高校數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能研究

張志鋼，王澤生

(天津城市建設(shè)學(xué)院 信息化建設(shè)管理中心，天津 300384)

高校數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能研究

張志鋼，王澤生

(天津城市建設(shè)學(xué)院 信息化建設(shè)管理中心，天津 300384)

為滿足高校數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展的需求，提高 IT設(shè)備的運(yùn)行效率，有效降低數(shù)據(jù)中心的能耗，圍繞數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能的目標(biāo)，討論了IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)及UPS系統(tǒng)三個主要能耗部分，分析了降低其能耗的方法和技術(shù)，為綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計及運(yùn)行提供了依據(jù)．

高校數(shù)據(jù)中心；虛擬化；空調(diào)；不間斷電源；綠色節(jié)能

隨著高校信息系統(tǒng)整合和數(shù)據(jù)集中的不斷深化，數(shù)據(jù)中心也由早期對數(shù)據(jù)存儲、訪問的基本需求逐步過渡到深度處理、信息挖掘的高級應(yīng)用階段，對數(shù)據(jù)也從靜態(tài)存儲轉(zhuǎn)為面向多業(yè)務(wù)的動態(tài)處理和交換中，從而使得數(shù)據(jù)量大幅增長、衍生應(yīng)用種類不斷增多，計算量、存儲量、吞吐能力和傳輸能力快速增加，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大．

在全球能源資源日益短缺和環(huán)保節(jié)能意識不斷提高的今天，數(shù)據(jù)中心的快速擴(kuò)張帶來的高能耗問題越來越受到人們的關(guān)注．據(jù)統(tǒng)計，我國數(shù)據(jù)中心機(jī)房電源的使用效率(PUE)的平均值在 2.5以上，這意味著 IT設(shè)備每消耗 1,kW·h電，就有多達(dá) 1.5,kW·h的電被機(jī)房設(shè)施消耗掉，而國外先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房的 PUE可以達(dá)到 1.7．因此，如何降低數(shù)據(jù)中心和基礎(chǔ)設(shè)施能耗，實(shí)現(xiàn)綠色創(chuàng)新和綠色 IT，已逐步成為我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)的關(guān)注重點(diǎn)．

1 數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成

據(jù)EYP Mission Critical Facilities Inc．提供的調(diào)研數(shù)據(jù)[1]，各種用電設(shè)備在數(shù)據(jù)中心機(jī)房所產(chǎn)生的功耗大小如圖1所示．

從圖1可以看出：由服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)通信等所構(gòu)成的IT設(shè)備系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗最大的部分，其能耗約占數(shù)據(jù)中心機(jī)房總能耗的 50%左右，其中服務(wù)器設(shè)備的能耗40%左右，其余10%的能耗基本上由存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備均分；空調(diào)系統(tǒng)的能耗排第二位，約占總能耗的37%左右；UPS供電系統(tǒng)的能耗排在第三位，占總能耗的10%左右；照明及其他系統(tǒng)的能耗占 3%．由此可知，IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)及UPS系統(tǒng)是綠色節(jié)能技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)考慮的部分．

圖1 數(shù)據(jù)中心各種能耗分布

2 IT系統(tǒng)的節(jié)能規(guī)劃

現(xiàn)今，高校 IT環(huán)境面臨著兩大挑戰(zhàn)：一方面，經(jīng)過多年的積累，數(shù)據(jù)中心逐漸形成了大量的服務(wù)器系統(tǒng)，運(yùn)行著各種應(yīng)用系統(tǒng)，這使得網(wǎng)管們往往面臨著巨大的成本壓力、管理壓力和業(yè)務(wù)連續(xù)性要求的壓力；另一方面，服務(wù)器大部分時間處于低負(fù)荷狀態(tài)，存儲利用率不高，且數(shù)據(jù)重復(fù)存儲，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，電力供應(yīng)和制冷能源消耗巨大．因此，對 IT系統(tǒng)進(jìn)行重新規(guī)劃，在提高其工作效率的同時降低其能源消耗，已成為高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重要任務(wù)之一．

