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如何践行数据中心的绿色与节能?

Released on:2015-02-25 13:13

网络演进和数据业务的快速发展带动数据产业的快速发展,使数据中心的规模越来越大,消耗的电能也越来越来多。数据中心用电负荷的几何级数增长,远远 超过供电容量的增长,用电问题已成为制约数据业务发展的瓶颈。据统计,用电成本约占数据中心整体运行成本的60%以上。巨大的用电容量给数据中心的发展和 运营带来了巨大的压力,以“绿色、环保、节能、高效”为理念的绿色数据中心已作为下一代数据中心建设的主要发展方向。

本文从数据中心的能耗结构分析出发,从IT设备、空调系统、供配电系统和照明系统等四个能耗主要构成方面,提出了绿色数据中心的节能解决方案和措施,为如何建设绿色数据中心提供了建议。

数据中心的能耗构成

根据国内外各大权威机构对数据中心能耗结构与组成的调查分析可知,一个典型的数据中心,其能耗主要由四大块组成:

第一大块是占数据中心总能耗约50%的IT设备系统,包括服务器设备、存储设备和网络通信设备等。其中,服务器设备所占总功耗约40%,存储设备和网络通信设备约占总功耗的10%。

第二大块是占数据中心总能耗约37%的空调系统。其中,空调制冷系统约占总功耗的25%,空调送,回风系统约占总功耗的12%.

第三大块是占数据中心总能耗约10%的UPS供配电系统。其中,UPS供电系统约占总功耗的7%,UPS输入供电系统约占总功耗的3%。

数据中心总功耗剩余的3%属于辅助照明系统。要降低数据中心能耗,实现绿色节能减排,最重要的就是降低IT设备的能耗,空调系统、供配电系统和辅助照明系统同样也是不可忽视的因素。

从上述分析可知,绿色数据中心的节能设计,在满足业务需要和安全运行的前提下,应集中在IT设备、空调系统节能、电源系统和照明系统节能等四个方面进行节能措施和思路的探索。

IT设备节能

IT设备作为数据中心的第一能耗大户,选用低能耗的IT设备是数据中心最重要的节能手段。针对IT设备选用,节能措施主要从设备选型、使用、部署和维护三个方面考虑.

(1)在设备选型上,首先应结合数据中心的建设标准,根据实际需求购置、扩容设备,宜选择扩展性强的设备,对工作环境温、湿度要求相对宽松的设备,避免超 前使用过高档次或高配置的设备。其次,在同等性能条件下,设备选型时应优先选择散热能力强、体积小、重轻、噪音低和易于标准机架安装等的设备。

在技术选择上,推荐选择运用低功耗核CPU处理器、虚拟化运算技术、刀片式架构,高效电源、动态制冷、电源智能管理功能及“动态休眠”等技术的设备。设备 应能根据系统运行要求及负载状态动态调整系统各组件(CPU、硬盘、外设等)的工作及休眠状态,支持任务队列的同步智能调度,实现理想的降耗效果。建议设 备整体休眠节能效果最低应达到20%,具有国际/国家/行业节能等级认证的设备为优。

(2)设备使用,在满足数据中心业务安全性的前提下,应尽量提高IT设备的利用率,节省运行设备数量。

根据数据中心规模,合理配置维护终端、网管服务器和KVM设备等的数量;

统筹考虑数据中心内的各类计算、存储和网络资源,采用松耦合架构配置各类资源,实现资源的共享和灵活调度,可根据资源消耗比例灵活增加或减少某类资源的配置,使得资源配置优化,真正做到按需最优配置.

