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建設節能環保型數據中心機房的解決方案

2011/12/7 9:48:49 電源在線網

1 節能降耗是考核數據中心機房建設水平高低的重要指標之一

近年來,隨著數據中心機房的能耗的急劇增加和電價的逐漸上漲，機房主管及其營運首管理人員越來越關注他們的能源的營運成本。實際上，能否提供具有足夠大的供電容量(KW)的市電電源、具有足夠的高可靠性和運行效率UPS供電系統以及具有足夠大的致冷量(KW)和能效比足夠高的空調系統已成為制約大型數據中心機房能否被順利地建設起來的“瓶頸性”的制約因素。在不可再生能源資源日益稀缺和能源成本日益上升的今天，要求我們應盡可能地采取各種必要的技術措施和管理手段來建立具有更加節能、環保型的運行特性“綠色數據中心機房”。為此，有必要調研數據中心機房的能耗結構。數據中心機房的典型能耗分布圖被示于圖1中。

從上圖清晰可見：為建設節能環保型的數據中心機房所應該高度重視的節能“三定律”：

(1) 網絡設備/IT設備的節能特性的優劣是決定機房能否節能效的技術基礎

采用低能耗的IT設備、虛擬化軟件設計方案、根據數據處理的流量變化而動態調節CPU的主頻工作頻率的高低以及“動態休睡”等技術是我們應優先考慮所采取的最重要的機房節能措施。其原因是：如圖1所示，對于PUE=2的傳統型的IDC機房而言，其IT及網絡設備的功耗約占其總功耗的50%左右。對于PUE=1.76的節能型的IDC機房而言，其IT及網絡設備的功耗約占總功耗的57%左右。這就意味著：由于在機房中所選用節能型基礎設施(例如：選用節能型的空調、照明以及UPS供電系統等)的能耗不斷地下降，對機房的主設備的節能降耗的需求將會變得更加迫切和重要。

(2) 空調制冷系統的節能特性的優劣是決定機房能否節能的關鍵所在

采用能充分利用自然冷源的空調機組、選用帶EC風機或數碼渦旋型的變頻壓縮機的空調機組、通過優化氣流組織來提高“熱交換效率”[典型的設計方案有：機柜采用“面對面、背對背型”的冷熱通道布局;封閉冷通道;封閉熱通道;定向定量的CRV/XD型機柜局部冷卻等]以及在大型數數據中心優選冷凍水空調等節能環保空調技術是機房能否獲得高效節能特認的關鍵所在。其原因是：如圖1所示，對于PUE=2的傳統型IDC機房而言，它的空調系統的功耗約占總功耗的37%左右。對于PUE=1.76的節能型IDC機房而言，它所需空調系統的功耗約占總功耗的34.3%左右。它們所占的能耗比是相當地高的。

(3) UPS供電系統的節能特性的優劣是決定機房能否節能的不可或缺的要素

采用輸入電流諧波治理+電容性的相移功率因數補償調節技術、高效率UPS的設計+“動態休睡”技術、UPS輸出功率因數與IT設備輸入功率因數之間的匹配技術等節能型UPS供電系統的“選用與否”是決定數據中心機房的節能效果的重要因素。如圖1所示，對于PUE=2的傳統型的IDC機房而言，它的UPS供電系統的功耗約占總功耗的10%左右。對于PUE=1.76節能型的IDC機房而言，其UPS供電系統的功耗約占總功耗的6.16%左右，它們所占的能耗比也不能算低。

(4)照明系統的節能是機房能否節能的不可忽視的因素

采用節能燈+照明能耗動態調控和管理技術是降低機房輔助設備能耗的不可缺少的途徑之一。如圖1所示，對于PUE=2的傳統型的IDC機房而言，它的照明系統的功耗約占總功耗的3%左右。對于PUE=1.76節能型的IDC機房而言，其照明系統的功耗約占總功耗的2.54%左右。因此，它也是不可忽略的節能環節之一。

為了能較客觀地評估各種的數據中心機房的節能降耗的效果，目前在IT行業中、常推薦使用“能源利用效率”：PUE(Power Usage Effectiveness)=(數據中心的總用電量)/(IT設備的總用電量)。為討論方便和便于理解計，此后、我們將這個PUE值稱為數據中心機房的“能耗比”。它代表：為支持IT設備的正常運行、機房所配置的基礎設施所可能消耗的功耗(KW)與維持IT設備本身的正常運行所需的功耗(KW)之間相對比值。例如：對于PUE=2的數據中心機房而言，它的基礎設施所消耗掉的功耗是IT設備本身的功耗的兩倍。

