基于智能化網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的綠色數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

陳王豐

摘 要：本文主要介紹如何建設(shè)一所網(wǎng)絡(luò)機(jī)房綠色數(shù)據(jù)中心，讓網(wǎng)絡(luò)機(jī)房的空調(diào)、UPS、服務(wù)器等IT設(shè)備、管理軟件應(yīng)用等具備節(jié)能環(huán)保、高可靠可用性和合理性。

關(guān)鍵詞：綠色數(shù)據(jù)中心；網(wǎng)絡(luò)機(jī)房；IT系統(tǒng)；一體化

中圖分類號(hào)：G717 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-1422（2016）03-0115-04

一、引言

綠色數(shù)據(jù)中心（Green Data Center）是指數(shù)據(jù)中心中的IT系統(tǒng)、機(jī)械、照明和電氣等能取得最大化的能源效率和最小化的環(huán)境影響。綠色數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然，我們主要從建筑節(jié)能、運(yùn)營(yíng)管理、能源效率等方面來(lái)衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心是否為“綠色”。綠色數(shù)據(jù)中心的“綠色”具體體現(xiàn)在整體的設(shè)計(jì)規(guī)劃以及機(jī)房空調(diào)、UPS、服務(wù)器等IT設(shè)備、管理軟件應(yīng)用等是否具備節(jié)能環(huán)保功能。

二、綠色數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

綠色數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然。綠色數(shù)據(jù)中心的“綠色”具體體現(xiàn)在整體的設(shè)計(jì)規(guī)劃以及機(jī)房空調(diào)、UPS、服務(wù)器等IT設(shè)備、管理軟件應(yīng)用上，要具備節(jié)能環(huán)保、高可靠可用性和合理性。

三、節(jié)能一體化解決方案

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心的節(jié)能設(shè)計(jì)，我們提出的節(jié)能一體化解決方案包括電力系統(tǒng)節(jié)能分析、動(dòng)力環(huán)境系統(tǒng)節(jié)能控制、IT設(shè)備的智能控制、IT設(shè)備新型的節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用、智能管理軟件的應(yīng)用等，并將這些作為節(jié)能重點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要系統(tǒng)分析和統(tǒng)籌兼顧，以達(dá)到綠色、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。

1.六種節(jié)能方案及效果

2.基礎(chǔ)設(shè)施及節(jié)能措施

（1）機(jī)房環(huán)境的要求

現(xiàn)代IT設(shè)備中的元器件及集成電路極易受到溫濕度、塵埃、有害氣體、電磁、雷電等的干擾，為使其可靠運(yùn)行，機(jī)房必須具備一定的環(huán)境條件，根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174-2008）的規(guī)定，機(jī)房環(huán)境應(yīng)達(dá)到以下要求：

（2）基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能措施

數(shù)據(jù)中心建設(shè)中與建筑熱工有關(guān)的節(jié)能途徑與節(jié)能措施主要關(guān)注圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)墻保溫、保溫材料、六方體圍護(hù)、熱橋處理、無(wú)窗密閉護(hù)圍等幾個(gè)方面。

3.機(jī)房空調(diào)與機(jī)房空調(diào)節(jié)能措施

（1）機(jī)房對(duì)機(jī)房空調(diào)的要求

機(jī)房是數(shù)據(jù)處理中心，安裝有大量的計(jì)算機(jī)、磁帶機(jī)、磁介質(zhì)、交換機(jī)、路由器等對(duì)環(huán)境溫濕度、潔凈度要求較高的精密設(shè)備，對(duì)機(jī)房環(huán)境有嚴(yán)格的要求，其中最重要的是機(jī)房溫度、濕度和潔凈度三個(gè)指標(biāo)。

機(jī)房專用空調(diào)（精密空調(diào)）是為計(jì)算機(jī)機(jī)房（包括程控交換機(jī)房）專門設(shè)計(jì)的特殊空調(diào)機(jī)，精密空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了進(jìn)行精確的溫度和濕度控制，精密空調(diào)系統(tǒng)具有高可靠性，保證系統(tǒng)終年連續(xù)運(yùn)行，并且具有可維修性、組裝靈活性和冗余性，可以保證數(shù)據(jù)中心四季空調(diào)正常運(yùn)行。

