楊兵 任新 陳娜 張志剛

[摘 要] 數(shù)據(jù)中心的飛速建設(shè)，帶來(lái)的能源消耗已跳躍式增加，如何能使數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)維走上綠色節(jié)能之路，這也是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。本文結(jié)合某數(shù)據(jù)中心實(shí)際案例，著重介紹了該數(shù)據(jù)中心在實(shí)際應(yīng)用中采取的如虛擬化技術(shù)、適應(yīng)更高溫度的節(jié)能芯片、刀片服務(wù)區(qū)、自然冷卻、提高制冷系統(tǒng)預(yù)置溫度、優(yōu)化氣流組織和設(shè)備布局、變頻技術(shù)等各項(xiàng)綠色節(jié)能技術(shù)。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)中心； 綠色節(jié)能； 自然冷卻； 變頻技術(shù)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 04. 059

[中圖分類(lèi)號(hào)] TU83 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2014）04- 0114- 02

1 引 言

隨著新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，IT 系統(tǒng)的規(guī)模不斷攀升，新一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)浪潮的興起，能耗越來(lái)越高，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本也不斷增高，由此帶來(lái)的碳排放問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗、履行社會(huì)責(zé)任提出新的挑戰(zhàn)。在日益倡導(dǎo)綠色環(huán)保和嚴(yán)格審核的低碳時(shí)代，降低數(shù)據(jù)中心的能耗極為必要。

數(shù)據(jù)中心的能耗主要由IT設(shè)備能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗、電源系統(tǒng)能耗3部分構(gòu)成，在數(shù)據(jù)中心的電力能耗中，IT 設(shè)備、機(jī)房制冷和電源設(shè)備分別為 5 ∶ 4 ∶ 1 的關(guān)系，即服務(wù)器、存儲(chǔ)、交換機(jī)的電力消耗占總能源消耗的 50%，而機(jī)房制冷電力消耗占 40%，UPS 等電源設(shè)備耗電占 10%。因此數(shù)據(jù)中心要達(dá)到節(jié)能目的，就必須從IT設(shè)備和包括制冷和電源設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施這兩個(gè)方面來(lái)考慮問(wèn)題和采取措施。下面筆者根據(jù)實(shí)際案例，對(duì)北方某大型數(shù)據(jù)中心采取的主要節(jié)能減排技術(shù)逐一介紹。

2 綠色節(jié)能技術(shù)

2.1 虛擬化技術(shù)應(yīng)用

服務(wù)器的電力消耗占整個(gè)數(shù)據(jù)中心電力消耗的一半左右，虛擬化技術(shù)讓一臺(tái)物理服務(wù)器可以運(yùn)行多個(gè)虛擬主機(jī)，把對(duì)多臺(tái)服務(wù)器的需求整合到一臺(tái)服務(wù)器中，一方面，虛擬化提高了各服務(wù)器的CPU利用率，降低了無(wú)效的功耗；另一方面，也是最為重要的，降低了數(shù)據(jù)中心所需服務(wù)器的數(shù)量，從而降低整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗。另外存儲(chǔ)虛擬化也逐漸在發(fā)展，所有存儲(chǔ)設(shè)備為一個(gè)虛擬池，存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)集中管理資源池中的各種存儲(chǔ)資源，并根據(jù)具體的需求把存儲(chǔ)資源動(dòng)態(tài)地分配給各個(gè)應(yīng)用，這樣就能夠提高存儲(chǔ)空間利用率，關(guān)閉不必要的存儲(chǔ)設(shè)備供電，降低存儲(chǔ)設(shè)備能源消耗。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，虛擬化技術(shù)日趨成熟，數(shù)據(jù)中心通過(guò)使用虛擬化技術(shù)，可以將各類(lèi)計(jì)算機(jī)資源有機(jī)整合，集中管理，提高資源利用率，進(jìn)而減少企業(yè)大量的采購(gòu)成本、電力成本、制冷成本和管理成本。

