數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能之路

楊兵 任新 陳娜 張志剛

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

[中圖分類號] TU83 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）04- 0114- 02

1 引 言

隨著新技術(shù)、新業(yè)務的迅速發(fā)展，IT 系統(tǒng)的規(guī)模不斷攀升，新一代數(shù)據(jù)中心建設浪潮的興起，能耗越來越高，數(shù)據(jù)中心運營成本也不斷增高，由此帶來的碳排放問題和環(huán)境污染問題日益嚴重，對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗、履行社會責任提出新的挑戰(zhàn)。在日益倡導綠色環(huán)保和嚴格審核的低碳時代，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 設備、機房制冷和電源設備分別為 5 ∶ 4 ∶ 1 的關(guān)系，即服務器、存儲、交換機的電力消耗占總能源消耗的 50%，而機房制冷電力消耗占 40%，UPS 等電源設備耗電占 10%。因此數(shù)據(jù)中心要達到節(jié)能目的，就必須從IT設備和包括制冷和電源設備的基礎設施這兩個方面來考慮問題和采取措施。下面筆者根據(jù)實際案例，對北方某大型數(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)應用

服務器的電力消耗占整個數(shù)據(jù)中心電力消耗的一半左右，虛擬化技術(shù)讓一臺物理服務器可以運行多個虛擬主機，把對多臺服務器的需求整合到一臺服務器中，一方面，虛擬化提高了各服務器的CPU利用率，降低了無效的功耗；另一方面，也是最為重要的，降低了數(shù)據(jù)中心所需服務器的數(shù)量，從而降低整個數(shù)據(jù)中心的能耗。另外存儲虛擬化也逐漸在發(fā)展，所有存儲設備為一個虛擬池，存儲虛擬化技術(shù)集中管理資源池中的各種存儲資源，并根據(jù)具體的需求把存儲資源動態(tài)地分配給各個應用，這樣就能夠提高存儲空間利用率，關(guān)閉不必要的存儲設備供電，降低存儲設備能源消耗。經(jīng)過多年的發(fā)展，虛擬化技術(shù)日趨成熟，數(shù)據(jù)中心通過使用虛擬化技術(shù)，可以將各類計算機資源有機整合，集中管理，提高資源利用率，進而減少企業(yè)大量的采購成本、電力成本、制冷成本和管理成本。

2.2 適應更高溫度的節(jié)能芯片

在IT設備中，芯片是最主要的發(fā)熱元件之一，選用低功耗處理器是設計出低功耗IT設備的先決條件，在同等運算量的前提下，可以從根本上降低設備的發(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英寸的硬盤驅(qū)動器也是必需的，因為其耗電量僅僅是3.5寸硬盤驅(qū)動器的一半。以往數(shù)據(jù)中心的溫度一般都控制在18 ℃～22 ℃，以確保IT設備能夠持久可靠運行支持各類應用。但這種實現(xiàn)低溫的散熱系統(tǒng)需要耗費大量的能源成本。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)中心中最多的設備是服務器，如果能夠選擇能耗低的服務器，那勢必會大大降低整個數(shù)據(jù)中心的能耗，刀片服務器就是目前較好的選擇。刀片式服務器在空間上更加節(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器，其中的每一塊“刀片”實際上就是一塊系統(tǒng)主板。它們可以通過本地硬盤啟動自己的操作系統(tǒng)，類似于一個個獨立的服務器。同等處理能力下，用刀片式服務器重量可減輕40%，用電可減少25%～40%，散熱減少25%～40%，產(chǎn)生的空氣流動量減少大約40%。

2.4 自然冷卻技術(shù)

自然冷卻是空調(diào)設計中經(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)，減少壓縮機的開啟時間，達到節(jié)能的目的。此項目采用冷卻塔+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，對應制冷系統(tǒng)的夏季、冬季、過渡季節(jié)運行，在過渡季和冬季減少了壓縮機的工作時間和強度，大大降低了制冷功耗。以此項目為例，與常規(guī)的冷水機組相比，每年節(jié)電能達到30%～38%。

2.5 提高冷凍水供回水溫度，提高機房空調(diào)送回風溫度

國際標準Uptime推薦的機房空調(diào)送風溫度為18 ℃～27 ℃ ，實驗證明最佳送風溫度范圍為20 ℃～25 ℃ ，在該送風溫度下冷凍水供回水溫度可高至18/24 ℃ 。結(jié)合國內(nèi)外大型數(shù)據(jù)中心的設計及運行經(jīng)驗，同時確?？照{(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定的制冷效果，此項目的空調(diào)冷凍水供回水溫度為15/21 ℃ ，空調(diào)送回風溫度為24/36 ℃。這樣不僅相應提高了冷凍水機組制冷效率，延長了自然冷卻運行時間，降低空調(diào)能耗及PUE值，節(jié)省運行費用；而且冷凍水溫度每提高1 ℃，冷水機組效率可提高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)化過程，其優(yōu)化設計包括送風方式的選擇、機柜與空調(diào)的布局、建筑結(jié)構(gòu)及參數(shù)的選擇等等。此項目設計初期，針對不同類型的送風方式，參考主流空調(diào)廠商的技術(shù)說明書，比較各類送風方式的送風效率、適用范圍等因素，最終確定采用下送上回方式，機房區(qū)域架空地板高度900mm，空調(diào)間區(qū)域架空地板高度1 000mm，吊頂回風高度不小于1 100mm。機房氣流組織圖如圖1。

機房內(nèi)機柜采用面對面、背靠背的冷熱通道方法，機房空調(diào)機組和機柜機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；選擇合適的地板開孔位置，必須出線的孔洞也應在穿線后嚴密封堵；合理安排出風口與空調(diào)機組的距離，離空調(diào)機太近，空氣的動壓很大，靜壓很小，會導致冷空氣出不來；而出風口離空調(diào)機太遠，則冷風送不到。

此項目通過上述措施，一方面可使機房氣流循環(huán)更加暢通，減少冷熱氣流間的相互影響；另一方面可通過合理的氣流和機柜布局使機房內(nèi)溫度更加均勻，消除局部熱點，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)中心的服務器功耗一般會隨著業(yè)務量的變動呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化，因此數(shù)據(jù)中心IT設備的發(fā)熱量也會呈現(xiàn)周期性的變化。在此項目中將變頻技術(shù)引入冷水機組，通過在壓縮機、風機、水泵、冷卻塔等發(fā)動機驅(qū)動的組件上安裝變頻驅(qū)動器，使得電動機的速度能夠根據(jù)負載需求進行調(diào)節(jié)，而不是在啟動后只能以全速運行，從而達到優(yōu)化運行、節(jié)約能源的目的。

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

3 結(jié) 論

當前傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心正面臨轉(zhuǎn)型，綠色、環(huán)保已成為未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢，我國也逐漸制定出數(shù)據(jù)中心綠色分級評估的辦法，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)能問題并不能依靠某項單一技術(shù)解決，必須從多個方面入手，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

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