計(jì)算機(jī)機(jī)房專用空調(diào)在設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)的舒適性空調(diào)有著很大區(qū)別，二者為不同的目的而設(shè)計(jì)，無(wú)法互換使用。計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)必須使用機(jī)房專用空調(diào)。

（2）機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備類型

機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備制冷系統(tǒng)形式很多，可以根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，選用不同的制冷系統(tǒng)。機(jī)房專用空調(diào)機(jī)組制冷系統(tǒng)主要冷卻形式有風(fēng)冷式、水冷或乙二醇水冷式、冷凍水式、雙冷源系統(tǒng)等。

（3）機(jī)房空調(diào)節(jié)能措施

在對(duì)自控新風(fēng)冷氣機(jī)設(shè)備進(jìn)行選型過(guò)程中，機(jī)房的熱負(fù)荷和換氣次數(shù)是最為重要的參數(shù)依據(jù)，因?yàn)檫@兩項(xiàng)參數(shù)決定了機(jī)房的溫濕度能否得到恒定以及機(jī)房的潔凈度能否得到滿足。所以我們?cè)跈C(jī)房專用空調(diào)設(shè)備選型時(shí)先選定這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后再對(duì)選定的新風(fēng)設(shè)備型號(hào)進(jìn)行其它次要數(shù)據(jù)項(xiàng)的驗(yàn)證。根據(jù)機(jī)房熱負(fù)荷及換氣次數(shù)的計(jì)算，可以對(duì)機(jī)房專用空調(diào)設(shè)備的設(shè)備型號(hào)進(jìn)行選定。

（4）冷氣流組織與節(jié)能措施

氣流組織就是將空調(diào)機(jī)送出的冷風(fēng)通過(guò)預(yù)定的風(fēng)道、風(fēng)口，按預(yù)定的風(fēng)量與風(fēng)速送往需要制冷的地點(diǎn)，再把設(shè)備產(chǎn)生的熱空氣回收到空調(diào)制冷的過(guò)程。氣流組織分為三個(gè)部分，即冷氣產(chǎn)生、冷氣配送和氣流返回。

（5）機(jī)柜內(nèi)制冷的節(jié)能措施

A.機(jī)柜布局：機(jī)柜按行排列，采用冷熱通道的技術(shù)，背靠背布局。

B.安裝盲板：盡管機(jī)柜通常被認(rèn)為只是一種機(jī)械支架，但它對(duì)于防止設(shè)備排除的熱空氣重新進(jìn)入設(shè)備進(jìn)氣口至關(guān)重要。

盡管主要的IT設(shè)備制造商均強(qiáng)烈建議使用盲板，但實(shí)際上90%或更高比例的機(jī)房都忽略了這一點(diǎn)。熱空氣再循環(huán)問(wèn)題可能導(dǎo)致IT設(shè)備的溫度上升8℃。安裝盲板是一個(gè)極其簡(jiǎn)單的過(guò)程，可以用非常低的成本應(yīng)用于幾乎所有的數(shù)據(jù)中心。

C.使用標(biāo)準(zhǔn)寬度機(jī)柜（使用超寬機(jī)柜將可能使得熱空氣通過(guò)設(shè)備側(cè)面進(jìn)行短路循環(huán)）。

D.使用深度擴(kuò)展的機(jī)柜。

E.使用螺絲固定IT設(shè)備（使用托盤安裝IT設(shè)備會(huì)造成相關(guān)位置盲板的無(wú)法安裝，從而為熱空氣的短路循環(huán)提供了完全開(kāi)放的條件，應(yīng)盡量避免）。

