PDF《数据中心机房节能简析》

数据中心机房节能简析 贾骏 吕捷 王众彪 工业和信息化部电信研究院 邮电工业产品质量监督检验中心 摘要: 本文阐述了数据中心机房的主要能耗分布情况, 并从数据设备、 电源系统、 空调系统、 机房气流组织几个方面介绍了机房降耗的主要方式.

关键词:数据中心 UPS 气流组织

1、数据中心机房概述 数据中心是为集中式收集、 存储、 处理和发送数据的设备提供运行维护的设施以及相关 的服务体系.数据中心提供的主要业务包括主机托管、资源出租、系统维护、管理服务,以 及其他支撑、运行服务等. 本文所提到的数据中心机房, 是指承载数据中心业务的基础设施, 一般由核心业务机房、 UPS 机房、电池室、空调机房、柴油发电机房等构成. 我国数据中心市场发展迅速,根据赛迪顾问年度报告,2010 年中国 IDC 市场规模达到 102.2 亿元.我国

2005 年以来数据中心市场发展的趋势如图

1 所示. 图1我国 IDC 市场发展趋势

2、数据中心机房能耗分布

2010 年我国数据中心资源投入占总投入将近 30%,维护成本占总投入近 15%.[1]2010 年我国数据中心运营成本分布如图

2 所示. 图22010 年中国 IDC 公司最高运营成本分析 数据中心机房能耗主要分为服务器/网络设备能耗、制冷能耗、供电系统能耗、照明和 其他能耗.根据 EYP Mission Critical Facilities 所提供的数据,50%的数据中心用电量是被服 务器/网络设备所消耗.制冷系统是数据中心内第二大能耗系统,其耗电量占数据中心总耗 电量的 37%.供电系统占 10%,照明和其他占 3%.[2]

3、数据设备降耗 数据设备是承载数据中心的业务核心设备, 同时也是耗电量所占比例最大的设备. 根据 亚马逊 JamesHamilton 的研究,数据中心服务器硬件所消耗的电力的费用约占 57%.针对不 同规模的数据中心,该费用比例是不同的.2010 年我国数据中心规模分布如图

3 所示. 图32010 年中国 IDC 公司的机房服务器数量 服务器是数据中心最为常见的设备. 使用高效低能耗的服务器是数据设备降耗的关键所 在.Standard Performance Evaluation Corporation(SPEC) 是一个全球性的、权威的第三方应 用性能测试组织,它制定了一系列的规范来评定服务器应用性能.可以根据 SPEC 的测试值 评定服务器的效能/能耗,以此作为选购服务器的参考.另一个评定标准是能源之星的服务 器标准,符合能源之星标准的服务器要比旧式服务器多出 30%的能源效率. 对于网络设备,可以使用 TEEER 值以及 ECR/EER 性能能耗比评估法进行节能分析.

4、电源系统降耗 电源系统能耗约占数据中心总能耗的 10%. 对数据中心而言, 电源能耗主要集中在 UPS 的能量消耗. UPS 的电源转换效率与负载率相关.传统 UPS 的电源转换效率随着负载率的增加而提 高,在输出负载满载的情况下达到最大的电源转换效率.当负载率较低时,UPS 会工作在 低效率区域.因此 UPS 的使用要考虑与用电负载匹配的因素,可以选择转换效率-负载率曲 线比较平直的高效 UPS 系统,当负载率比较低时,UPS 也能够输出较高的转换效率. UPS 的输入谐波、输入功率因数等性能参数同样对数据中心的节能具有一定影响.谐 波电流导致变压器的铜损和杂散损耗的增加, 谐波电压导致变压器的铁损增加. 谐波的存在 使得变压器温升增加, 并且导致变压器的带载能力下降. 严重的谐波分量会造成柴油发电机 停机,这对数据中心来说是不允许出现的.因此对谐波的治理不仅仅是从节能角度出发,更 应该从数据中心稳定运行的要求进行考虑. 以工频

