寒冷地區(qū)微模塊數(shù)據(jù)中心能耗分析

王春紅

(內(nèi)蒙古財經(jīng)大學(xué) 計算機(jī)系,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

寒冷地區(qū)微模塊數(shù)據(jù)中心能耗分析

王春紅

(內(nèi)蒙古財經(jīng)大學(xué) 計算機(jī)系,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

從降低數(shù)據(jù)中心的能耗出發(fā),對工作在自然冷源場景下的冷水機(jī)組能耗進(jìn)行分析,并計算出全年的PUE值。提出了在寒冷地區(qū)新建數(shù)據(jù)中心,采用以微模塊為核心,配合具有Free Cooling冷卻技術(shù)的冷水機(jī)組為數(shù)據(jù)中心進(jìn)行制冷的技術(shù)架構(gòu),根據(jù)系統(tǒng)仿真測試,結(jié)果表明,提高末端空調(diào)的供水溫度,每當(dāng)提高1℃的出水溫度,冷水機(jī)組的制冷量將提高3%～4%,而功耗約增加1%。有效地降低了PUE值,從而節(jié)約了電能,降低了碳排量及成本。

能耗分析;微模塊;PUE;冷熱通道;FreeCooling

根據(jù)工信部《電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的能耗測評方法》、《互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心資源占用、能效及排放技術(shù)要求和評測方法》等標(biāo)準(zhǔn)的推出,明確提出新建的數(shù)據(jù)中心的PUE值為1.5,對數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模要根據(jù)地區(qū)能源、氣候和地質(zhì)條件情況不同而分別進(jìn)行規(guī)劃。

目前,國際上通行的數(shù)據(jù)中心電能的衡量指標(biāo)是PUE(Power Usage Effectiveness)電源使用效率。PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗(Total Facility Power)/IT設(shè)備能耗(IT Equipment Power)[1]。數(shù)據(jù)中心總能耗包括IT設(shè)備能耗、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗、制冷能耗、照明能耗、電源系統(tǒng)能耗、物理安全能耗和其他相關(guān)能耗;IT設(shè)備能耗包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)備份等IT設(shè)備能耗。PUE值越低,表示綠色節(jié)能度越高。

1 技術(shù)分析

1.1 數(shù)據(jù)中心微模塊

數(shù)據(jù)中心微模塊[2]是指每個模塊具有獨(dú)立的功能、統(tǒng)一的輸入輸出接口,不同區(qū)域的模塊可以互相備份,通過相關(guān)模塊的排列組合形成一個完整的數(shù)據(jù)中心。通過精細(xì)化的機(jī)柜布局,減少占地空間,提高制冷效率。機(jī)柜放置采用面對面方式,機(jī)柜正面形成冷通道,背側(cè)為熱通道,前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng),冷熱通道隔離,避免冷熱空氣混合,增強(qiáng)散熱,提高制冷效率,降低PUE。隔離冷熱通道示意圖,如圖1所示。Air-side economization(空氣流動經(jīng)濟(jì)性)是提升散熱效率的關(guān)鍵。提高空氣流動經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵是讓冷空氣流入服務(wù)器,氣流組織優(yōu)化模型圖如圖2所示。

圖1 微模塊機(jī)房冷熱通道隔離

圖2 氣流優(yōu)化模型

1.2 自然冷卻(Free Cooling)技術(shù)

Free Cooling(免費(fèi)冷卻)是一種在室外空氣溫度低于機(jī)房溫度時,通過相應(yīng)的技術(shù)手段將室外冷源引入建筑內(nèi)將熱量帶走,以達(dá)到降溫的目的,降低能耗。目前免費(fèi)制冷主要有兩種方式:空氣側(cè)和水側(cè)免費(fèi)制冷[3]。