F.使用帶有風(fēng)扇系統(tǒng)的機(jī)柜，可將底層空氣輸向機(jī)柜前端或從機(jī)柜后端主動(dòng)排除熱空氣。

G.合理的負(fù)載分布。

不合理的設(shè)備安裝位置，特別是高功率高密度設(shè)備的安裝位置，可能明顯增加機(jī)房的工作壓力。當(dāng)高負(fù)載密度、高功率服務(wù)器被組合成一個(gè)或多個(gè)機(jī)柜時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)高負(fù)載密度設(shè)備群。這種情況可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)熱點(diǎn)，并要求操作員采取相應(yīng)措施，如降低空氣溫度設(shè)置點(diǎn)等。

四、供配電系統(tǒng)節(jié)能

1.供配電系統(tǒng)節(jié)能概述

（1）精確計(jì)算供電功率

使用用電管理軟件精確計(jì)算用電功率和智能化控制系統(tǒng)用電，提高電源利用率。為機(jī)房建設(shè)規(guī)劃提供更精確的數(shù)據(jù)，智能控制整體用電量。

（2）供配電系統(tǒng)節(jié)約電能的技術(shù)方法

主要是配電電壓深入負(fù)荷中心、配電變壓器的正確選擇和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、配電線路的合理選擇和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、電壓調(diào)節(jié)和無(wú)功補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)和方法的采用。

我國(guó)現(xiàn)有電力系統(tǒng)中，35kV以上電壓等級(jí)輸變電系統(tǒng)主要擔(dān)負(fù)著遠(yuǎn)距離傳輸電能的作用，l0kV及380/220V電壓等級(jí)則是配電系統(tǒng)的主體，與用戶關(guān)系最為密切。電能通過(guò)導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、變壓器等設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生功率損失（有功、無(wú)功功率），并在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生能量損失（有功、無(wú)功電量）。配電系統(tǒng)的線損率就是指在一段時(shí)間內(nèi)，配電過(guò)程中損失的有功電量和該系統(tǒng)所獲得的總電量之比。

2.UPS節(jié)能措施

目前UPS的節(jié)能必須從方案、UPS、電池、配電等方面全方位進(jìn)行。

（1）UPS供電方案設(shè)計(jì)

根據(jù)遠(yuǎn)期最大IT負(fù)荷800KVA，建議采用輸入輸出一體化模塊化設(shè)計(jì)UPS供配電系統(tǒng)。為了提高UPS系統(tǒng)的可用性，可以采用模塊化冗余措施。

采用兩模塊化UPS電源，分別給不同的負(fù)載進(jìn)行供電。系統(tǒng)輸出部分采用熱插拔配電模塊，可以節(jié)省輸出配電柜的成本。

實(shí)際上，模塊化UPS的好處是完全可以按照實(shí)際的負(fù)載來(lái)配置功率模塊，使得UPS的輸出能力和負(fù)載之間的配比處于合理的百分比，而不用一次購(gòu)買龐大的固定功率的UPS系統(tǒng)，使得初期UPS的負(fù)載量很低，運(yùn)行成本高。

（2）UPS在線并機(jī)擴(kuò)容功能

采用單機(jī)N+1冗余模塊化熱插拔技術(shù)，為機(jī)柜式外觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)了機(jī)房的電磁兼容和電磁抑制測(cè)試，可直接安裝在機(jī)房里面。與服務(wù)器機(jī)柜并排擺放。

模塊化結(jié)構(gòu)在IT設(shè)備上已被廣泛使用（如PC機(jī)、服務(wù)器、小型機(jī)等）。模塊化結(jié)構(gòu)可以使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加清晰，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性；熱插拔技術(shù)可以使得系統(tǒng)的配置隨需要任意調(diào)整。模塊化結(jié)構(gòu)大大降低了設(shè)備維修時(shí)間，不需要UPS廠商專業(yè)工程師，就可以及時(shí)排除故障，保障系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行；模塊化結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)冗余，且冗余度可以隨負(fù)載量的變化自動(dòng)調(diào)整，其可用性要高于兩臺(tái)普通UPS并聯(lián)；模塊化結(jié)構(gòu)減少了備件的數(shù)量，避免購(gòu)買大量備品備件，浪費(fèi)資金；模塊化結(jié)構(gòu)還使得電池配置很簡(jiǎn)單，降低成本。不用考慮單機(jī)60分鐘，還是并機(jī)60分鐘。