眾所周知，數據中心的總能耗= IT設備的能耗+空調制冷系統的能耗+由變壓器、UPS為核心所組成的供配電系統能耗+照明等其它輔助設備的能耗。在此條件下，我們可將數據中心機房的“能耗比”分解為：

PUE=(IT設備的能耗/ IT設備的能耗)+(空調制冷系統的能耗/IT設備的能耗)+ (UPS系統的能耗/IT設備的能耗)+ (照明和其它輔助設備的能耗/IT設備的能耗);

即：PUE= 1+CLF+PLF+ALF。

其中的CLF(Cooling Load Factor)為空調制冷系統的“能耗因子”，它代表為支持功耗為1KW的IT設備的正常運行時，空調系統為此應消耗的能耗的相對比值; PLF(Power Load Factor)為供配電系統的“能耗因子”，它代表為支持功耗為1KW的IT設備的正常運行時，UPS供電系統為此應消耗的能耗的相對比值; ALF(All other Load Factor)為輔助用電設備的“能耗比”。在這里，我們可以看到：對IT設備而言，它的“能耗比”總是等于1。

在此需說明的是：當我們在衡量一個IDC機房的節能效果是否明顯時，不能僅限于只考慮該機房在某一瞬間的PUE值是多大，其原因是：上述的各種能耗并不是一個常數，其大小與IDC機房的運行工況和氣象條件等因數密切相關。正確的方法是：應該考慮在這個IDC機房內的所有用電設備、在各種不同工況下運行時所實際產生的功耗大小(Px)及其在此工況下的持續運行時間的長短(Tx)，并在此基礎上計算出IDC機房的全年總能耗。類似地，對于所有的IT設備而言，我們可以統計出它們在各種不同工況下運行時所實際產生的功耗大小(Wx)及其在此工況下的持續運行時間的長短(Tx)，并在此基礎上計算出IT設備的全年總能耗。這樣一來，就需要引入一個全年的平均PUE的概念。在這里，所謂的“全年能耗比”(APUE )=IDC機房內的各種用電設備的全年總能耗/IDC內的所有IT設備的全年總能耗。

即：APUE=(Pa*Ta+ Pb*Tb+ Pc*Tc+……)/( Wa*Ta+ Wb*Tb+ Wc*Tc+……)

其中的Px代表不同基礎設備的能耗，Tx代表該設備產生Px能耗的持續時間;

Wx代表IT設備的能耗，Tx代表IT設備產生Wx能耗的持續時間;

下面，我們著重討論：如何通過降低CLF和PLF的辦法來降低數據中心的總PUE值。

2 如何降低數據中心機房中的空調系統的CLF值(空調系統的“能耗比”)

我們可以采取如下的技術措施來提高IDC機房用空調系統何制冷效率，從而達到節能降耗的目的。例如：可以釆取“冷、熱通道”設計方案來優化氣流組織，使得機房的送風與回風的流通更加通暢。在此基礎上，還可通過采取“封閉冷通道”或“封閉熱通道”的技術措施來達到進一步提高制冷效率的目的;對IDC機房進行“隔熱、隔濕”預處理，盡可能地降低不必要的“漏熱、漏濕型”的能耗;對風冷型空調機組的室外機做遮陽處理，降低冷凝溫度，以便降低整機的能耗;充分利用亷價的自然冷源：為此我們可以根據IDC機房所處的不同的地理位置和不同氣候條件來適時地調節空調機的工況。例如：當室外溫度較低時，應該充分地利用室外的自然冷源來進行制冷，從而達到降低空調機組的全年總能耗的目的。

下面，將著重討論：如何界盡可能地利用亷價的自然冷源來達到節能降耗的目的。對于IDC用的機房專用空調機組而言，我們可以選用如下三種典型的可利用“室外自然冷源”的空調系統的設計方案。

1)、采用帶自然冷源的“冷凍水空調”機組的設計方案：此時，在空調系統的前端、配置具備“自然冷卻功能”的冷水主機，在空調系統的室內制冷末端、選用“冷凍水”空調機組;