空氣側(cè)免費(fèi)制冷是指室外空氣直接通過濾網(wǎng)或間接通過換熱器將冷量帶入到建筑內(nèi)。水側(cè)免費(fèi)制冷是指一種制冷劑,直接通過冷卻塔循環(huán)帶走熱量,而不是通過制冷機(jī)或者壓縮機(jī)循環(huán)來散熱。Free Cooling風(fēng)冷式冷水機(jī)組帶有獨(dú)特的自然冷卻干冷換熱器,其運(yùn)行原理是優(yōu)先利用天然環(huán)境的低溫空氣冷卻循環(huán)冷凍水,實現(xiàn)無壓縮機(jī)運(yùn)行制冷,環(huán)境溫度越低,自然冷卻的比例越大,機(jī)組的功耗越低,顯著節(jié)省壓縮機(jī)的能耗。

2 系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1 測試背景

內(nèi)蒙古自治區(qū)地跨中國東北、西北地區(qū),北起北緯53°20′,南至北緯37°20′,屬典型的中溫、寒溫帶季風(fēng)氣候,顯著特點是寒暑變化劇烈,晝夜溫差較大。冬季漫長而寒冷,多數(shù)地區(qū)冬季長達(dá)5個月到半年,夏季溫?zé)岫虝骸Ｒ院艉秃铺厥袨槔?冬季平均氣溫在0 ℃以下達(dá)5個月,室外氣溫最低可達(dá)-23 ℃。年平均氣溫在1.5～12.5 ℃,全年約有7～8個月的時間可以利用自然冷源為數(shù)據(jù)中心降溫。

表1 2013年呼和浩特月均氣溫統(tǒng)計表

圖3 全年月均溫度曲線圖

從圖3可以看出,全年月平均氣溫處于0 ℃以下的為1、2、3、11、12月,全年月平均氣溫處于7～15 ℃的月份為4和10月,而5～9月,氣溫升高,月平均氣溫處于15 ℃以上。

2.2 數(shù)據(jù)中心組成全景

圖4 數(shù)據(jù)中心全景圖

數(shù)據(jù)中心可分為服務(wù)器區(qū)(微模塊)、網(wǎng)絡(luò)間、消防間、監(jiān)控間、配電間(低壓配電間、UPS間、電池間)以及供電系統(tǒng)(柴油發(fā)電機(jī))、制冷系統(tǒng)等區(qū)域。

2.3 設(shè)備需求與空調(diào)模式

微模塊布局采用冷通道封閉設(shè)計,通過冷池的寬度大小來區(qū)分為高密度區(qū)與中密度區(qū)。其中,40%為中密度區(qū),單機(jī)柜容量為5 kW/Rack;60%為高密度區(qū),單機(jī)柜容量為10 kW/Rack。微模塊機(jī)柜間選用水冷行間空調(diào)、配電間采用水冷機(jī)房精密空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)間采用直膨式風(fēng)冷精密空調(diào)進(jìn)行冷卻。室外冷卻部分,采用Free Cooling技術(shù)的風(fēng)冷冷水機(jī)組并結(jié)合自然干冷器給行間空調(diào)和配電間精密空調(diào)提供冷凍水。干式冷卻塔的熱水在散熱翅管內(nèi)流動,靠與管外空氣的溫差,形成接觸傳熱而冷卻,水與空氣不直接接觸。北方地區(qū)氣候干燥,適合采用干式冷卻,沒有水的蒸發(fā)損失。制冷模型如圖5所示。

圖5 制冷模型圖

設(shè)備規(guī)模:7套微模塊,每模塊16 Rack;工況:回風(fēng)溫度28 ℃,進(jìn)、回水溫度10/15 ℃;室內(nèi)側(cè):行間空調(diào)35臺,單臺制冷量28 kW,功率1.5 kW;室外側(cè):主機(jī)為帶自然冷卻的風(fēng)冷冷水機(jī)組,采用冷凍水為冷媒,設(shè)計供水溫度為6～20 ℃,理想供水溫度為15 ℃,名義制冷量600 kW,功率150 kW;冷卻塔:干式冷卻塔6臺,功率為7.5 kW。

通過控制系統(tǒng),設(shè)定溫度范圍,當(dāng)室外溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低10 ℃或以上時,壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)完全停止運(yùn)行,完全由干冷器工作,采用自然冷源來制冷,自然冷卻達(dá)到100%,機(jī)組無壓縮機(jī)功耗,僅有少量的風(fēng)機(jī)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)功率。當(dāng)室外溫度達(dá)到比冷凍水回水溫度低2 ℃或以上時,可以采用壓縮機(jī)和自然冷源同時工作的模式。開啟Free Cooling功能自然冷卻預(yù)冷冷凍水,無壓縮機(jī)功耗;自然冷卻溫度不夠的部分,再由壓縮機(jī)制冷來達(dá)到需求冷量。