（3）采用模塊化UPS，實(shí)現(xiàn)逐步擴(kuò)容

目前，模塊化UPS已經(jīng)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用，模塊化UPS特點(diǎn)主要包括：可擴(kuò)容、平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）短、可經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)“N+X”冗余并機(jī)。

（4）提高UPS自身能效，優(yōu)化負(fù)載效率曲線

目前UPS均為在線式雙變換構(gòu)架，在其工作時(shí)整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個(gè)容量為400kVA的UPS為例，每度電按0.95元計(jì)算，UPS效率每提高1%，一年節(jié)省的電費(fèi)為400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元。提高UPS的工作效率，可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省一大筆電費(fèi)，可見(jiàn)提高UPS效率是降低整個(gè)機(jī)房能耗的最直接方法。因此采購(gòu)UPS，盡量采購(gòu)效率更高的UPS。

五、機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控與節(jié)能措施

1.機(jī)房動(dòng)力設(shè)備監(jiān)控

機(jī)房動(dòng)力設(shè)備監(jiān)控包括電力監(jiān)控、發(fā)電機(jī)監(jiān)控、UPS監(jiān)控、空調(diào)、新風(fēng)監(jiān)控。電力監(jiān)控電源系統(tǒng)的電壓、電流、頻率、視在功率、有效功率等參數(shù)；發(fā)電機(jī)監(jiān)控轉(zhuǎn)速、輸出電壓、電流、頻率、油溫等參數(shù)；UPS監(jiān)控UPS狀態(tài)、輸入輸出電壓、電流、頻率、電池電壓、電池后備時(shí)間等參數(shù)；空調(diào)監(jiān)控送回風(fēng)溫濕度、風(fēng)量、壓縮機(jī)狀態(tài)、過(guò)濾器狀態(tài)參數(shù)。

2.機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控

機(jī)房環(huán)境監(jiān)控包括機(jī)房各區(qū)域溫濕度、漏水情況、消防監(jiān)控等。

3.安防監(jiān)控

安防監(jiān)控主要是視頻監(jiān)控、紅外防盜監(jiān)控、門禁監(jiān)控。

六、新風(fēng)系統(tǒng)與節(jié)能措施

1.新風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，新風(fēng)量應(yīng)按下列三項(xiàng)要求合理取值：室內(nèi)總送風(fēng)量的5%；按工作人員每人40m3/h；維持室內(nèi)正壓所需風(fēng)量。

2.新風(fēng)凈化處理

進(jìn)入機(jī)房的新風(fēng)必須經(jīng)過(guò)初效、中效、亞高效三級(jí)處理，房間內(nèi)新風(fēng)質(zhì)量要求較高時(shí)，還應(yīng)安裝紫外線滅菌裝置，經(jīng)過(guò)處理的新風(fēng)送入專用空調(diào)回風(fēng)口，與一次回風(fēng)混合以后進(jìn)入專用空調(diào)機(jī)組，經(jīng)專用空調(diào)機(jī)后進(jìn)入房間。

新風(fēng)最好經(jīng)過(guò)溫濕度處理至室內(nèi)工況后同與回風(fēng)混合，避免夏季壓縮機(jī)與電加熱器同時(shí)工作，節(jié)省電能、減少空調(diào)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、延長(zhǎng)使用壽命。

七、IT設(shè)施的節(jié)能措施

1.KVM主機(jī)切換系統(tǒng)節(jié)能

KVM具有節(jié)省空間、提高效率、使用簡(jiǎn)單、易于管理、節(jié)約成本、遠(yuǎn)程管理、環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)。