在技术成熟的条件下,适时运用虚拟化和集群技术。

(3)设备部署与维护,为达到良好的IT设备节能降耗效果,建议设备部署与维护中遵循如下原则:

机架设备的部署应满足机房整体布局及冷热分区的要求,各机架用电量应与机房相应区域的制冷量相适应,设备的进排风方向应与机房气流组织的要求一致;

合理规划设备部署,各机架的用电量应尽量均匀,避免出现局部热岛;同机架内尽量部署物理尺寸、用电量及进排风能力接近的设备,单机架耗电量建 议不超过机房设计的机架平均用电量;当机架用电量差别很大且难以调整时,应将机房制冷能力及制冷量的分布相结合统一考虑不同功耗的机架位置。

机架宜按规划设计能力饱满使用,若机架无法一次装满,宜从距离送风口较近的空间开始安装设备,设备之间的空隙位置应安装挡风板,防止冷热风短路。

机房空调系统节能

数据中心机房内主要部署的是服务器、存储设备、交换机、路由器等对环境温湿度,洁净度要求较高的精密设备,对机房环境有严格要求,因此需采用 机房精密空调系统。在机房专用空调系统的选择上,应根据数据中心建设标准、建设规模、建筑条件、机房设备的使用特点、所在地区气象条件等,结合当地能源结 构、价格政策和环保规定等因素,通过技术经济比较后确定。

(1)空调设备选型和配置原则

空调系统设计应根据当地气候条件采用节能措施,如大型数据中心机房宜采用水冷冷水机组空调系统;北方地区采用水冷冷水机组的机房,冬季可利用室外冷却塔作为冷源,并应通过热交换器对空调冷冻水进行降温。

数据中心的机房专用空调制冷设备,按冷源的供给方式可分为单元式空调制冷设备和中央冷源空调制冷设备,空调设备在名义制冷工况和规定条件下,其能效比应不低于《公共建筑节能设计标准》GB50189中的规定,并以数值越高越好。

在对空调设备进行选型过程中,机房的热负荷是重要参数之一。根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174,数据中心机房的空调设备额定制 冷量的计算,需综合考虑机房内设备的发热量、建筑维护结构热负荷、通过外窗进入的太阳辐射热、照明负荷,补充的新风负荷和维护人员的散热负荷等,并在确定 的最大热负荷量的基础上留有15%到20%的余量。

在空调设备数量的配置上,宜每4~5台配置1台备用空调,并在每个机房至少配备1台备用空调。

针对采用冷冻水空调的机房,可采用高温冷冻水设计。在同样温差条件下,蒸发温度每升高1℃,能效比可以提高2~3%.同样,提高蒸发温度还有利于利用自然冷源,对于同一个地区来说,蒸发温度越高,每年可利用自然冷源进行自然冷却的时间就越长.

合理设计空调设备的回风温度。目前很多数据中心机房都将环境温度设定为23℃±1℃,而IT设备发展到现在,几乎所有服务器设备的报警温度都是32℃,按照这个数据,可将空调回风温度设置为28~29℃,缩短压缩机运行时间从而起到节能左右。

采用新技术,有效充分利用自然冷源的制冷能力。

(2)机房内气流组织优化

根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174和《数据中心电信基础设施标准》TIA-942,数据中心机房机架排列宜采用“面对面、背靠背”布置,形成“冷”和“热”通道。

机房空调宜采用下送风,上回风方式,架空地板下不应布放各类线缆以免影响送风效果;合理规划架空地板高度,确定地板下送风断面风速控制在1.5~2.5m/s,架空地板高度不宜小于400mm.

机架距离空调设备的距离应大于 1200毫米,避免出现回风短路的情况;当空调设备送风距离大于15米时,需在机房布置空调设备,从机房两侧送风。

在特殊情况下,必需采用上送风、下(侧)回风方式时,应采用风管送风方式,风管、送(回)风口的尺寸根据机房总热负荷计算确定。

供配电系统节能

数据中心供配电系统用于提供满足设备使用的电压和电流,并保证供电的安全性和可靠性。供配电系统通常由高低压配电系统,变压器、UPS系统、蓄电池系统、监控管理系统等系统组成,一个数据中心的供配电系统通常包括上百台、甚至上千台设备。

供配电系统作为数据中心的第三耗能大户,在规划设计时应根据系统负荷容量、用电设备特点、供电线路距离及分布等因素,从设计、运行和管理等方面采用各种先 进可行的节能技术、方法和措施,如采用新型供电技术提高电源转换效率,优化设计减少线路损耗,无功补偿及谐波治理等等。

