新型數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排技術(shù)研究

王晶++林湧雙++朱坤元++林恩華

摘 要：隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的迅速增大，服務(wù)器設(shè)備和制冷設(shè)備等消耗的電能急劇攀升，造成數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本增加。針對(duì)目前普遍存在的數(shù)據(jù)中心高能耗問(wèn)題，該文分別從服務(wù)器設(shè)備節(jié)能、空調(diào)設(shè)備節(jié)能、電源設(shè)備節(jié)能和模塊化數(shù)據(jù)中心建設(shè)等方面進(jìn)行了研究，并提出了基于服務(wù)器散熱系統(tǒng)定制化的空調(diào)節(jié)能技術(shù)和綠色休眠在線UPS技術(shù)方案。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，服務(wù)器、空調(diào)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方案均能達(dá)到良好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心 節(jié)能減排 熱管散熱 ECO模式 模塊化數(shù)據(jù)中心

中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0125-02

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）是一種擁有完善的設(shè)備（包括高速IP接入、超強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)安全、安全可靠的機(jī)房環(huán)境等）、專業(yè)化的管理和應(yīng)用級(jí)服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)。與傳統(tǒng)電信機(jī)房相比，其主要特點(diǎn)是服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備眾多且集中，需要大量的集中供電。數(shù)據(jù)顯示，2009年我國(guó)通信行業(yè)年電耗量已達(dá)290億kWh 以上，而空調(diào)耗電則達(dá)100億kWh以上，通信行業(yè)成為未來(lái)節(jié)能減排的重要行業(yè)。

數(shù)據(jù)中心能耗主要集中在服務(wù)器設(shè)備、制冷設(shè)備方面，空調(diào)用電占機(jī)房總用電量的30～50%。數(shù)據(jù)中心的高能耗不僅帶來(lái)運(yùn)營(yíng)成本的急劇攀升，而且產(chǎn)生沉重的碳排量負(fù)擔(dān)[1-2]。如何利用各種管理、技術(shù)措施降低數(shù)據(jù)中心的能耗，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

該文針對(duì)目前普遍存在的數(shù)據(jù)中心高密度機(jī)房能耗過(guò)高問(wèn)題，結(jié)合數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)，分別從服務(wù)器設(shè)備節(jié)能、空調(diào)設(shè)備節(jié)能、電源設(shè)備節(jié)能等方面進(jìn)行研究[3]，以達(dá)到機(jī)房建設(shè)綠色環(huán)保、節(jié)能減排的目的，同時(shí)提高運(yùn)營(yíng)商的IT運(yùn)維水平，以支撐網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)。

1 服務(wù)器節(jié)能技術(shù)

目前，服務(wù)器節(jié)能技術(shù)方案包括服務(wù)器芯片及配件節(jié)能、基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)節(jié)能和系統(tǒng)級(jí)節(jié)能。服務(wù)器芯片級(jí)節(jié)能技術(shù)主要包括CPU功耗控制、CPU頻率調(diào)整、芯片級(jí)冷卻技術(shù)和專用低功耗部件等。基礎(chǔ)架構(gòu)級(jí)節(jié)能主要包括存儲(chǔ)制冷、高效率電源、水冷及液態(tài)金屬制冷機(jī)柜和智能溫控風(fēng)扇等。在系統(tǒng)級(jí)節(jié)能的技術(shù)中，可以基于負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)施部分節(jié)點(diǎn)或者部件的休眠，根據(jù)各進(jìn)程能耗的不同對(duì)CPU任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)能耗進(jìn)行進(jìn)程及作業(yè)級(jí)遷移等。

Performance Level和PowerCap（功耗封頂）是服務(wù)器節(jié)能方案經(jīng)常采用的節(jié)能技術(shù)，其中Performance Level通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)的性能級(jí)別，控制CPU的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器節(jié)能，該技術(shù)無(wú)需布置BMC網(wǎng)，實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)適用性極高，能夠有效對(duì)所有x86服務(wù)器進(jìn)行節(jié)電。PowerCap是服務(wù)器BMC（Baseboard Management Controller，基板管理控制器）卡提供的一個(gè)功能，通過(guò)設(shè)置該服務(wù)器最高的能耗值來(lái)限定整機(jī)的功耗，該技術(shù)可控制度高且靈活，控制程度更精細(xì)，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度達(dá)到100%。在實(shí)際應(yīng)用中，服務(wù)器節(jié)電采用何種控制方式，取決于服務(wù)器本身?xiàng)l件。

通過(guò)在不同操作系統(tǒng)下針對(duì)不同廠家、不同類型的服務(wù)器進(jìn)行實(shí)際節(jié)能測(cè)試，采用Performance Level節(jié)能技術(shù)，服務(wù)器平均可節(jié)約功耗87W/h，平均節(jié)電比例為16.17%。采用PowerCap節(jié)能技術(shù)，服務(wù)器平均可節(jié)約功耗64W/h；平均可節(jié)電比例14%。

