IDC機房節(jié)能技術研究分析

劉劍楠

近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，IDC（也稱互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）機房的建設規(guī)模不斷擴大，其所需消耗的電能也越來越多，因此，如何實現(xiàn)IDC機房的節(jié)能減排，成為多方關注的焦點話題。因此，在確保系統(tǒng)設備正常運行情況下，提高電能的利用率，解決消除機房過熱問題成為IDC機房日后發(fā)展過程中需要解決的一個重要問題。本文通過實際工作經(jīng)驗，著重就IDC機房節(jié)能減排技術的應用進行探討。

一、IDC機房能耗現(xiàn)狀及原因分析

（一） IDC機房能耗現(xiàn)狀

IDC機房能耗計算參考值PUE，PUE值作為衡量數(shù)據(jù)中心電能使用效率的常用指標，主要是指數(shù)據(jù)中心所消耗全電能消耗量與負載消耗量的比值，通過計算發(fā)現(xiàn)，當PUE值接近1時，數(shù)據(jù)中心節(jié)能水平較高。目前來說， IDC機房的PUE值一般在1.6-1.9范圍內(nèi)。近年來，隨著我國移動通信業(yè)務客戶量的持續(xù)攀升，IDC機房電能消耗不斷增加，一些大型互聯(lián)網(wǎng)公司開展節(jié)能型IDC機房工作，采取了產(chǎn)品能耗優(yōu)化，配備節(jié)能服務器等各種節(jié)能措施。目前這些企業(yè)雖然在IDC機房節(jié)能建設方面取得了一定成效，但從總體上來看，IDC機房仍存在能耗問題，其節(jié)能空間較大。

（二）IDC機房能耗原因分析

根據(jù)IDC機房PUE值的偏高原因分析，主要包括以下幾個方面。（1）機房設備能耗偏高。IDC機房設備普遍存在容量低、能耗高的現(xiàn)狀。（2）空調(diào)制冷系統(tǒng)利用率普遍不高，加上機房空調(diào)設備采用分期策略，從而導致空調(diào)設備出現(xiàn)空置。另外，在大型水冷空調(diào)系統(tǒng)未能得到廣泛應用，覆蓋率較低。（3）供電系統(tǒng)布局不合理，不能得到優(yōu)化。例如，IDC機房部分供電設備（如變壓器）負載率偏低，供電線路存在冗余現(xiàn)象。另外，機房配置UPS（不間斷供電系統(tǒng)），此系統(tǒng)在機房運營初期，電能損量較大，占整個IDC機房能耗損量的20%左右。

二、IDC機房節(jié)能減排技術

要降低機房的PUE值，需要從空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、供配電子系統(tǒng)節(jié)能、照明系統(tǒng)的節(jié)能等幾個方面著手。

（一）空調(diào)系統(tǒng)本身的節(jié)能

先談談空調(diào)系統(tǒng)本身的能耗有四部分組成：系統(tǒng)方面的能耗、熱交換方面的能耗、動力方面的能耗、介質(zhì)輸送方面的能耗，對于這四方面能耗的控制和解決方案：

1.針對系統(tǒng)方面的能耗

準確計算制冷量，在空調(diào)制冷量計算過程中，確保制冷量計算的準確性，可避免制冷過度現(xiàn)象的發(fā)生，降低空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。然而，在制冷量計算時，還要考慮到IDC機房的迅速增長，在方案設計時要預留空調(diào)放置空間、管線位置等，確保隨時能夠增加制冷量。設計階段選用空調(diào)制冷量匹配的主機， 為避免不必要的浪費，建議不使用一臺大制冷量的空調(diào)， 以避免大機組在部分負荷的低效率下運行。而選用多臺合適制冷量的緊密空調(diào)，運行時要注意根據(jù)實際空調(diào)機組的負荷變化及時變換空調(diào)機的運行參數(shù)和運行模式，使運行模式與環(huán)境現(xiàn)狀保持一致，達到運行狀態(tài)最佳。

2.針對熱交換方面的能耗

熱交換器（冷凝器和蒸發(fā)器）在常年連續(xù)的使用過程中會有灰塵和污垢結在熱交換器的表面，增加了阻力降低了熱交換效率，也會造成較大的浪費；對于熱交換器應該進行定期清潔和維護，尤其是對于室外冷凝器的定期清潔和維護更為重要。

3.針對動力方面的能耗

壓縮機電機、風機電機等能耗， 是系統(tǒng)維持運行的能耗， 按照目前的技術條件完全可以采用變頻控制，使主機“按需”運行，避免出現(xiàn)大馬拉小車現(xiàn)象。較大的系統(tǒng)，應采用多個設備搭配統(tǒng)籌運行， 這樣可以避免比較大的系統(tǒng)在低負荷時的低效率運行。