2.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化是一種從邏輯角度出發(fā)的資源配置技術(shù)[2]，是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實(shí)的基礎(chǔ)上運(yùn)行．虛擬化可使物理硬件與操作系統(tǒng)分開，從而提供更高的 IT資源利用率和靈活性．虛擬化允許具有不同操作系統(tǒng)的多個虛擬機(jī)在同一實(shí)體機(jī)上獨(dú)立并行運(yùn)行．每個虛擬機(jī)都有自己的一套虛擬硬件(例如 RAM、CPU、網(wǎng)卡等)，可以在這些硬件中加載操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序．無論實(shí)際采用了什么物理硬件組件，操作系統(tǒng)都將它們視為一組一致標(biāo)準(zhǔn)化的硬件．虛擬機(jī)封裝在文件中，因此可以快速對其進(jìn)行保存、復(fù)制和部署．可在幾秒鐘內(nèi)將整個系統(tǒng)(完全配置的應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、BIOS和虛擬硬件)從一臺物理服務(wù)器移至另一臺物理服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)零停機(jī)維護(hù)和連續(xù)的工作負(fù)載整合，從而提高了效率、靈活性和響應(yīng)能力，減少了設(shè)備數(shù)量，降低了IT系統(tǒng)的能耗．

2.2 服務(wù)器虛擬化

以某高校的數(shù)據(jù)中心為例，現(xiàn)有的應(yīng)用平臺由 42臺PC服務(wù)器及2臺企業(yè)級數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，支持著全校多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括 WWW、E-mail、DNS、教務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、計費(fèi)管理系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、視頻點(diǎn)播系統(tǒng)等．通過對服務(wù)器進(jìn)行虛擬化規(guī)劃，將其移植到10臺IBM3850服務(wù)器上，每臺服務(wù)器安裝虛擬化軟件 VMware系統(tǒng)，利用每臺IBM服務(wù)器的強(qiáng)大處理能力，生成10臺虛擬機(jī)服務(wù)器，而每臺虛擬機(jī)等同于 1臺物理服務(wù)器，利用原有的 PC服務(wù)器安裝 VMware Virtual Center軟件，集中管理整個虛擬化系統(tǒng)，保留原有 2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器．

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中存儲、集中備份及在線遷移等功能，配置了 EMC CLARiiON CX3-40光纖存儲，組成SAN架構(gòu)，由VMware虛擬架構(gòu)套件生產(chǎn)出來的虛擬機(jī)的封裝文件都存放在SAN 存儲陣列上[3]．通過共享的 SAN存儲架構(gòu)，可以最大化地發(fā)揮虛擬架構(gòu)的優(yōu)勢，進(jìn)行在線遷移正在運(yùn)行的虛擬機(jī)(VMware VMotion)，進(jìn)行動態(tài)的資源管理(VMware DRS)和集中的基于虛擬機(jī)快照技術(shù)的Lan Free的整合備份(VMware VCB)等，而且為以后的容災(zāi)提供擴(kuò)展性，并奠定架構(gòu)上的良好基礎(chǔ)，系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖2所示．

圖2 某高校數(shù)據(jù)中心虛擬化服務(wù)器系統(tǒng)的拓?fù)鋱D

2.3 節(jié)能分析

2.3.1 服務(wù)器效能分析

遷移之前的服務(wù)器的平均資源利用率在 5%～15%左右，遷移之后服務(wù)器的平均資源利用率達(dá)到了65%左右．在能耗方面：遷移之前服務(wù)器功耗為500,W×42＝21,000,W，遷移之后服務(wù)器功耗為1,300,W×10＝13,000,W．由此可以看到遷移前后服務(wù)器的能耗減少了 61.54%，同時還可根據(jù)遷移后服務(wù)器的情況，調(diào)整 UPS電源和空調(diào)的設(shè)置，以進(jìn)一步降低能耗．