2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)節(jié)能主要包括采用變頻技術(shù)、提高冷水機(jī)組運(yùn)行效率、采用節(jié)能環(huán)保型制冷劑、充分利用自然冷源（室外新風(fēng)）等方式[6]。如前所述，服務(wù)器是空調(diào)或新風(fēng)系統(tǒng)最終服務(wù)的對(duì)象，其發(fā)熱量降低能夠減少空調(diào)及新風(fēng)的能耗需求。基于此，該文提出一種基于服務(wù)器散熱系統(tǒng)定制化的空調(diào)節(jié)能技術(shù)[7]，通過(guò)有效減少服務(wù)器散發(fā)到數(shù)據(jù)中心的發(fā)熱量，達(dá)到提升數(shù)據(jù)中心環(huán)境溫度和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排的目的。

（1）熱管水冷散熱系統(tǒng)。

該方案將熱管技術(shù)應(yīng)用在服務(wù)器散熱系統(tǒng)，充分利用熱管的高效導(dǎo)熱性能，將服務(wù)器內(nèi)部器件產(chǎn)生的熱量傳遞到冷水板，在冷水板中與流動(dòng)的冷水進(jìn)行換熱，最后由冷水板中的冷水將熱量排出數(shù)據(jù)中心。本方案可以有效消除服務(wù)器的熱島效應(yīng)，降低數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的制冷壓力。同時(shí)，通過(guò)與冷卻塔免費(fèi)供冷、室外新風(fēng)量冷卻等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，能夠充分利用室外自然冷源，從而到達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的目的。

熱管水冷散熱系統(tǒng)應(yīng)用方案如圖1所示，整套系統(tǒng)包括熱管固定板、熱管、水冷板和管道等。其中，水冷板裝配在服務(wù)器機(jī)架外，這樣既可以利用冷卻水高效的冷卻性能，又可以使冷卻水不進(jìn)入服務(wù)器機(jī)架，保證服務(wù)器運(yùn)行的安全性。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)數(shù)據(jù)環(huán)境溫度為25℃、水冷板進(jìn)水溫度為25℃、水冷板進(jìn)水流量為0.5L/min時(shí)，與采用風(fēng)扇散熱的服務(wù)器相比，兩個(gè)CPU溫度最高分別降低38℃和31℃。當(dāng)水溫從25℃提高至30℃時(shí)，CPU溫度分別提高了5℃和4℃，但仍比傳統(tǒng)風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的服務(wù)器CPU溫度要低很多。

服務(wù)器工作溫度降低，能夠有效消除熱島效應(yīng)，數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷的壓力也大大降低，按照空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)溫度每提高 1℃，機(jī)組節(jié)能2%計(jì)算，空調(diào)系統(tǒng)能夠達(dá)到不錯(cuò)的節(jié)能效果。

（2）冷卻塔免費(fèi)供冷。

冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)是室外自然冷源的一種利用方式。在高溫季節(jié)時(shí)，冷卻塔可以用來(lái)制備冷水機(jī)組的冷卻水；當(dāng)室外空氣溫度降低、滿足免費(fèi)供冷要求的時(shí)，可以關(guān)閉冷水機(jī)組，通過(guò)閥門調(diào)節(jié)讓冷卻塔直接制備冷水送入服務(wù)器水冷板，對(duì)熱管蒸發(fā)端進(jìn)行制冷。一般地，按照冷卻塔工藝與冷卻效果，冷卻塔的出水溫度比室外空氣的濕球溫度高3℃，即還存在比室外空氣的干球溫度更低的可能，同時(shí)考慮水冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果優(yōu)于風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)，因此，冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)有較高的節(jié)能效果。

（3）新風(fēng)冷卻系統(tǒng)。endprint

服務(wù)器散熱系統(tǒng)中熱管主要偏重于將服務(wù)器CPU產(chǎn)生的熱量以及少部分其他部件產(chǎn)生的熱量帶走，因此，在高溫季節(jié)，數(shù)據(jù)中心仍需開啟機(jī)房空調(diào)來(lái)保持較低的環(huán)境溫度。而在冷季或者過(guò)渡季節(jié)，當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)機(jī)房溫度時(shí)，理論上即可將室外較低溫度的新風(fēng)送至室內(nèi)，帶走室內(nèi)負(fù)荷后再由排風(fēng)機(jī)排出機(jī)房。此時(shí)，可以考慮將機(jī)房空調(diào)直接關(guān)閉，盡最大量地利用自然免費(fèi)冷源，從而達(dá)到節(jié)能的目的。新風(fēng)的直接引入會(huì)對(duì)機(jī)房環(huán)境造成影響，在做新風(fēng)直接引入系統(tǒng)的同時(shí)需要考慮機(jī)房溫度、濕度、潔凈度等問(wèn)題。