6 脉冲为代表的传统交流 UPS 系统在目前供电系统运行中存在的以下问题: 1)系统可靠性 系统复杂、存在单点故障、维护难度大. 2)系统电流谐波干扰 系统中存在两个谐波源,对电网和系统本身易形成干扰,需要增加滤波设备,降低输入 功率因和能源利用率,对地线系统要求较高. 3)系统成本和能源消耗 能量两次转换降低了效率,系统复杂性提高了购置成本和运行成本. 4)系统的灵活性、可扩展性受限 以计划容量一次性投入、难以变更和扩展,缩短了生命周期. 5)系统维护 要求较高的维护水平,故障维修困难. 在以上各种问题中,可靠性和可用性不高是传统 UPS 供电系统结构所固有的问题,为 了提高供电的可靠性和可用性,使得系统不断复杂化,设备堆积、结构臃肿、效率难以再有 效提高, 也会造成投资成本不断攀升,而最后系统可靠性也很难有效地提高. 近几年来,对传统交流输出 UPS 进行直流化改造的问题得到了普遍地重视,国内外通 信运营商、众多知名电源设备厂商、研发团体、专家都针对直流供电系统(直流 UPS)的 可靠性、安全性,兼容性等问题提出了对交流输出 UPS 进行直流化改革的观点和意见.在 国内中国电信大胆地开展了高压直流供电系统运行试验和应用尝试, 并取得了阶段性成功经 验.通信行业标准《通信用 240V 高压直流供电系统》目前已处于报批阶段.

5、空调系统降耗 伴随着数据设备的大量能耗,还带来散热方面的难题.机房制冷的能耗非常大,由于服 务器对高温非常敏感, 因此机房必须配置大量的制冷设备. 而制冷系统耗电量占数据中心总 耗电量的 37%. 数据中心制冷系统的主要节能途径包括制热负荷计算、 送回风方式、 空调设备能效比等 方式,以及自然冷却等新型节能方式. 数据中心热负荷包括数据中心机房内设备的散热、建筑围护结构的传热、太阳辐射热、 人体散热散湿、照明设备散热等.因此需要对制冷系统的参数进行合理的设置,才能在保证 数据中心安全运行的前提下降低制冷能耗. 对空调设备回风温度值的设置, 要符合机房内设 备对环境温度要求的最低要求, 要绝对避免因为机房温度的累计提高而导致的设备使用寿命 的缩短. 数据中心应采用机房密闭护围、大空间、少隔断、适宜的空间容积、人机区域分离、区 域集中监控等措施. 根据数据中心所在外部环境, 以及数据中心内各功能区域相邻布局的内 部环境,合理计算保温隔热的热工参数,选择适宜的围护结构与材料.使用传热系数值小的 绝热材料,减少围护结构四周的传热系数,达到较好的保温节能效果.对数据中心的核心业 务机房,应当采用无窗密闭护围,减少进入室内的热辐射及热传导,这也是降低空调能耗的 主要措施之一. 对空调设备的选择应考虑高能效比的空调设备.根据 GB/T19413-2010《计算机和数据 处理机房用单元式空气调节机》中的要求,规定了空调设备最低能效比的要求,并且提出了 全年综合能效比指标参数要求.在空调设备的使用中,尽量采用空调群控功能,避免多台空 调由于工作在不同的状态造成的能源浪费. 在合适的地区可以使用自然冷源对空调系统进行补充. 例如, 利用冬季气温较低的气候 条件,通过盘管换热器为机房提供冷源,节省空调机组的用电量;

将冬季室外冷空气经过处 理后直接用于 IT 设备冷却,在冬季较寒冷地区具有较好的节能效果.需要加以注意的是, 利用室外冷空气直接冷却的方式,要对数据机房的湿度及空气洁净度加以控制.

6、数据中心机房气流组织 数据中心机房内设备的散热是显热, 机房的气流组织就是将制冷设备产生的显热制冷量 送到设备的进风口,与设备散出的热量交换能量之后,将热空气带回制冷设备的回风口. 应避免冷、热空气相混.根据冷热空气密度不同的特点,采用下送风方式可以提高气流 效率. 下送风方式是将低温冷空气直接从架空地板下送到机房或者机架内, 与机架内空气交 换热量后,热空气从机房顶部回风.如果机房采用下送风方式,建议同时采用机架上走线的 布线方式.下送风方式示例如图

4 所示. 图4下送风示意图 机房大环境的气流组织必须以安全为前提, 机房环境应满足相应的温湿度指标, 并且消 除机房中冷热不均的现象,形成冷热气流通道相互隔离的布局.[3]

7、数据中心的评估 7.1 TIA-EIA-942 TIA/EIA-942《数据中心通信基础设施标准》中提供了数据中心可用性等级的规范,这 个等级划分系统是由 Uptime Institute 推广的.1 级可靠性没有冗余,4 级则提供了最高等级 的故障容错率........