數(shù)據(jù)中心機(jī)房的節(jié)能設(shè)計(jì)

　摘要 據(jù)相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)調(diào)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(shè)“高效節(jié)能數(shù)據(jù)中心機(jī)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(jī)房電源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)房與機(jī)柜布局及其他四方面來探討數(shù)據(jù)中心機(jī)房的節(jié)能設(shè)計(jì)問題。 
　　綠色、節(jié)能、低碳的觀念已滲透到社會(huì)生活的方方面面，解決好數(shù)據(jù)中心機(jī)房的高能耗問題，是每個(gè)企業(yè)用戶所關(guān)注的。筆者結(jié)合近年來的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從機(jī)房電源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)房與機(jī)柜布局及其他四方面對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的節(jié)能設(shè)計(jì)談些粗淺的認(rèn)識(shí)，希望能為同行提供參考。 
　　1 機(jī)房電源系統(tǒng)節(jié)能 
　　1.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的節(jié)能方案 
　　當(dāng)前數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備用電主要為交流電，交流電是由變壓器和ATS開關(guān)所組成的UPS輸入供電系統(tǒng)，UPS功耗約占數(shù)據(jù)中心機(jī)房所需總功耗的10%。數(shù)據(jù)中心機(jī)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(shè)備支持以及存在直流供電系統(tǒng)價(jià)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(shè)備。目前有越來越多的廠商推出無變壓器的UPS設(shè)備，可以讓整機(jī)的效率提升至90%以上。傳統(tǒng)的UPS的整機(jī)效率只有75%~85%，但采用無變壓器的機(jī)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(yùn)用電源，讓每一度電都花費(fèi)在系統(tǒng)運(yùn)作上，進(jìn)而降低電力的成本[2]；2）選擇模塊化、可擴(kuò)展的UPS設(shè)備。IT設(shè)備會(huì)隨著企業(yè)業(yè)務(wù)的增加而擴(kuò)增，當(dāng)然企業(yè)在選購(gòu) UPS設(shè)備上，為了達(dá)到備份與擴(kuò)展性，都會(huì)選購(gòu)大型的UPS設(shè)備，這會(huì)讓UPS使用效率大都低于30％。當(dāng)UPS負(fù)載率低于30％，能源的轉(zhuǎn)換效率就會(huì)低于50％，造成電力的浪費(fèi)；3）機(jī)房的IT設(shè)備盡量選用220V的電力。處理器每花費(fèi)1W的電力，實(shí)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(zhuǎn)換，電力從機(jī)房的輸入總配電箱送到每一個(gè) IT設(shè)備的零組件，需要經(jīng)過多道的電力轉(zhuǎn)換，每轉(zhuǎn)換一次，就消耗掉一定的電力。 
　　1.2 運(yùn)行維護(hù)方面的節(jié)能方案 
　　在機(jī)房的運(yùn)行維護(hù)上，一般變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的負(fù)載率為30%，變壓器負(fù)載率長(zhǎng)期低于30%，可以考慮停掉其中一臺(tái)；調(diào)整負(fù)載，均衡變壓器的負(fù)載率也是一項(xiàng)重要的節(jié)電措施；另外，過多的諧波會(huì)嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生危害，同時(shí)諧波通過在供電系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)發(fā)熱，浪費(fèi)電能，因此治理低壓供電系統(tǒng)諧波也是設(shè)備運(yùn)行維護(hù)應(yīng)該注意的問題。 
　　2 機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能 
　　2.1 常用空調(diào)系統(tǒng)分類 
