數(shù)據(jù)中心節(jié)能減耗技術(shù)探討

馬永榮

（恒鋒信息科技股份有限公司）

1 引言

近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與人工智能的發(fā)展，以及Google、Facebook、阿里巴巴、騰訊等大型科技、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展，對(duì)支撐這些前沿技術(shù)和企業(yè)信息運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施也提出越來(lái)越高的要求，涌現(xiàn)出一大批大型、超大型規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。這些大型的數(shù)據(jù)中心配置有幾萬(wàn)臺(tái)、幾十萬(wàn)臺(tái)的服務(wù)器設(shè)備，而且設(shè)備幾乎是不間斷的運(yùn)行著，因此，可以想象所產(chǎn)生的能耗量是巨大的。為降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本，滿足可持續(xù)發(fā)展的需要，節(jié)能減耗成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的追逐目標(biāo)，PUE（電源使用效率）成為數(shù)據(jù)中心的重要指標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)中心的選址在節(jié)能減耗方面的作用

GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，數(shù)據(jù)中心選址應(yīng)符合“采用水蒸發(fā)冷卻方式制冷的數(shù)據(jù)中心，水源應(yīng)充足，自然環(huán)境應(yīng)清潔，環(huán)境溫度應(yīng)有利于節(jié)約能源”。在保障電力、通信和交通的條件下，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)應(yīng)選擇在氣候環(huán)境溫度相對(duì)較低的地區(qū)，有利于降低能耗。

阿里巴巴、華為目前都在內(nèi)蒙古烏蘭察布建設(shè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，烏蘭察布年平均氣溫低，交通便利，能源充足。寒冷地區(qū)的數(shù)據(jù)中心利用氣候條件的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)極低的PUE值，大幅度降低運(yùn)營(yíng)成本。

阿里云千島湖數(shù)據(jù)中心因地制宜，利用千島湖的深層湖水通過(guò)完全密閉的管道流經(jīng)數(shù)據(jù)中心，幫助服務(wù)器降溫。谷歌在北歐芬蘭的一個(gè)哈米納(Hamia)地區(qū)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心，利用波羅海的海水進(jìn)行機(jī)房冷卻。這些巨頭企業(yè)對(duì)其數(shù)據(jù)中心的選址充分考量了對(duì)能源節(jié)約的有利位置。

中國(guó)數(shù)據(jù)中心工作組（CDCC）提出關(guān)于建設(shè)布局的指導(dǎo)意見(jiàn)，新建超大型數(shù)據(jù)中心應(yīng)重點(diǎn)考慮氣候環(huán)境、能源供給等要素。鼓勵(lì)超大型數(shù)據(jù)中心，特別是以災(zāi)備等實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用為主的超大型數(shù)據(jù)中心，優(yōu)先在氣候寒冷、能源充足的一類地區(qū)建設(shè)，也可在氣候適宜、能源充足的二類地區(qū)建設(shè)。其中，一類地區(qū)：氣候寒冷（最冷月平均溫度≤-10℃，日平均溫度≤5℃的天數(shù)大于等于145d）、能源充足（發(fā)電量大于用電量）、地質(zhì)災(zāi)害較少。

3 空調(diào)系統(tǒng)的選用

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)占用很大能耗，約占數(shù)據(jù)中心整體能耗的40%～50%，減少數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能耗對(duì)降低數(shù)據(jù)機(jī)房PUE有著決定性的作用。在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、數(shù)據(jù)中心的規(guī)模、空調(diào)系統(tǒng)綜合能效等因素進(jìn)行考慮，選擇合理的空調(diào)冷源方案，能有效節(jié)約能源。

數(shù)據(jù)中心常用的制冷系統(tǒng)有風(fēng)冷型空調(diào)系統(tǒng)、冷凍水型空調(diào)系統(tǒng)、水冷型空調(diào)系統(tǒng)、乙二醇冷卻型空調(diào)系統(tǒng)和雙冷源型空調(diào)系統(tǒng)。風(fēng)冷型空調(diào)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每臺(tái)空調(diào)獨(dú)立循環(huán)、控制，屬于分散式空調(diào)系統(tǒng)；機(jī)房無(wú)需要引入冷凍水，并且易實(shí)現(xiàn)模塊化配置，冗余運(yùn)行，可靠性高，安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單。冷凍水型機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)采用冷源集中制冷的方式，可以運(yùn)行高效率的冷水機(jī)組，制冷效率較高，制冷量大且節(jié)能性好。數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，充分利用自然冷源。阿里云千島湖數(shù)據(jù)中心和谷歌北歐數(shù)據(jù)中心就是充分利用湖水與海水的自然冷源進(jìn)行制冷。