KVM機(jī)房監(jiān)控管理智能電源管理解決方案，為數(shù)據(jù)中心的節(jié)電增添了又一個(gè)好幫手。KVM軟件管理一款綜合電源管理軟件、智能PDU和環(huán)境傳感器設(shè)備的軟硬件結(jié)合的解決方案，能提供遠(yuǎn)程電源控制、機(jī)架級(jí)和設(shè)備級(jí)監(jiān)控能力，為數(shù)據(jù)中心的管理者提供有價(jià)值的信息來(lái)提高設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和容量規(guī)劃等。

2.刀片服務(wù)器節(jié)能

刀片服務(wù)器比機(jī)架式服務(wù)器更節(jié)省空間，一般應(yīng)用于大型的數(shù)據(jù)中心或者需要大規(guī)模計(jì)算的領(lǐng)域，如銀行電信金融行業(yè)以及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心等。目前，節(jié)約空間、便于集中管理、易于擴(kuò)展和提供不間斷的服務(wù)，成為對(duì)下一代服務(wù)器的新要求，而刀片服務(wù)器正好能滿足這一需求，因而刀片服務(wù)器市場(chǎng)需求正不斷擴(kuò)大，具有良好的市場(chǎng)前景。

八、數(shù)據(jù)中心管理軟件節(jié)能

1.電能管理軟件節(jié)能

由智能PDU和電能管理軟件組成。智能PDU能通過(guò)機(jī)柜級(jí)和設(shè)備端的用電監(jiān)控管理，精確統(tǒng)計(jì)設(shè)備一級(jí)的耗電量，為用電容量控制和收取電費(fèi)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。與普通PDU不同之處還在于，智能PDU能在遠(yuǎn)程像親臨現(xiàn)場(chǎng)一樣對(duì)設(shè)備進(jìn)行電源開(kāi)、關(guān)、重啟等操作，及時(shí)修復(fù)故障，保障系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，還能將PDU空閑插座設(shè)為無(wú)電狀態(tài)，消除因人為失誤插入設(shè)備導(dǎo)致PDU的過(guò)載跳閘及設(shè)備宕機(jī)，以及通過(guò)對(duì)PDU插座的來(lái)電延時(shí)配置，避免因設(shè)備同時(shí)加電引起的瞬間電流峰值導(dǎo)致的斷電跳閘。智能PDU最大的特點(diǎn)在于，不僅提供了每個(gè)端口的用電計(jì)量功能，還能對(duì)設(shè)備所處微環(huán)境的溫度和濕度監(jiān)控。

2.數(shù)據(jù)中心電源管理系統(tǒng)節(jié)能

數(shù)據(jù)中心的電源管理可分成四個(gè)階段，分別是連接（保證電源的可靠供應(yīng)）、計(jì)量（測(cè)量電能的消耗）、分析（查找電源低效率的原因）和智能分配（根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)電能的動(dòng)態(tài)分配）。目前的電能管理還處于連接和計(jì)量階段，為了邁向更高級(jí)的分析和智能分配階段，智能電源管理將是數(shù)據(jù)中心管理者必不可少的手段，同時(shí)達(dá)到節(jié)能、高效管理的效果。

3.虛擬化管理方案的節(jié)能

虛擬化管理通過(guò)硬件模擬實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)基于VMware或微軟的虛擬服務(wù)器。該方式為每個(gè)虛擬服務(wù)器模擬了物理的服務(wù)器硬件，包括了全配置的BIOS這種方法讓每個(gè)虛擬服務(wù)器好像運(yùn)行在主機(jī)平臺(tái)的單個(gè)處理器上。硬盤方面，每個(gè)虛擬服務(wù)器是完全獨(dú)立的，在其硬盤上有操作系統(tǒng)和必要的應(yīng)用。還有一種是通過(guò)主機(jī)來(lái)虛擬分類的。

九、小結(jié)

機(jī)房建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)房工程建設(shè)，對(duì)機(jī)房的安全性、可用性、靈活性、機(jī)架化、節(jié)能性等方面提出了更高的要求，綠色數(shù)據(jù)中心的架設(shè)，提高了機(jī)房的節(jié)能環(huán)保、高可靠可用性和合理性。

責(zé)任編輯 陳春陽(yáng)