　　目前常用的空調(diào)系統(tǒng)有：集中空調(diào)冷水系統(tǒng)+冷水型恒溫恒濕空調(diào)、風(fēng)冷恒溫恒濕空調(diào)機(jī)系統(tǒng)和機(jī)柜模塊式空調(diào)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(dá)4.0以上，適用于大型機(jī)房，系統(tǒng)的整體性能較好，可進(jìn)行集中調(diào)控，缺點(diǎn)是需要單獨(dú)設(shè)置制冷主機(jī)房。第二種系統(tǒng)適用于有室外機(jī)放置位置的通信機(jī)房，由于風(fēng)冷恒溫恒濕空調(diào)機(jī)不需接冷水管，所以可直接安裝在通信機(jī)房?jī)?nèi)，安裝設(shè)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(jī)柜的散熱問題。在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)要綜合考慮多方因素，選擇合適的系統(tǒng)。 
　　2.2 機(jī)房空調(diào)節(jié)能措施分析 
　　空調(diào)系統(tǒng)占機(jī)房能耗的比例逐年增加，對(duì)一些數(shù)據(jù)機(jī)房的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：空調(diào)系統(tǒng)的電費(fèi)支出占整個(gè)機(jī)房電費(fèi)支出的45%左右[4]。由于以下原因，空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于非滿載運(yùn)行狀態(tài)：1）通信設(shè)備對(duì)空調(diào)系統(tǒng)要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)安全余量較大；2）設(shè)備分期安裝、分期投入運(yùn)行，機(jī)房啟用初期空置率較高；3）空調(diào)系統(tǒng)的制冷量是用夏季空調(diào)計(jì)算溫度計(jì)算而得，在其他季節(jié)，室外溫度降低，制冷負(fù)荷變小。因此，機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力是比較大的[5]。 
　　2.3 機(jī)房空調(diào)節(jié)能技術(shù) 
　　首先，采用變頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的無級(jí)調(diào)節(jié)，有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。變頻式主機(jī)透過轉(zhuǎn)速的改變，當(dāng)機(jī)房需要較多的冷空氣則強(qiáng)化轉(zhuǎn)速，當(dāng)機(jī)房有足夠的冷氣需求，則可降低轉(zhuǎn)速，達(dá)到省電的目的。 
　　在送風(fēng)與散熱模式上，采用水平式散熱架構(gòu)。傳統(tǒng)的下吹式空調(diào)透過高架地板將冷空氣送入機(jī)柜，但隨著服務(wù)器所散發(fā)出來的熱量越來越高，傳統(tǒng)的下吹式空調(diào)已經(jīng)無法應(yīng)付。水平式冷卻系統(tǒng)，則是在數(shù)臺(tái)機(jī)柜間，裝置1臺(tái)冷卻機(jī)柜，冷空氣并不是從高架地板送出，而是透過冷卻機(jī)柜，將冷空氣平行送至各機(jī)柜，由于冷空氣氣流路徑較小，也提升空調(diào)效率，降低用電量。另外，可使用制冷主機(jī)群控系統(tǒng)來解決制冷主機(jī)和輔助制冷設(shè)施的運(yùn)行臺(tái)數(shù)隨負(fù)荷季節(jié)變化的問題。 
　　對(duì)高密度、高散熱量的機(jī)柜，采用純水（或冷媒）冷機(jī)柜帶走熱量。過去1個(gè)機(jī)柜的總耗電量約為3kW，但隨著服務(wù)器效能的提升，1個(gè)機(jī)柜的總耗電量甚至可以達(dá)到14kW以上，傳統(tǒng)的空調(diào)將無法因應(yīng)高密度、高散熱量的機(jī)柜。水冷套件只需要1/4的傳統(tǒng)空調(diào)能耗，就可達(dá)到相同的制冷效果，進(jìn)而節(jié)省空調(diào)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(yùn)作。 
　　3 機(jī)房與機(jī)柜布局 
　　3.1 機(jī)房布局方面 
　　采用小型化模塊機(jī)房的方案。大型機(jī)房由于機(jī)房的面積較廣，容易讓送風(fēng)距離過長(zhǎng)，造成遠(yuǎn)程機(jī)柜冷空氣進(jìn)氣不足，這個(gè)時(shí)候，就必須要調(diào)低整體空調(diào)系統(tǒng)的溫度，造成電力的浪費(fèi)。視機(jī)柜的負(fù)載量，將大型機(jī)房按功能和功耗大小劃分出數(shù)個(gè)小機(jī)房，由于小機(jī)房單位面積較小，回風(fēng)的距離也較短，不但可以達(dá)到有效率的降溫，還可以減少空調(diào)費(fèi)用的支出。 
　　3.2 機(jī)柜布局方面 