4 數(shù)據(jù)中心的氣流組織

空氣是數(shù)據(jù)中心熱、濕和潔凈的載體。數(shù)據(jù)中心的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷空氣稀釋電子信息設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量。在冷量相同的條件下，機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織是否合理對(duì)機(jī)房環(huán)境的溫濕度均勻性有直接的影響?？照{(diào)房間氣流組織是否合理，不僅直接影響房間的空調(diào)冷卻效果，也影響空調(diào)系統(tǒng)的能耗量，氣流組織設(shè)計(jì)的目的就是合理地組織室內(nèi)空氣的流動(dòng)使室內(nèi)工作區(qū)空氣的溫度、濕度、速度和潔凈度能更好地滿足要求。影響氣流組織的因素有很多，如送風(fēng)口位置及形式，回風(fēng)口位置，房間幾何形狀及室內(nèi)的各種干擾等。數(shù)據(jù)中心主機(jī)房的氣流組織形式有下送上回（見(jiàn)圖1）、上送上回（見(jiàn)圖2）和側(cè)送側(cè)回。

圖1 下送上回

圖2 上送上回

氣流組織選用應(yīng)根據(jù)機(jī)柜設(shè)備的冷卻方式、設(shè)備布置方式、布置密度、設(shè)備散熱量以及層高、面積等建筑條件綜合考慮。合理的氣流組織能減少冷氣流與熱氣流的短路，即由空調(diào)送出的冷氣流沒(méi)有去冷卻設(shè)備就與熱氣流混合而回到空調(diào)，從而提高冷氣流的使用效率。利用送回風(fēng)口、孔板、散流器、輸風(fēng)管等設(shè)施可以更好地進(jìn)行機(jī)房?jī)?nèi)的氣流引導(dǎo)，提高送風(fēng)精確性。

5 冷通道封閉技術(shù)

根據(jù)美國(guó)的TIA-942《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》，“面對(duì)面，背對(duì)背”的方式把機(jī)柜排成排，創(chuàng)造“熱”和“冷”通道?！袄洹蓖ǖ涝跈C(jī)柜的前面?！盁帷蓖ǖ涝跈C(jī)柜的后面。冷通道封閉技術(shù)就是建立冷池的技術(shù)，引導(dǎo)冷池的冷氣流最大限度地流向機(jī)柜正面給服務(wù)器設(shè)備降溫。降溫后冷氣流變成熱氣流從機(jī)柜背面流出，熱氣流再進(jìn)入空調(diào)設(shè)備制冷后循環(huán)使用，如圖3所示。

由于機(jī)房中傳統(tǒng)機(jī)柜排列沒(méi)有對(duì)冷熱氣流進(jìn)行有效遏制措施，從而形成大量的冷熱氣流短路現(xiàn)象、機(jī)柜冷卻不均勻現(xiàn)象，有的機(jī)柜過(guò)渡冷卻，有的機(jī)柜散熱不良，造成空調(diào)冷氣流利用率低、空調(diào)耗電量增加以及空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)等現(xiàn)象，不利于機(jī)房節(jié)能減排。經(jīng)過(guò)相關(guān)測(cè)試，冷通道封閉比傳統(tǒng)技法可節(jié)能達(dá)8%～15%。

冷通道封閉技術(shù)的氣流組織是：由精密空調(diào)送出的冷風(fēng)通過(guò)地板下冷風(fēng)靜壓箱從冷池內(nèi)的通風(fēng)地板送出來(lái)，冷風(fēng)聚集在冷池內(nèi)，只能通過(guò)機(jī)柜正面網(wǎng)孔門進(jìn)入機(jī)柜，一般IT設(shè)備的前面設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，后面設(shè)置風(fēng)扇排風(fēng)口，設(shè)備冷卻后的熱氣流從機(jī)柜背部網(wǎng)孔門排到熱通道，熱通道是開(kāi)放的，熱通道的熱氣流在受空調(diào)頂部回風(fēng)口負(fù)壓吸引下回到空調(diào)回風(fēng)口，經(jīng)過(guò)空調(diào)冷卻后其冷風(fēng)再?gòu)南虏克惋L(fēng)口送入地板靜壓箱，如此完成氣流循環(huán)。

圖3 冷通道封閉

數(shù)據(jù)中心機(jī)柜內(nèi)設(shè)備常常并未占滿整個(gè)機(jī)柜，機(jī)柜內(nèi)設(shè)備之間有不同的間隙，冷通道內(nèi)的冷氣流除了進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器，部分冷氣流也會(huì)從間隙中穿過(guò)機(jī)柜。此外，機(jī)柜背面的熱氣流受設(shè)備進(jìn)風(fēng)口的吸力影響，會(huì)從機(jī)柜間隙倒流至機(jī)柜前面與冷氣流混合重新吸入設(shè)備進(jìn)風(fēng)口。為避免以上兩種降低制冷效率的情況，可以通過(guò)在機(jī)柜間隙安裝盲板阻擋不利氣流流動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，云計(jì)算時(shí)代的數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，設(shè)備密度越來(lái)越高，綠色節(jié)能是時(shí)代發(fā)展的要求。因此，降低數(shù)據(jù)中心的能源消耗和運(yùn)行成本具有重要的作用。本文從數(shù)據(jù)中心的選址、空調(diào)系統(tǒng)的選用、氣流組織形式的選用以及冷通道封閉技術(shù)等方面對(duì)節(jié)能減耗的具體作用進(jìn)行探討，以實(shí)現(xiàn)更加綠色節(jié)能、符合時(shí)代發(fā)展的數(shù)據(jù)中心建設(shè)目標(biāo)。