2)、采用帶自然冷源的乙二醇型空調機組的設計方案(圖2)：此時，在它的室內機組中、配置兩套相對獨立的盤管。其中的一套為制冷劑系統，另一套為乙二醇水溶液的自然冷盤管。在它的室外機中、選配具有足夠換熱能力的干冷器。相關的工作經驗表明：這種空調機組的“干冷器”的換熱能力越強，將該它切換于能利用“室外自然冷源”來制冷的工況下運行的室外溫度值就會越高，其節能效果則越顯著。推薦的切換溫度約為4℃。一般說來，這種空調的購置及營維成本較高，它會直接影響到用戶用于釆購設備的初期投資成本。因此，應綜合考慮其性價比。

3)、采用帶自然冷源的智能型雙循環型的節能空調機組的設計方案(圖3)：對于這種雙循環節能型空調而言，當IDC室外溫度較高時，它運行在由壓縮機驅動的常規風冷式空調機的制冷工作模式。當IDC室外溫度較低時，它會自動關閉功耗最大的壓縮機。此時制冷劑在節能模塊(ESM)的驅動下，它在空調室外冷凝器中同室外的冷空氣進行熱交換。這樣一來，就能將自然冷源所提供的制冷能量帶入到IDC機房內，從而達到節能致冷的目的。由于這兩種制冷模式是由該機的智能控制器來實施自動控制的，并在同一套制冷管路上來實施和完成上述的兩種制冷循環操作，推薦的切換溫度為<10℃。當它工作在“壓縮機被關閉”的節能工作模式時，其節能效果十分明顯，可達30%--40%。這是因為：對于空調機組而言，它的壓縮機的功耗約占空調整機能耗的80%左右。相關的運行實踐還表明：IDC機房的室外溫度越低，節能效果越明顯; 空調機組的制冷量(KW)越大，節能效果越明顯。正是基于上述原因，建議：在黃河以北或西北的地區，宜優選這種可利用“自然冷源”的智能型雙循環型的節能空調機組。

現以北京地區的一個IDC機房為例來探討如何為它選配出：具有PUE值最小的節能型的空調系統。該IDC機房的IT設備的設計總功耗為400kW，機房面積500平方米。一般說來，IDC機房的主要熱負荷來源于各種IT設備的發熱量和環境維護結構的熱負荷。在這里，機房的維護結構的熱負荷包括：除IT主設備之外的由其它因素所產生的熱負荷。例如：機房的照明負荷、補充機房的新風的熱負荷、工作人員的散熱負荷和機房的維護結構的熱負荷等。在實際工作中，它們所產生的總熱負荷、可根據機房的面積來進行估算。根據北京市的氣候環境數據及機房的實際布局情況，它的平均環境熱負荷可按0.16KW/m2進行估算。在此基礎上，就能推算出應選配的空調機組的總制冷量(KW)

機房的總熱負荷Q=IT設備的熱負荷Q1+環境熱負荷Q2。

IT設備的熱負荷Q1=400kW ; 環境維護結構的熱負荷Q2=500m2×0.16KW/M2=80kW

選配的空調機的制冷量=機房的總熱負荷Q= Q1 + Q2=480KW。

下面，將分別討論：釆用上述三種、能帶自然冷源的空調系統的“能耗比”CLF值的大小，以便進行空調系統的節能優化選擇。對本IDC機房而言，它的IT設備全年的總能耗為：400KW×365×24h=3504000kWh。在此條件下，就可對上述的三種空調制冷系統的全年ACLF值進行估算。

(1) 采用帶自然冷源的“冷凍水空調”系統的PCL值

這種“冷凍水空調”系統的配置為：5臺100kW的冷凍水空調機組+1臺500kW的具備自然冷卻功能的冷水主機。對于這種“冷凍水空調”系統而言，當IDC機房的室外溫度低于 0℃時，它的冷水主機就會被自動啟動、并進入利用“室外自然冷源”的節能工作模式。此時，冷水主機中的功耗最大的壓縮機是處于關閉狀態的。這就意味著：在全年中約有1700小時的運行期間內，冷水主機都可以運行在“功耗”僅為16KW左右的節能工況下。在此條件下，這種空調系統的全年總耗電量的計算值被列于下表中：

對于冷凍水型空調的室內機部分的能耗而言，它主要來源于空調室內機的風機能耗與平均到每臺空調機組上的水泵能耗。對于室內的100KW的冷凍水型空調機組而言，單臺機組的平均功耗約為6.9kW。所以5臺機組總功耗為： 6.9KW× 5 = 34.5 kW。其全年的總能耗約為： 34.5KW× 8760h = 302220 kWh。因此，這套空調制冷系統的總的總能耗為： 874400+302220 = 1176620 kWh。這樣一來，就可計算出這套空調系統的“年平均能耗比”：