4.針對介質(zhì)輸送方面的能耗

空調(diào)的冷媒管對冷熱的輸送， 管路系統(tǒng)應做好全面嚴密的保溫， 這一點是非常關鍵的?？照{(diào)系統(tǒng)在長時間運行以后， 對管路系統(tǒng)的保溫層需要進行檢查、檢修和補損，確保保溫系統(tǒng)有效， 減少管路系統(tǒng)的熱量損耗，同時過濾網(wǎng)部位的清潔也十分關鍵，定期清潔不但可以減少阻力損失，還能減少細菌、灰塵對室內(nèi)空氣的污染，間接地減少空調(diào)機能耗，提高空氣質(zhì)量。

（二）新風系統(tǒng)的節(jié)能

空調(diào)機本身的能耗無疑是整個空調(diào)系統(tǒng)最大的，通過調(diào)節(jié)運行參數(shù)和運行模式可以有效的減少耗能。而另外一種節(jié)能的方式是依靠新風系統(tǒng)，根據(jù)以往經(jīng)驗分析，合理選擇新風處理設備以及合理運行是減小能耗的關鍵，新風系統(tǒng)是指從自然界中獲取溫度比機房內(nèi)溫度低的空氣，不需要壓縮機制冷耗電的情況下，給機房降溫的系統(tǒng)。運行中的新風引入首先應該注意的是新風的所在地的空氣質(zhì)量要有所保證，空氣質(zhì)量需要達標，其次新風的引入口與室內(nèi)之間的距離不宜過長，以免新風在到達室內(nèi)的過程中再次受到二次污染，再次選擇空氣過濾網(wǎng)時，應選殺菌性能好，吸附能力強的過濾網(wǎng)，可以有效殺滅有害細菌，清除大部分空氣中的灰塵顆粒等，還需著重注意的是過濾網(wǎng)要及時清洗更換，保證風口暢通清潔。

（三）變頻空調(diào)的節(jié)能

變頻空調(diào)的節(jié)能優(yōu)勢不言而喻，相對于定頻空調(diào)而言，變頻能夠在能源節(jié)約上體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。其內(nèi)部裝設有變頻控制器，通過對壓縮機轉動速度的調(diào)節(jié)以及對制冷量的連續(xù)性調(diào)節(jié)，具備溫度曲線平穩(wěn)、噪音小、節(jié)約能耗的效果。變頻空調(diào)加快空調(diào)的制冷速度，利用變頻技術可在每次啟動過程中在功率上處于最大額度，此時風量最大，在短時間內(nèi)便可達到設定溫度。達到預計溫度時，壓縮機轉速會自動下降，并維持低能耗狀態(tài)。這樣不僅可以在更短時間內(nèi)達到設定溫度的要求，還能在維持設定溫度前提下避免壓縮機頻繁開停，對于壓縮機的耗電量可明顯控制并延長壓縮機壽命，據(jù)統(tǒng)計可讓壓縮機節(jié)約能耗20%左右，在相關技術上可分為以下幾種，①稀土永磁電機。這類電機的轉子為稀土永磁，能夠幫助壓縮機在較寬幅度的頻率及電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率運轉，達到節(jié)能效果。②模糊控制技術。這一技術可幫助變頻空調(diào)自動感知室外溫度變化并加以調(diào)節(jié)，讓室內(nèi)溫度始終維持在設定溫度左右。③超寬變頻。超寬變頻通過微電腦技術控制，可在短時間內(nèi)測量出環(huán)境變化，并精確判斷溫度改變，讓室內(nèi)溫度維持在設定溫度恒定狀態(tài)。

（四）優(yōu)化氣流組織的節(jié)能

利用氣流組織形式，實現(xiàn)空調(diào)節(jié)能。精密空調(diào)制冷的氣流組織包括空調(diào)布置、送風口和回風口設置、送回風方式等。其中，水平送風作為送風口設置的一種新的解決方案，能夠有效地解決IDC機房設備密度或發(fā)熱量不勻而引發(fā)的局部熱點問題。因設備局部的溫度較高，若采用均勻的送風方式，需要降低機房的溫度，導致設備能耗的增加，而采用水平送風方式，可以將空調(diào)內(nèi)機與過熱的機柜組相互結合，并封閉部分柜組，這樣能夠大幅度地降低能耗，有效地解決局部熱點問題，實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排。

（五）供配電子系統(tǒng)的節(jié)能

1.優(yōu)化UPS配置

UPS的效率與負載率有關，如對于高效率的高頻機要確保UPS的效率超過90%，需要確保其負載率在50%以上。如果高頻機負載率在40%以下，將會大大降低UPS的效率，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，UPS機房在發(fā)展過程中的單機負載率很低，一般不會超過30%。因此，為了避免UPS負載率過低，需要選用具有擴展性的模塊化UPS，結合實際情況來進行負載配置。隨著IT設備的增加，為了提高UPS的最大負載，需要增加模塊數(shù)量，使UPS負載率控制在50%～60%。