3 能耗分析計算

3.1 冷量計算

由于機(jī)柜密度并不均衡,中密度區(qū)每套微模塊內(nèi)服務(wù)器功耗為5 kW/Rack,高密度區(qū)為10 kW/Rack,核心區(qū)機(jī)柜的平均功耗8 kW/Rack。每模塊內(nèi):照明功耗0.2 kW,網(wǎng)絡(luò)柜功耗1.8 kW,監(jiān)控功耗0.05 kW。根據(jù)各部分功耗,由此可以計算出7套16 Rack的功耗QT。

QT=7×(16×8+1.8+0.2+0.05)=910.35 kW

(1)

中密度區(qū)采用每隔3機(jī)柜一臺行間空調(diào)用于制冷,高密度區(qū)采用每隔2機(jī)柜一臺空調(diào),需要4臺空調(diào)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息機(jī)房設(shè)計規(guī)范》的數(shù)據(jù)中心空調(diào)配置建議,為了確保由于單行間空調(diào)故障,通常建議數(shù)據(jù)中心采用N+M(M=1,2,…)配置形式,提供工作可靠性與安全性。此案例采用N+1配置,所以共需5臺空調(diào)。單臺行間空調(diào)的制冷量為28 kW,按照空調(diào)的配置,可以計算出行間空調(diào)總制冷量為Q1。

Q1=7×(28×5)=980 kW

(2)

根據(jù)精確估算方法,配電間發(fā)熱量=空載損耗+運(yùn)行損耗=總體IT負(fù)載功率×0.05。因此水冷空調(diào)所需制冷量為Q’。

Q’=QT×0.05=910.35×0.05=45.5 kW

(3)

此案例選用2臺50 kW制冷量的空調(diào)進(jìn)行冷卻(一主一備),總制冷量需求為Q2。

Q2=50×2=100 kW

(4)

一般機(jī)房規(guī)劃時按照每個機(jī)柜4平米來計算機(jī)房總面積S。

S=7×4×16=448 m2

(5)

取整為450 m2,這里并不考慮配電間、設(shè)備間、操作間、動力組等占地面積,只計算核心機(jī)柜部分。

根據(jù)環(huán)境熱負(fù)荷計算公式,采用“功率及面積法”,環(huán)境熱負(fù)荷為Q3。

Q3=0.12～0.18 kW/m2×機(jī)房面積

(6)

南方地區(qū)可選0.18,北方地區(qū)選擇0.12,所以計算出Q3=0.12×450=54 kW。

通過以上計算,可以計算出總制冷量需求為Q,即室外冷水機(jī)組需要提供的制冷量

Q=Q1+Q2+Q3=980+100+54=1 134 kW

(7)

此案例配置3臺制冷量為600 kW的冷水機(jī)組為空調(diào)提供冷凍水,2臺運(yùn)行,1臺備用,對應(yīng)冷凍水循環(huán)水泵2臺,水泵功率為10 kW;7.5 kW的干式冷卻塔6臺。

3.2 PUE計算

根據(jù)UPS容量計算公式

UPS 容量S=IT負(fù)載功率÷0.8(UPS輸出功率因數(shù))÷0.6(UPS主機(jī)理想負(fù)載為輸出功率的60%)

(8)

其中,IT負(fù)載功率=QT+40=910.35+40=950.35 kW。

S=950.35÷0.8÷0.6=1 980 kVA

(9)

可選用2 000 kVA的UPS進(jìn)行供電,不考慮預(yù)留擴(kuò)容需求。計算出壓縮機(jī)完全工作時的PUE值,PUE1=總功耗÷IT設(shè)備功耗

PUE1=1 504.68÷908.6=1.656

(10)

完全自然冷源場景時的PUE值為PUE2

PUE2=1 151.28÷908.6=1.309

(11)