2.2 適應(yīng)更高溫度的節(jié)能芯片

在IT設(shè)備中，芯片是最主要的發(fā)熱元件之一，選用低功耗處理器是設(shè)計(jì)出低功耗IT設(shè)備的先決條件，在同等運(yùn)算量的前提下，可以從根本上降低設(shè)備的發(fā)熱量?？蛻舯仨氁_定能夠從低功耗的處理器中獲益。另外，2.5英寸的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器也是必需的，因?yàn)槠浜碾娏績(jī)H僅是3.5寸硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的一半。以往數(shù)據(jù)中心的溫度一般都控制在18 ℃～22 ℃，以確保IT設(shè)備能夠持久可靠運(yùn)行支持各類(lèi)應(yīng)用。但這種實(shí)現(xiàn)低溫的散熱系統(tǒng)需要耗費(fèi)大量的能源成本。目前英特爾等廠家已經(jīng)在生產(chǎn)出能夠適應(yīng)更高溫度的芯片，從而提高數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度，一般估算數(shù)據(jù)中心平均氣溫每提高1 ℃，就可以降低7%的能源成本。

2.3 刀片服武器

數(shù)據(jù)中心中最多的設(shè)備是服務(wù)器，如果能夠選擇能耗低的服務(wù)器，那勢(shì)必會(huì)大大降低整個(gè)數(shù)據(jù)中心的能耗，刀片服務(wù)器就是目前較好的選擇。刀片式服務(wù)器在空間上更加節(jié)省，而且集成度更高，是一種高可用性、高密度的低成本服務(wù)器，其中的每一塊“刀片”實(shí)際上就是一塊系統(tǒng)主板。它們可以通過(guò)本地硬盤(pán)啟動(dòng)自己的操作系統(tǒng)，類(lèi)似于一個(gè)個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器。同等處理能力下，用刀片式服務(wù)器重量可減輕40%，用電可減少25%～40%，散熱減少25%～40%，產(chǎn)生的空氣流動(dòng)量減少大約40%。

2.4 自然冷卻技術(shù)

自然冷卻是空調(diào)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種效果顯著的節(jié)能手段，主要適用于冬季仍然需要制冷的場(chǎng)合。數(shù)據(jù)中心需要全年制冷，可以盡可能地利用自然冷卻技術(shù)，減少壓縮機(jī)的開(kāi)啟時(shí)間，達(dá)到節(jié)能的目的。此項(xiàng)目采用冷卻塔+板式換熱器的自然冷卻系統(tǒng)，隨氣候環(huán)境條件改變，冷卻水溫度不斷變化；根據(jù)冷卻水的變化情況，冷凍水的制備分3種工況：電制冷模式、完全自由冷卻模式和部分自由冷卻模式，對(duì)應(yīng)制冷系統(tǒng)的夏季、冬季、過(guò)渡季節(jié)運(yùn)行，在過(guò)渡季和冬季減少了壓縮機(jī)的工作時(shí)間和強(qiáng)度，大大降低了制冷功耗。以此項(xiàng)目為例，與常規(guī)的冷水機(jī)組相比，每年節(jié)電能達(dá)到30%～38%。

2.5 提高冷凍水供回水溫度，提高機(jī)房空調(diào)送回風(fēng)溫度

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)Uptime推薦的機(jī)房空調(diào)送風(fēng)溫度為18 ℃～27 ℃ ，實(shí)驗(yàn)證明最佳送風(fēng)溫度范圍為20 ℃～25 ℃ ，在該送風(fēng)溫度下冷凍水供回水溫度可高至18/24 ℃ 。結(jié)合國(guó)內(nèi)外大型數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)確保空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定的制冷效果，此項(xiàng)目的空調(diào)冷凍水供回水溫度為15/21 ℃ ，空調(diào)送回風(fēng)溫度為24/36 ℃。這樣不僅相應(yīng)提高了冷凍水機(jī)組制冷效率，延長(zhǎng)了自然冷卻運(yùn)行時(shí)間，降低空調(diào)能耗及PUE值，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；而且冷凍水溫度每提高1 ℃，冷水機(jī)組效率可提高2%，從而大大節(jié)省能耗。