2.減少UPS電池容量

大部分IDC機房配備了長時間的電池容量，以防止停電時能夠及時為IDC機房供電。然而，由于大容量電池充放電時間過長，將會產(chǎn)生大量的能耗。對于大型IDC機房來說，當柴油發(fā)電機系統(tǒng)停電后再啟動，共切換時間只有幾分鐘，因此UPS的電池容量只需要30分鐘用于柴油發(fā)電機的切換。

（六）照明系統(tǒng)的節(jié)能

在數(shù)據(jù)中心機房照明系統(tǒng)節(jié)能方面，應從以下幾個方面入手。

在數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)節(jié)能設計時，要嚴格按照國家規(guī)定的標準進行設計。盡可能避免照度過亮或不勻現(xiàn)象的出現(xiàn)，選擇節(jié)能型的光源和燈具。設計高效、靈活的照明控制系統(tǒng)，對于不工作區(qū)域的照明，設計自動關閉控制功能。在遠程可實現(xiàn)IDC機房設備操作、環(huán)境監(jiān)控等，減少工作人員進入機房操作次數(shù)，降低機房照明能耗。

三、IDC機房節(jié)能減排的新思路

近年來，隨著我國IDC機房節(jié)能技術及措施的應用，在IDC機房節(jié)能減排方面，出現(xiàn)新的設計思路。

（一）一體化機房

一體化機房主要以先進的設計理念，標準化的設計程序和系統(tǒng)配置來實現(xiàn)標準化的工作模式。這種理念是集裝箱數(shù)據(jù)中心和一體化機柜以及所有子系統(tǒng)在一個狹小的空間，只需供電就可以穩(wěn)定運行。但它具有一定的封閉性，且設備密度較高，從而導致PUE水平較低。某廠商在一體化機房實際應用當中，通過利用這門技術將PUE值降至1.18。目前，集裝箱數(shù)據(jù)中心和一體化機柜在各領域中得到廣泛的應用。

（二）高壓直流供配電

1.供電可靠性大大提高

采用直流供電的最大優(yōu)點在于提高了供電的可靠性。這可以從三個方面體現(xiàn)：一是采用直流供電，蓄電池可以作為電源直接并聯(lián)在負載端，當停電時，蓄電池的電能可以直接供給負載，確保供電的不間斷。二是直流供電只有電壓幅值一個參數(shù)，各個直流模塊之間不存在相位、相序、頻率需同步的問題，系統(tǒng)結構簡單很多，可靠性將大大提高。三是雖然交流UPS系統(tǒng)可以提高冗余度來提高安全系數(shù)，但是由于涉及到同步的問題，每個模塊之間必須相互通信來保持同步，所以還是存在并機板的單點故障問題。而直流模塊沒有這些問題，即使脫離控制模塊，只要保持輸出電壓穩(wěn)定，也能并聯(lián)輸出電能。

2.工作效率提高

和交流UPS系統(tǒng)相比，直流供電省掉了逆變環(huán)節(jié)，一般逆變的損耗在5%左右，因此電源的效率提高了。其次，由于服務器輸入的是直流電，也就不存在功率因數(shù)及諧波的問題，降低了線損。再次，由于并機技術簡單了，可以采用大量的模塊并聯(lián)，使每個模塊的使用率可達到70%～80%，比交流UPS系統(tǒng)提高了很多。

3.系統(tǒng)可維護性增強

現(xiàn)在的交流UPS系統(tǒng)，涉及復雜的同步并機技術，整機的維護也只能依靠廠家。即使出現(xiàn)緊急情況時，我們的維護人員也只能等待廠家技術人員來解決，這些先天不足對安全供電存在較大的隱患。而采用直流供電，就如現(xiàn)在一直使用的 48V直流系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)由模塊組成，雖然電壓增高了，但只要做好安全防護措施，維護人員還是可以自己進行維護的，比如更換模塊等。

4.擴容便捷

由于采用模塊化結構，現(xiàn)在一個模塊的容量一般在10kW左右，只要預留好機架位置，擴容是非常方便的。同時在建設的時候，可以根據(jù)服務器的數(shù)量逐漸增加模塊數(shù)，使每個模塊的負載率能盡量提高。這對于節(jié)能也是非常有好處的。

5.不存在"零地"電壓等不明問題的干擾

因為是直流輸入不存在零線，因此，也就不存在"零地"電壓，避免了一些不明故障，維護部門也無需再費時費力去解決"零地"電壓的問題。

四.結語

綜上所述，在IDC機房節(jié)能建設過程中，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)機房運行節(jié)能，我們需要結合實際情況，合理地選擇不同技術、設備，并根據(jù)實際需求，選用最優(yōu)化的節(jié)能方案。本文結合工作實踐，針對IDC機房節(jié)能減排技術的應用進行了分析，旨在為IDC機房設備的節(jié)能建設提供依據(jù)。

作者單位：沈陽電信工程局（有限公司）