數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)趨勢展望

韓國斌

上海藍(lán)色帛締智能工程有限公司 天津 300201

數(shù)據(jù)中心是容納用以支持應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施（包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲設(shè)備）的物理場所。隨著信息化步伐加快以及移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)步伐明顯加快。根據(jù)工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案》提供的數(shù)據(jù)，目前全球數(shù)據(jù)中心總量已超過300萬個，耗電量占全球總耗電量的比例為1.1%-1.5%，其高能耗問題已引起各國政府和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。

1 數(shù)據(jù)中心高耗能問題概述

服務(wù)器、交換機(jī)、存儲設(shè)備等電子信息設(shè)備均屬于數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，據(jù)統(tǒng)計我國數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)八年超過12%的速度增長，數(shù)據(jù)中心的高耗能問題已受到了社會各界的廣泛關(guān)注與重視。數(shù)據(jù)中心屬于復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括IT系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)等部分，分析其耗能結(jié)構(gòu)可知，最為關(guān)鍵的耗能主體為制冷系統(tǒng)、IT系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)，應(yīng)重點(diǎn)考慮節(jié)能措施[1]。

2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗情況

評估能耗指標(biāo)。在對于數(shù)據(jù)中心機(jī)房的能耗進(jìn)行評估的時候，一般會選擇使用電能利用率。而電能利用率為機(jī)房與IT設(shè)備的總用電量之比。電能利用率對于中心機(jī)房供電系統(tǒng)、空調(diào)以及散熱系統(tǒng)以及IT設(shè)備各系統(tǒng)的能量消耗進(jìn)行了相應(yīng)的考慮。而其基準(zhǔn)值為2，而當(dāng)數(shù)值越接近1的時候，能效水平會越好。根據(jù)國內(nèi)外的一些知名數(shù)據(jù)中心可知，電能利用率值一般是在1.5-1.7的范圍之中。2）數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗的組成。作為對于運(yùn)營核心數(shù)據(jù)以及關(guān)鍵業(yè)務(wù)進(jìn)行承載的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心機(jī)房，新的業(yè)務(wù)不斷的出現(xiàn)，所需要進(jìn)行處理以及存儲的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何式的增長，需要有更多的系統(tǒng)設(shè)施來進(jìn)行支撐。

3 改善我國數(shù)據(jù)中心機(jī)房中節(jié)能減排的優(yōu)化措施

3.1 采用市電直供供電模式

大部分的數(shù)據(jù)中心都是采用的UPS供電模式來給IT設(shè)備進(jìn)行供電，這種供電模式需要經(jīng)過中壓配電系統(tǒng)-變壓器降壓—低壓配電系統(tǒng)—諧波治理—UPS系統(tǒng)，然后再由UPS系統(tǒng)將源源不斷的電源輸送給IT設(shè)備，電源輸送中經(jīng)過的每個環(huán)節(jié)都會對電能有所耗損，UPS環(huán)節(jié)就是其中耗損最大的環(huán)節(jié)。為了提高電能利用效率，減少不必要的耗損問題，就應(yīng)采用市電直供的供電模式，用這種供電模式替代原來的UPS供電模式。市電直供技術(shù)是對服務(wù)器等IT設(shè)備二次電源冗余配置所具備特點(diǎn)的充分利用，由市電為IT設(shè)備其中的一條線路進(jìn)行直接供電，不需要經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)中心就可以獲得源源不斷的電源。對IT設(shè)備電源的運(yùn)行模式進(jìn)行分析，同時詳細(xì)分析市電直供技術(shù)具有的節(jié)能優(yōu)勢，我們發(fā)現(xiàn)可以將IT設(shè)備電源運(yùn)行模式和市電直供技術(shù)進(jìn)行多種形式組合，最終可以形成多種類型的供電新模式。如，將市電直供和UPS雙路供電系統(tǒng)進(jìn)行組合，或是將市電直供和UPS混合供電系統(tǒng)進(jìn)行組合等。市電直供的供電模式是節(jié)能效果做好的供電模式，而且操作比較簡單，不需要經(jīng)過繁雜的過程?；谑须娭惫┠Ｊ骄哂械木薮髢?yōu)勢，現(xiàn)在很多金融行業(yè)和政府部門都應(yīng)用了市電直供技術(shù)，以此來保證數(shù)據(jù)中心供電的平穩(wěn)性和安全性[2]。