(1)供电设备选型

对供电设备进行选型时,建议选用新型节能设备或技术减少设备自身能耗,提供系统整体节能效果。

例如,针对变压器,宜选用干式变压器,或者是空载损耗比更低的非晶合金干式变压器。针对UPS设备,在相同额定容量时,可选用高转换效率的高 频UPS(包括模块化UPS)等.在满足IT设备安全可靠运行的条件下,还可以在选用高频直流供电系统对IT设备进行供电,该方式由于省去了逆变环节,能 耗降低,效率相对于传统塔式UPS大幅提高,模块化的整块模块也更易于维护。

在新型节能技术方面,宜选用具备“动态休眠”技术的UPS产品设备,该技术可在系统负载较低的情况下,与动力监控系统相结合自动根据当前总负载的大小计算出需工作的整流模块或UPS数量,实现对UPS系统的整体效率提升,减少能源在低负载下的浪费.

(2)合理进行设备配置

通常来说,数据中心的负载是分步增长的。在项目初期,机房设备的负载率一般都较低,导致系统各环节的效率常常低于设计效率。因此,在规划设计数据中心时, 应首先对数据中心的近远期发展情况进行详细规划或准确预测,按实际需求逐批次建设供配电系统,使设备的实际负载率接近或达到产品设计的最佳负载率,利用率 和使用效率达到最优,提高设备技术经济效益,减少设备自身能耗。

(3)合理设计布线路由

首先,要按终期负荷合理计算并选择电缆电线的截面。对于距离较长的供电线路,在满足敷设条件、载流量、电压降、热稳定及保护配合的条件下,可适当增大电缆电线的横截面积以降低线路损耗。

其次,在布放线缆时,应对线缆路由进行合理规划和设计,尽量选择最短路径减少线缆长度,减少不必要的浪费.

此外,还可在数据中心布局规划时,合理布置电源机房,使电源设备尽可能地靠近负载,减少长距离供电而造成的线路损耗。

(4)无功补偿及谐波治理

通过合理选择无功补偿方式、补偿点及补偿容量,能有效地稳定系统的电压水平,提高设备运行功率因素,降低线路运行电流.在建设供配电系统时, 应采用并联电容器装置补偿无功,其容量和分组应按照就地补偿及不发生谐振的原则进行配置,补偿后供电系统的负荷功率因素应满足当地供电部门的要求,没有无 明确要求时,功率因素值不宜低于0.9.

此外,交流供电系统内电流总谐波畸变率(THDi)大于10%时,应根据系统及负荷情况进行谐波治理,通过经济技术比较,合理配置滤波器。

照明系统节能

对数据中心照明系统进行节能降耗,根据建筑布局和照明场所,在满足国标规定的场所照度和照明功率密度的前提下,合理布置光源、选择照明方式、光源类型是降损节能的最有效方法。具体措施有:

(1)机房内选用T8或T5系列三基色直管荧光灯、LED等高效节能光源作为主要的光源,以电子镇流器取代电感镇流器,应用电子调光器、延时开关、光控开 关、声控开关、感应式开关取代跷板式开关等等,将大幅降低照明能耗和线损。以T5三基色直管荧光灯为例,与普通卤粉荧光灯相比,在同样照度的前提下,后者 比前者的光效降低30%,即新型节能光源节能达30%。

(2)在满足眩光限制和配光要求条件下,还应选用效率高的灯具,这也是确定房间照度的因素之一。在同样照度的前提下,提高灯具效率可减少所需的灯具数量,最终达到节能效果.通常开敞式灯具效率不低于75%,格栅灯具不低于60%。

(3)应能对数据中心各区域内灯具的开关进行方便、灵活的控制,控制方式可采用智能照明控制或墙壁开关分场景、分区域控制,还可加入红外、光控、声控等控 制手段。采用照明控制后,可减少不必需的开灯,延长灯具使用寿命,实现节能。对开关进行分场景、分区域划分时,宜遵照以下原则:

按机房列间分组;

与侧窗平行分组;

根据维护、值班、安防等不同场景需求自定义程序实现分组定时开启/关闭。

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