2.3.2 存儲效能分析

通過Avamar Virtual Edition與VMware相結(jié)合，利用重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)，在虛擬機(jī)內(nèi)和跨虛擬機(jī)減少備份數(shù)據(jù)的大小，然后再通過網(wǎng)絡(luò)或虛擬架構(gòu)進(jìn)行傳輸并存儲，重復(fù)刪除可達(dá)近 50∶1，有效地縮減了數(shù)據(jù)空間，提高了存儲的利用率，降低能耗的效果顯著．

3 空調(diào)機(jī)房的設(shè)計與運(yùn)行

數(shù)據(jù)中心的 IT設(shè)備會產(chǎn)生大量集中的熱量，同時部分設(shè)備對溫濕度的變化又極其敏感．根據(jù) IT設(shè)備供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心要求的運(yùn)行溫度為24,℃，相對濕度為 30%～80%．因此空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能需從系統(tǒng)冷負(fù)荷計算、機(jī)房氣流組織設(shè)計及空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)入手．

3.1 空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的計算

計算機(jī)房的空調(diào)負(fù)荷來源有：圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷和太陽輻射熱負(fù)荷；數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT設(shè)備的散熱量；照明，人體和新風(fēng)負(fù)荷．其中 IT設(shè)備傳熱形成的冷負(fù)荷占到總顯冷負(fù)荷的 95%左右[4]，主要包括電子設(shè)備、電力設(shè)備，均屬于穩(wěn)定傳熱，形成瞬間冷負(fù)荷．其相關(guān)計算：①電子設(shè)備冷負(fù)荷為

式中

Qs——電子設(shè)備冷負(fù)荷，W；

n1——負(fù)荷系數(shù)，可按0.9～1.0計算；

n2——同時使用系數(shù)，可按主機(jī) n2＝1.0，外部設(shè)備n2＝0.8計算；

N——電子設(shè)備銘牌電功率，kW．

②UPS冷負(fù)荷為

式中

Qu——電子設(shè)備冷負(fù)荷，W；n3——UPS工作負(fù)荷系數(shù)，可按0.8計算；

cosφ——功率因素；

kVA——UPS容量，kV·A．

3.2 氣流組織的設(shè)計

數(shù)據(jù)中心的電子設(shè)備密集布放，總冷負(fù)荷較大，大約在 300～600,W/m2，有的甚至更高．針對數(shù)據(jù)中心的余熱量大、發(fā)熱源集中的特點(diǎn)，需要有合理的氣流組織的分配和分布，以滿足數(shù)據(jù)中心的需求．在參考了美國 22個數(shù)據(jù)中心的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[5]及經(jīng)筆者調(diào)研，高校數(shù)據(jù)中心的氣流組織普遍存在這些問題：機(jī)柜上部以及周圍的熱空氣短路；由架空地板上電纜橋架穿孔不密封造成空調(diào)送風(fēng)短路；不合理的穿孔地板的布置；不合理的機(jī)房空調(diào)的布置；不合理的吊頂空間高度的設(shè)計造成過小的回風(fēng)靜壓箱；架空地板下大管徑的水管，或者地板下大量的橋架造成的空氣阻塞；機(jī)柜前后左右開放的面板造成的空氣從熱通道到冷通道的短路；由于機(jī)柜內(nèi)部阻力太大造成的內(nèi)部空氣不流通；一些 IT設(shè)備采用側(cè)面排風(fēng)(通常機(jī)柜都是前進(jìn)風(fēng)，后出風(fēng))；架空地板下靜壓箱的壓力過大或過?。?/p>

要避免上述問題，就要遵循 TIA-942標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于數(shù)據(jù)中心通信基礎(chǔ)設(shè)施中有關(guān)冷熱通道的定義進(jìn)行設(shè)計[6]．該標(biāo)準(zhǔn)中對于冷熱通道的設(shè)計有助于對相對集中的設(shè)備進(jìn)行散熱和促進(jìn)整個數(shù)據(jù)中心的氣流循環(huán)．將數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜采用“面對面、背對背”式隔離交錯排列，形成間隔的冷通道和熱通道．這樣，在設(shè)備面對面的通道(冷通道)中，冷空氣從機(jī)柜前面的架空地板散出孔出來后，經(jīng)過機(jī)柜和設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行后變成熱空氣，再從機(jī)柜背面排除；在背對背的通道(熱通道)中，熱空氣上升，從天花板的排氣口溢出．這種方法使冷熱空氣形成更強(qiáng)的對流循環(huán)，增強(qiáng)了機(jī)柜冷卻效果，相對于傳統(tǒng)的單排機(jī)柜部署降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗，如圖3所示．