3.2 采用自然冷卻、近端制冷技術(shù)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)機(jī)房對制冷技術(shù)要求相對較低，一般采用下送風(fēng)房間級機(jī)房專用空調(diào)制冷模式，通過建設(shè)封閉冷通道的方法避免冷量損失，利用熱通道高效回收熱量，以保證制冷效果。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心IT技術(shù)也發(fā)生了較大變化，虛擬數(shù)據(jù)的使用提高了數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的集成率，以往房間級機(jī)房專用空調(diào)制冷方式無法滿足高密度、高集成度機(jī)柜的制冷需求，繼而開始應(yīng)用近端制冷技術(shù)。近端冷卻技術(shù)具備較強(qiáng)的節(jié)能與制冷密度，可以有效解決機(jī)房高密度與局部過熱問題，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得到了廣泛采用，主要以列間空調(diào)、水冷冷門背板空調(diào)以及熱管空調(diào)為主。在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇，保證制冷效果。自然冷卻技術(shù)主要利用室外自然環(huán)境的冷源對數(shù)據(jù)中心熱源進(jìn)行熱交換，替代機(jī)械制冷技術(shù)。自然冷卻技術(shù)根據(jù)冷卻介質(zhì)可分為空氣側(cè)自然冷卻與水側(cè)自然冷卻兩種類型，其中空氣側(cè)自然冷卻又包括直接空氣冷卻與間接空氣冷卻兩種情況。直接風(fēng)側(cè)自然冷卻需要通過除濕或加濕設(shè)備及空氣過濾設(shè)備進(jìn)行使用，對空氣質(zhì)量的要求較高；間接風(fēng)側(cè)自然冷卻需要占據(jù)較大的建筑空間，通過間接換熱方式，其對空氣質(zhì)量的要求不高。水側(cè)自然冷卻指的是間接或直接利用自然環(huán)境中的低溫水，可有效冷卻數(shù)據(jù)中心熱源。水側(cè)自然冷卻對空氣環(huán)境的要求較低，需要綜合采用板式換熱器、冷水機(jī)組以及冷卻塔等設(shè)備[3]。

3.3 應(yīng)用液冷技術(shù)

現(xiàn)在的機(jī)架功率和單機(jī)架功率密度都在不斷增長，傳統(tǒng)的服務(wù)器風(fēng)冷散熱方案已經(jīng)不能滿足散熱需要，先進(jìn)的液冷技術(shù)開始在各個數(shù)據(jù)中心進(jìn)行廣泛應(yīng)用。液冷技術(shù)可以將數(shù)據(jù)中心的空氣用液體進(jìn)行替代，在替代過程就可以將各個發(fā)熱器件運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量帶走，如，CPU、擴(kuò)展卡、內(nèi)存條等。冷板式液冷、噴淋式液冷和浸沒式液冷是根據(jù)液冷原理的不同對液冷技術(shù)進(jìn)行的分類，其中冷板式液冷技術(shù)可以不直接接觸冷卻對象就將熱量帶走，該技術(shù)是通過高效熱傳導(dǎo)部件來對熱量進(jìn)行發(fā)散；浸沒式液冷技術(shù)屬于直接冷卻技術(shù)，該技術(shù)使用的冷卻液能夠隔絕元器件產(chǎn)生的電氣，通過和發(fā)熱器件進(jìn)行直接接觸就可以帶走熱量；噴淋式液冷技術(shù)通過改造IT設(shè)備，部署適量的噴淋器件，在設(shè)備運(yùn)行中，可以針對熱量過高的器件進(jìn)行冷卻。液冷技術(shù)具有制冷費(fèi)用低、節(jié)約水資源和機(jī)房空間的優(yōu)勢，因此，有條件的數(shù)據(jù)中心都開始應(yīng)用液冷技術(shù)進(jìn)行降溫。