3 服務(wù)器電源系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中供電系統(tǒng)構(gòu)架一般是由市電、變配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)、樓層配電系統(tǒng)、交流不間斷電源系統(tǒng)、交流列頭柜和設(shè)備機(jī)架電源組成[8]。該文在不改變傳統(tǒng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)中心的UPS主機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整，將傳統(tǒng)UPS的雙變換在線工作模式更改為ECO經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。綠色休眠在線UPS技術(shù)（ECO模式）是在市電正常情況下通過(guò)靜態(tài)旁路給負(fù)載供電，只有在市電斷電情況下才切換到電池逆變模式，通過(guò)減少UPS主機(jī)整流濾波和逆變環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的節(jié)能減排，其技術(shù)應(yīng)用方案如圖2所示，與傳統(tǒng)雙變換在線式UPS系統(tǒng)相比，綠色休眠在線UPS系統(tǒng)節(jié)能效果突出。

運(yùn)行效率高：現(xiàn)有UPS主機(jī)采用ECO運(yùn)行模式，UPS主機(jī)效率在98%以上，且UPS主機(jī)的運(yùn)行效率與UPS主機(jī)負(fù)載率無(wú)關(guān)。

可靠性高：市電停電時(shí)，由蓄電池組通過(guò)逆變器為IT設(shè)備提供電源，逆變器切換時(shí)間小于10ms。

電源質(zhì)量：靜態(tài)旁路正常供電時(shí)UPS輸入、輸出電源質(zhì)量包括：電流、電壓、頻率等均滿足服務(wù)器電源模塊輸入要求。

目前，UPS主機(jī)ECO運(yùn)行模式能夠在市電正常時(shí)，由UPS主機(jī)旁路為IT設(shè)備提供交流電。但是，為了保證市電斷電時(shí)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換時(shí)間滿足IT設(shè)備需求，UPS主機(jī)整流濾波電路和逆變器電路需要時(shí)刻處于待機(jī)狀態(tài)，因此存在電能損耗問(wèn)題。

4 單元模塊化建設(shè)方案

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的模塊化建設(shè)是近年來(lái)一個(gè)非常熱門的話題。在新型綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)方面，可以采用單元模塊化建設(shè)方案。按照最初的定義，模塊化數(shù)據(jù)中心（Modular Data Center，MDC）把整個(gè)數(shù)據(jù)中心場(chǎng)地分為若干獨(dú)立區(qū)域，各區(qū)域的規(guī)模、功率負(fù)載、配置等均按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)展隨著業(yè)務(wù)需求的不斷增加由一個(gè)模塊擴(kuò)展到另一個(gè)模塊[9]。隨著集裝箱數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，MDC也用來(lái)描述集裝箱數(shù)據(jù)中心。然而，目前國(guó)內(nèi)的地理環(huán)境不具備部署集裝箱的條件，因此，越來(lái)越多的客戶開始嘗試采用開放式機(jī)架構(gòu)成模塊化模組，將送風(fēng)單元、配電單元與機(jī)柜整合后構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的模塊化數(shù)據(jù)中心模組，按照業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分階段部署。

數(shù)據(jù)中心采用模塊化建設(shè)，可以大大提高數(shù)據(jù)中心的可用性、靈活性以及降低成本，其中降低成本方面包括降低初始投資成本、降低非能源的運(yùn)營(yíng)成本和降低能源成本。就節(jié)能減排而言，數(shù)據(jù)中心采用模塊化建設(shè)方案，可以按照現(xiàn)有的IT需求規(guī)劃基礎(chǔ)設(shè)施，并根據(jù)IT需求的增長(zhǎng)添加新的組件，這種方式使用戶只需為所需的設(shè)備提供配電和制冷，因此節(jié)約的電力成本非?？捎^。此外，模塊化UPS設(shè)計(jì)使得UPS的容量與負(fù)載需求更為匹配，從而提高了UPS的工作效率并減少了實(shí)現(xiàn)冗余所需的UPS模塊的容量。

在該文提出的空調(diào)節(jié)能方案中，由于熱管散熱系統(tǒng)集成在服務(wù)器機(jī)架上，制冷模塊里主要包含冷卻水系統(tǒng)。為保證水冷系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效安全運(yùn)行，在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，冷卻水可以采用二級(jí)換熱冷卻技術(shù)，即水冷板中的冷卻水采用閉式水循環(huán)系統(tǒng)，以保證循環(huán)水的水質(zhì)來(lái)保證水冷板的換熱效果。在冷卻水的另一端通過(guò)加設(shè)板式換熱器，來(lái)與冷卻塔中的冷卻水進(jìn)行“水-水”換熱。

5 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗過(guò)高的問(wèn)題，分別從服務(wù)器設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、電源設(shè)備和模塊化數(shù)據(jù)中心建設(shè)等方面進(jìn)行了節(jié)能性方案研究，并綜合考慮服務(wù)器與空調(diào)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)效果，提出一種基于服務(wù)器散熱系統(tǒng)定制化的空調(diào)節(jié)能技術(shù)和綠色休眠在線UPS技術(shù)，通過(guò)實(shí)測(cè)表明，提出的技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)良好的節(jié)能效果。隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)量的迅速增長(zhǎng)和規(guī)模的急劇擴(kuò)大，節(jié)能減排仍是未來(lái)數(shù)據(jù)中心的主要研究方向。

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