圖3 基于TIA-942標(biāo)準(zhǔn)的冷熱通道設(shè)計圖

此外，還需要密封所有架空地板上的橋架開孔和橋架上由于電纜分布而設(shè)置的開孔；封住機(jī)架上所有不使用的空間或者面板上的開孔，減少冷量損耗，避免空氣短路；架空地板下的主橋架也應(yīng)盡可能靠墻布置；而且在氣流組織設(shè)計時也應(yīng)有效利用大自然新風(fēng)的供冷能力，以降低機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗．

3.3 機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行與維護(hù)

為使機(jī)房空調(diào)高效運(yùn)行且節(jié)能，需要在以下幾方面引起足夠的重視．

(1)提高制冷系統(tǒng)溫度設(shè)置值．為了最大限度地提高空調(diào)系統(tǒng)的容量和優(yōu)化效率，設(shè)置點(diǎn)不應(yīng)低于維持設(shè)備進(jìn)氣溫度所需的數(shù)值[7]．

(2)適當(dāng)設(shè)定回風(fēng)溫度值．當(dāng)機(jī)房需要降溫時，空調(diào)工作在制冷狀態(tài)，此時若將回風(fēng)溫度值設(shè)高些(在滿足機(jī)房溫度要求的條件下)，會使壓縮機(jī)的運(yùn)行時間縮短，從而起到節(jié)能作用．同理，當(dāng)機(jī)房需要升溫時，空調(diào)工作在加熱狀態(tài)，此時若將回風(fēng)溫度值設(shè)低些，會使加熱器運(yùn)行時間縮短，起到節(jié)能作用．

(3)改變空調(diào) 7×24,h不間斷運(yùn)行方式為間斷性的運(yùn)行方式．

(4)通過現(xiàn)有機(jī)房新風(fēng)換氣系統(tǒng)，充分利用室外溫度來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度(冬季)．

(5)加強(qiáng)機(jī)房密封性能，夏季合理利用機(jī)房窗簾調(diào)溫(經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，通常窗簾可以有 10,℃左右的調(diào)溫能力).

(6)搞好空調(diào)的定期維護(hù)、保養(yǎng)工作．定期清洗室外機(jī)、濾網(wǎng)、蒸發(fā)器和冷凝器翅片；檢測壓縮機(jī)電流、壓力、出風(fēng)口溫度、電機(jī)和軸承運(yùn)行狀況，避免壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)不制冷的情況發(fā)生；定期補(bǔ)充空調(diào)制冷劑，提高制冷效率；定期校對溫濕度傳感器．

4 供電系統(tǒng)的設(shè)計與管理

供電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的心臟和血管，數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)無一例外地采用 UPS供電，但許多數(shù)據(jù)中心在購買UPS電源的時候，熱衷于追求UPS的絕對效率，并且想“一勞永逸”，盲目大規(guī)模裝備 UPS電源．在實(shí)際應(yīng)用中，許多數(shù)據(jù)中心UPS的運(yùn)行負(fù)載率一般也就在 20%左右，UPS的供電效率一般也只有50%～60%[8]．供電效率低就意味著很多的電能在轉(zhuǎn)換過程中變成熱能給浪費(fèi)了，而運(yùn)行負(fù)載低，意味著很大一部分在運(yùn)行的負(fù)載是被浪費(fèi)的．

4.1 UPS的設(shè)計

在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)規(guī)劃時，需要考慮模塊化 UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)來降低能耗[9]．首先，根據(jù) IT設(shè)備的情況及其將來的需求規(guī)劃，計算所需UPS的電源功率；其次，根據(jù)需要的 UPS功率，規(guī)劃 UPS的架構(gòu)，選用供電效率高的模塊化 UPS，采用N+X的模塊化UPS并聯(lián)冗余架構(gòu)，保證UPS的容量和可靠性，提高UPS系統(tǒng)的負(fù)載率，并可按需配置 UPS容量，減少容量的閑置，提高 UPS利用率，降低能耗．

