系統(tǒng)使用 
　　如果能采用自然的冷空氣，就能不必耗費電力又可達到冷卻的效果。針對當?shù)氐膶嶋H氣候條件，機房散熱采用直通風、智能通風、熱交換等方式，減少或取代傳統(tǒng)的空調散熱方式，充分利用機房內外空氣的對流，將室內的熱量帶到室外，有效降低溫控方面的能耗。對于通風防塵設計，宜采用風壓損失小的專用風扇過濾網(wǎng)，保證最佳的過濾效果。要采用機房外部的冷空氣降溫，室外攝氏溫度必須低于10℃。 
　

　4.3 利用綠色能源

　　機房應優(yōu)先選用節(jié)能高效的照明電器、供配電和制冷系統(tǒng)，減少能耗，充分利用清潔能源和可再生能源（如風能 光能等）?？稍偕茉吹氖褂茫饕Q于當?shù)氐臍夂蚝偷乩憝h(huán)境。 
　　4.4 提高服務器運行率 
　　通過有效提高服務器的業(yè)務運行率從而達到節(jié)能目的比單純提高供、配電設備效率指標更有效。關鍵就是進行業(yè)務整合，即共享硬件，用虛擬化劃分業(yè)務。機房運維組織根據(jù)業(yè)務量的大小啟用服務器，就能有效節(jié)省服務器的能耗。目前IT行業(yè)最熱門的技術“云計算” 非常符合節(jié)能的要求。另外，利用虛擬化技術來提高設備利用率也是一種節(jié)能的途徑。多數(shù)設備都會附帶電源管理工具，可監(jiān)控數(shù)據(jù)中心內和節(jié)能相關的數(shù)據(jù)，包括電源消耗二氧化碳排放等等。有了這些工具，企業(yè)用戶就可以了解他們存儲系統(tǒng)和服務器的能源消耗情況，并且在非高峰時段降低能源使用量。 

　　5 結論 
　　在能源緊缺的今天，唯有在各個重要環(huán)節(jié)做好節(jié)能減排工作，才能建設好“高效節(jié)能數(shù)據(jù)中心機房”。相信隨著科學技術的迅猛發(fā)展，越來越多的節(jié)能技術將應用于我們生活的各個領域。