應(yīng)用液冷技術(shù)進(jìn)行降溫，不再需要配置風(fēng)扇、空調(diào)末端和冷凍機(jī)組，也不需要安裝架空地板和冷熱通道設(shè)施，和傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，液冷技術(shù)不需要占據(jù)很大的機(jī)房空間，可以將節(jié)省的機(jī)房空間用來布置更多的IT設(shè)備，從而提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益。此外，液冷技術(shù)突破了氣候條件和地域的限制，可以在全國任何地區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，即使是華南、華北等溫度高的地區(qū)也可以應(yīng)用液冷技術(shù)進(jìn)行冷卻，最終促使數(shù)據(jù)中心的制冷消耗實(shí)現(xiàn)大幅度降低。

3.4 IT設(shè)備系統(tǒng)

①選擇“節(jié)能”的產(chǎn)品。為保障IT設(shè)備的安全，可以進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)行的基礎(chǔ)上，需要選擇使用更加節(jié)能的CPU，以及更為優(yōu)化的供電技術(shù)，以此來獲得更佳的節(jié)能以及降耗的效果。②提高IT設(shè)備的能效比.。所謂的IT設(shè)備能效比，就是指IT設(shè)備每一秒進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的流量，和IT設(shè)備的功耗的比。而IT設(shè)備的能效比較高，則代表著IT設(shè)備每一次消耗1W的功耗，所可以進(jìn)行處理、儲存以及交換的數(shù)據(jù)量更多。③提高IT設(shè)備對于工作溫度以及適度的適應(yīng)范圍。IT設(shè)備對工作環(huán)境的溫度以及濕度都會有比較高的要求，所以如果選擇的IT設(shè)備對于溫度以及環(huán)境都比較敏感的情況下，便會需要耗費(fèi)較大的人力以及物力，對于制冷系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。據(jù)不完全統(tǒng)計，在運(yùn)行的狀況條件不變的情況下，一旦空調(diào)溫度升高1℃的時候，運(yùn)行的效率便會提高3%。

3.5 空間節(jié)能措施

①按時清理機(jī)房由于機(jī)房長時間不間斷的使用，會有大量塵埃堆積在靜電地板底層，假如未加以立刻清理，則有可能被風(fēng)吹入IT設(shè)備內(nèi)部，導(dǎo)致其發(fā)生故障，比如，灰塵會使IT設(shè)備的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動速度變慢，使其耗能大幅增加等。所以需要對機(jī)房按時加以清理，確保干凈整潔，這樣不僅美觀，也能間接的起到節(jié)約電能的作用。2.5.2按時檢查機(jī)房各系統(tǒng)的負(fù)荷量由于機(jī)房設(shè)備規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，假如未在第一時間添加適量的供配電與制冷設(shè)備，如果制冷與供電容量達(dá)到警戒線，將使機(jī)房整體效率受到影響。所以一定要確保機(jī)房內(nèi)IT設(shè)備用電量和散熱量處于系統(tǒng)的可控區(qū)間內(nèi)，避免因負(fù)荷過大發(fā)生意外事故。利用擋板隔離閑置機(jī)柜為了使IT設(shè)備不會出現(xiàn)局部過熱的情況，越來越多的機(jī)房在布局時，對機(jī)柜的布局特意留出一定的空間，以此促進(jìn)機(jī)柜散熱。故而，假如有閑置機(jī)柜，最好使用擋板加以隔離。

4 結(jié)語

隨著數(shù)據(jù)中心機(jī)柜功率密度的不斷增加，其耗能量也開始逐漸飆升，市電直供、自然冷卻以及近端制冷等技術(shù)得以快速發(fā)展，并在數(shù)據(jù)中心內(nèi)得到了廣泛采用。其中液冷技術(shù)代表了數(shù)據(jù)中心制冷領(lǐng)域的最終發(fā)展方向，可以在結(jié)合用戶需求與不同業(yè)務(wù)場景的基礎(chǔ)上，達(dá)到目標(biāo)要求，并有效降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本，為企業(yè)贏得更大的經(jīng)濟(jì)效益。