2.6 優(yōu)化氣流組織和設(shè)備布局

空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織優(yōu)化是數(shù)據(jù)中心室內(nèi)氣流循環(huán)的綜合優(yōu)化過(guò)程，其優(yōu)化設(shè)計(jì)包括送風(fēng)方式的選擇、機(jī)柜與空調(diào)的布局、建筑結(jié)構(gòu)及參數(shù)的選擇等等。此項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，針對(duì)不同類(lèi)型的送風(fēng)方式，參考主流空調(diào)廠商的技術(shù)說(shuō)明書(shū)，比較各類(lèi)送風(fēng)方式的送風(fēng)效率、適用范圍等因素，最終確定采用下送上回方式，機(jī)房區(qū)域架空地板高度900mm，空調(diào)間區(qū)域架空地板高度1 000mm，吊頂回風(fēng)高度不小于1 100mm。機(jī)房氣流組織圖如圖1。

機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜采用面對(duì)面、背靠背的冷熱通道方法，機(jī)房空調(diào)機(jī)組和機(jī)柜機(jī)架的行列成垂直式擺布，這樣有效地避免冷熱氣流摻混，大幅提高冷空氣的利用效率，降低空調(diào)的循環(huán)風(fēng)量。此外盡可能減少旁通氣流，如減少地板出線；選擇合適的地板開(kāi)孔位置，必須出線的孔洞也應(yīng)在穿線后嚴(yán)密封堵；合理安排出風(fēng)口與空調(diào)機(jī)組的距離，離空調(diào)機(jī)太近，空氣的動(dòng)壓很大，靜壓很小，會(huì)導(dǎo)致冷空氣出不來(lái)；而出風(fēng)口離空調(diào)機(jī)太遠(yuǎn)，則冷風(fēng)送不到。

此項(xiàng)目通過(guò)上述措施，一方面可使機(jī)房氣流循環(huán)更加暢通，減少冷熱氣流間的相互影響；另一方面可通過(guò)合理的氣流和機(jī)柜布局使機(jī)房?jī)?nèi)溫度更加均勻，消除局部熱點(diǎn)，更有效地降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

2.7 變頻技術(shù)

數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器功耗一般會(huì)隨著業(yè)務(wù)量的變動(dòng)呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化，因此數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的發(fā)熱量也會(huì)呈現(xiàn)周期性的變化。在此項(xiàng)目中將變頻技術(shù)引入冷水機(jī)組，通過(guò)在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵、冷卻塔等發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的組件上安裝變頻驅(qū)動(dòng)器，使得電動(dòng)機(jī)的速度能夠根據(jù)負(fù)載需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不是在啟動(dòng)后只能以全速運(yùn)行，從而達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行、節(jié)約能源的目的。

具體來(lái)說(shuō)變頻技術(shù)可根據(jù)數(shù)據(jù)中心機(jī)房室內(nèi)外不同的溫度通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)改變泵和風(fēng)機(jī)的性能曲線，在調(diào)整其出力的同時(shí)不影響管路系統(tǒng)的阻力特性，使系統(tǒng)能保持較高的效率運(yùn)行；當(dāng)流量減少一半時(shí)，普通空調(diào)系統(tǒng)的水泵或風(fēng)機(jī)能耗僅減少20%～30%，而采用變頻技術(shù)時(shí)，可減少能耗70%～80%，極大地降低了設(shè)備能耗。此外變頻空調(diào)在工作時(shí)避免了設(shè)備工況的劇烈變化，如壓縮機(jī)的頻繁啟停等等，既保證設(shè)備工作的穩(wěn)定性，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

3 結(jié) 論

當(dāng)前傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心正面臨轉(zhuǎn)型，綠色、環(huán)保已成為未來(lái)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)也逐漸制定出數(shù)據(jù)中心綠色分級(jí)評(píng)估的辦法，主要從能源效率、節(jié)能技術(shù)、綠色管理等維度評(píng)估數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能水平；可以看出數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問(wèn)題并不能依靠某項(xiàng)單一技術(shù)解決，必須從多個(gè)方面入手，繼續(xù)深化已有的節(jié)能技術(shù)，并且大力使用新的技術(shù)和新的理念才能最大幅度降低數(shù)據(jù)中心的能耗。

主要參考文獻(xiàn)

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