隨著數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)容，可逐步添加 UPS模塊，達(dá)到 UPS容量的增加，來支持 IT設(shè)備的正常運(yùn)行；并可增加配電箱或配電柜，來滿足逐漸增加的設(shè)備和使用空間對用電的需求．

4.2 電池管理

UPS都配備了電池組，用戶在電池組上的投資往往占整個UPS供電系統(tǒng)投資的很大一部分，甚至超過了UPS本身的投資，而電池的使用年限明顯低于UPS設(shè)備．由于電池的主要材料是重金屬鉛、硫酸和不易分解的塑料，這些會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染．因此，減少電池的使用數(shù)量，延長電池循環(huán)使用壽命，不僅節(jié)省了對電池的投資，而且還減少了對環(huán)境的污染．

(1)并機(jī)共用電池組．通過整流器控制及故障隔離技術(shù)，使并機(jī)系統(tǒng)中的兩臺或多臺 UPS的整流同步、母線均流，系統(tǒng)中各臺 UPS母線直接并聯(lián)，然后將滿足系統(tǒng)后備時間要求的電池并聯(lián)后接入并聯(lián)母線系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電池的共享，減少電池的投資[10]．以“傳統(tǒng)1+1的UPS配置，電池后備1,h方案”為例，其中一臺UPS故障時，另一臺 UPS的電池不能為其使用，所以UPS1和UPS2必須各配置1套1,h的電池組，才能保障系統(tǒng)在斷電后還能備用 1,h．采用共用電池組方案后，在 UPS1故障后，系統(tǒng)中的電池仍能為 UPS2提供能量，所以整個系統(tǒng)僅需配置 1套1,h電池即可．這樣不僅節(jié)省了電池的直接投資，同時也節(jié)約了空間、承重及空調(diào)等方面的投資，降低了對環(huán)境的污染．

(2)智能電池管理技術(shù)．影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環(huán)次數(shù)等．如果能夠?qū)ι鲜鰩讉€因素進(jìn)行綜合處理，就可以大大延長電池的使用壽命，延長電池更換周期，節(jié)約電池投資．通過采用電池均浮充管理、充電溫度補(bǔ)償、智能放電終止電壓控制等技術(shù)，使用電池定期自動檢測和電池漏液檢測等功能，可使電池壽命延長2～3年．

5 結(jié) 語

數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能建設(shè)是高校信息化過程中持續(xù)被關(guān)注的重要問題，也是一個全面的、整體的建設(shè)過程．本文從 IT系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)三個方面入手，在滿足數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求的前提下，分析了降低其能耗的方法和技術(shù)，并給出了應(yīng)用實(shí)例和設(shè)計方法，對高校數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能建設(shè)進(jìn)行了有益的探索．要實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心，就需要把“綠色節(jié)能”貫徹到數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、建設(shè)和維護(hù)的整個生命周期活動中，不僅需要考慮節(jié)能、環(huán)保，也要從需求、功能、性能、安全、成本以及技術(shù)的可行性與產(chǎn)品的可實(shí)現(xiàn)性等諸多方面綜合考慮，尋求因地制宜的、高效的解決方案．

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Study on Green Energy Saving of College Data Center

ZHANG Zhi-gang，WANG Ze-sheng
(Information Construction and Management Center，TIUC，Tianjin 300384，China)

To meet the needs of the rapid development of college data center，improve the running efficiency of IT equipment，and reduce the energy consumption，this paper discusses three major parts of energy consumption，i.e.IT equipment，air-condition system and UPS system，and analyzes the methods and techniques of energy saving，thus giving a basis for designing and running of a green data center.

college data center；virtualization；air-condition；UPS；green energy saving

TP393

A

1006-6853(2010)02-0136-05

2010-01-05；

2010-03-09

張志鋼（1977—），男，河北張家口人，天津城市建設(shè)學(xué)院講師，碩士.