　　采用高通孔率機(jī)柜，并建立冷熱通道。由于機(jī)柜的前方為進(jìn)氣口，后方為散熱孔，如果機(jī)柜的正面都是朝向同一面，前方機(jī)柜的熱量就會(huì)被后方的機(jī)柜吸入，造成后方機(jī)柜溫度過高，也因此，機(jī)柜的擺放必須面對(duì)面、背對(duì)背。兩個(gè)機(jī)柜的正面能面對(duì)面，建立起冷通道，而兩個(gè)機(jī)柜的背面也是背對(duì)背，建立起熱通道，強(qiáng)化空調(diào)冷卻的效率，避免冷空氣混和熱空氣造成混風(fēng)現(xiàn)象。 
　　在整個(gè)機(jī)房環(huán)境里，平均分配高密度機(jī)柜。高密度機(jī)柜如果擺放的位置過于緊密，容易因?yàn)闊狳c(diǎn)而造成機(jī)柜冷卻效率不佳，此時(shí)，如果只是強(qiáng)化冷卻效果，不但造成空調(diào)的浪費(fèi)，機(jī)柜冷卻的效果也很有限。 
　　4 其它方面的節(jié)能 
　　4.1 機(jī)房建筑節(jié)能 
　　早期的一些機(jī)房由于未考慮機(jī)房建筑節(jié)能，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱損失比較大，加上一些大樓內(nèi)機(jī)房和辦公用房混用，建造時(shí)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(diào)負(fù)荷，導(dǎo)致機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)浪費(fèi)嚴(yán)重，能耗消耗嚴(yán)重。 
　　需對(duì)機(jī)房建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高水平的保溫隔熱，對(duì)外墻增加保溫隔熱層。在外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱良好的情況下，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)墻、機(jī)房地板、機(jī)房天花采取保溫隔熱措施。 
　　4.2 降低空調(diào)系統(tǒng)使用 
　　如果能采用自然的冷空氣，就能不必耗費(fèi)電力又可達(dá)到冷卻的效果。針對(duì)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣候條件，機(jī)房散熱采用直通風(fēng)、智能通風(fēng)、熱交換等方式，減少或取代傳統(tǒng)的空調(diào)散熱方式，充分利用機(jī)房?jī)?nèi)外空氣的對(duì)流，將室內(nèi)的熱量帶到室外，有效降低溫控方面的能耗。對(duì)于通風(fēng)防塵設(shè)計(jì)，宜采用風(fēng)壓損失小的專用風(fēng)扇過濾網(wǎng)，保證最佳的過濾效果。要采用機(jī)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(jī)房應(yīng)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(fēng)能 光能等）。可再生能源的使用，主要取決于當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷乩憝h(huán)境。 
　　4.4 提高服務(wù)器運(yùn)行率 
　　通過有效提高服務(wù)器的業(yè)務(wù)運(yùn)行率從而達(dá)到節(jié)能目的比單純提高供、配電設(shè)備效率指標(biāo)更有效。關(guān)鍵就是進(jìn)行業(yè)務(wù)整合，即共享硬件，用虛擬化劃分業(yè)務(wù)。機(jī)房運(yùn)維組織根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小啟用服務(wù)器，就能有效節(jié)省服務(wù)器的能耗。目前IT行業(yè)最熱門的技術(shù)“云計(jì)算” 非常符合節(jié)能的要求。另外，利用虛擬化技術(shù)來提高設(shè)備利用率也是一種節(jié)能的途徑。多數(shù)設(shè)備都會(huì)附帶電源管理工具，可監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心內(nèi)和節(jié)能相關(guān)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(chǔ)系統(tǒng)和服務(wù)器的能源消耗情況，并且在非高峰時(shí)段降低能源使用量。 

　　5 結(jié)論 
　　在能源緊缺的今天，唯有在各個(gè)重要環(huán)節(jié)做好節(jié)能減排工作，才能建設(shè)好“高效節(jié)能數(shù)據(jù)中心機(jī)房”。相信隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的節(jié)能技術(shù)將應(yīng)用于我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。