根據(jù)全年的氣溫曲線,有5個月時間完全開啟自然冷源;有3個月時間處于混合工作時間,混合工作時間可以折算成1個月自然冷卻時間;有4個月時間處于壓縮機(jī)完全工作狀態(tài),可以計算出全年的PUE值為1.447 8,達(dá)到要求建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 中心機(jī)房功耗表

根據(jù)系統(tǒng)仿真模擬測試,提高冷水機(jī)組的出水溫度即提高末端空調(diào)的供水溫度,每提高1 ℃的出水溫度,冷水機(jī)組的制冷量將提高3%～4%,而功耗約增加1%左右。

通過模塊內(nèi)先進(jìn)氣流優(yōu)化組織技術(shù)與室外機(jī)組Free Cooling技術(shù)的應(yīng)用,有效降低了PUE值,北方寒冷地區(qū)最低可達(dá)到1.3,每年可為客戶節(jié)省大筆電費(fèi),降低碳排量,為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語

為降低數(shù)據(jù)中心的PUE,提升能源使用效率,通過各種先進(jìn)技術(shù)可以大幅降低PUE。如采用模塊化數(shù)據(jù)中心架構(gòu);數(shù)據(jù)中心選址在寒冷的高緯度地區(qū);采用自然冷源技術(shù)減少壓縮機(jī)工作時間,降低制冷能耗,從而節(jié)約電能;采用直流供電技術(shù),提高供電效率;采用刀片服務(wù)器、虛擬化技術(shù),減少服務(wù)器數(shù)量,來降低IT設(shè)備能耗等。結(jié)合微模塊和Free Cooling技術(shù),寒冷地區(qū),數(shù)據(jù)中心PUE值可達(dá)到1.3,可降低PUE值0.3以上,節(jié)約電能,降低成本。

[1] 王洪鎖,張銳鋒,賈春香.基于PUE評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)中心的綠色I(xiàn)T技術(shù)[J].中國管理信息化,2014(1):111-113.

[2] 朱利偉.淺談微模塊技術(shù)及實現(xiàn)[J].智能建筑與城市信息,2013(11):33-34.

[3] 郭亮.淺析微模塊數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)[J].信息通訊技術(shù),2013(1):33-37.

[4] 仝愛軍.自然冷源技術(shù)在模塊化數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用[J].電信技術(shù),2013(8):41-44.

[5] 陳育偉.寒冷地區(qū)程控機(jī)房利用自然冷源空調(diào)節(jié)能的探討[J].郵電設(shè)計技術(shù),2003(1):47-48.

[6] 陳杰.利用自然冷源制冷對通信基站節(jié)能降耗的研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2012.

[7] 陳婷.數(shù)據(jù)機(jī)房精確送風(fēng)方式的應(yīng)用研究[D].南京:南京師范大學(xué),2014.

[8] Cho J,Lim T,Kim B S.Measurements and predictions of the air distribution systems in high compute density (Internet) data centers[J].Energy and Buildings,2009(41):1107-1115.

Analysis of Energy Consumption by Micro Module Data Center in Cold Regions

WANG Chunhong

(Department of Computer Science,Inner Mongolia University of Finance and Economics,Hohhot 010051,China)

Starting from the target of reducing energy consumption in the data center,this paper analyzes energy consumption of the water chiller unit working in the natural cold scenario and calculates the PUE value throughout the year.Researchers suggest selecting the micro module as the core technical framework,and using the water chiller unit with the Free Cooling technology for refrigeration for the data center constructed in cold areas.Simulation shows that an increase of the output water by 1℃ will increase the refrigerating output of the chiller unit by 3%～4% and power consumption by 1%,thus saving electric energy,decreasing carbon emission and reducing cost.

Micro data center;PUE;Cold and hot channel spacing;Free Cooling

2014- 11- 24

內(nèi)蒙古財經(jīng)大學(xué)校級科研基金資助項目(KY1302)

王春紅(1979—),女,碩士,講師。研究方向:計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計,計算機(jī)教育應(yīng)用。E-mail:wangchunhong99@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.022

TP311.5

A

1007-7820(2015)04-080-04