ACLF=空調系統全年能耗/IT設備全年能耗= 1176620 kWh / 3504000 kWh

= 0.34

(2)、采用帶自然冷源的乙二醇型空調系統的PCL值

這種乙二醇型空調系統的配置為：5臺容量為100kW的乙二醇自然冷型空調機組(圖2)。對于這種帶自然冷源的乙二醇型空調機組而言，當IDC機房的室外溫度低于4℃時，就可以進入“關閉”空調機組中的功耗最大的壓縮機的節能工況。此時，可利用室外的“低溫冷空氣”來直接冷卻、以乙二醇的水溶液作為“冷卻媒介”的冷水循環型的制冷系統。此時的空調系統的主要耗電部分為水泵與空調機組中的室內風機和室外風機。按北京地區的氣象統計資料可知，全年約有2500小時，它的室外溫度可能低于4℃。在此條件下，每臺制冷量為100KW的、帶自然冷源的乙二醇空調機組的總耗電量被列于下表中：

根據上表可計算出5臺空調機組的全年能耗為： 249714 kWh×5 =1248570 kWh。這樣一來，就可計算出這套空調系統的“年平均能耗比”：

ACLF=空調系統全年能耗/IT設備全年能耗= 1248570 kWh / 3504000 kWh

= 0.36

(3)、采用帶自然冷源的智能型雙循環型的節能空調系統的PCL值

為此，需配置5臺制冷量為100KW的智能雙循環機組。該空調機組采用的是模塊化的設計思路，在同一套機組中增加節能模塊(ESM)。當IDC機房的室外溫度達到設定值<10℃時、開啟節能系統進行制冷循環。此時利用室外的自然冷源對室內進行制冷，在這種自然冷卻的模式下、空調機組在“壓縮機被關閉”的條件下來進行制冷。此時的主要耗電部件為節能模塊、室內風機和室外風機。相關的運行實踐表明：室外的溫度越低、該機的節能模塊所能提供的制冷量則越大。在本案例中，100KW的智能雙循環機組設計的方式為：5臺帶有壓縮機和節能模塊的空調機組(注：在每臺機組中、含有2個節能模塊)和5臺沒有壓縮機只有節能模塊的機組(注：在每臺機組中、含有2個節能模塊)。當IDC機房的室外溫度較高(>10℃)時，制冷系統利用5臺帶有壓縮機的空調機組來制冷。當室外溫度低于10℃時，剛開始時，開啟20個節能模塊。在此需說明的是，節能模塊的開啟數量多少是與室外溫度的高低密切相關。室外溫度越低，所需開啟的節能模塊數量則越少(圖3)。

綜上所述，針對各種IDC機房地理位置的不同以及氣象條件的不同，為了提高空調機組的能效比、往往會有多種可作供選擇的技術措施。對于北方及西北地區而言，應優選用能盡可能地利用室外自然冷源的空調系統來降低它的全年的能耗比，以便大幅地提升IDC機房的節能降耗水平。

從上討論可見：對于帶自然冷源的冷凍水型的空調系統而言，它的PCL值=0.34; 對于帶自然冷源的乙二醇型的空調系統而言，它的PCL值=0.36; 對于帶自然冷源的智能型雙循環型的空調而言，它的PCL值=0.32。考慮到初期投資以及運行成本，宜優選智能雙循環型的節能空調機組。

3 如何降低數據中心機房中的供電系統的PLF值(供電系統的能耗比)

如圖4所示，近年來，為盡可能地降低數據中心用UPS供電系統的“能耗比因子”的PLF值，可供選擇的技術途徑有：

1)、提高UPS供電系統的輸入功率因數的PF輸入值, 使它盡可能地趨于1。在這里，常用的技術措施有：

l 選用具有低輸入電流諧波含量THDI的UPS產品。例如：選用IGBT整流或12脈沖整流+輸入濾波器設計方案的UPS產品。對于這些UPS產品而言，其典型的THDI值<4%;

l 利用“電容功率因數補償柜”將數據中心機房的輸入電源的相移性功率因數的Cosф值調節到趨近于1。

相關的理論分析及實踐表明：當滿足上述的運行條件時，對于IGBT整流型和12脈沖整流+輸入濾波器型的兩種UPS而言，它們均可將IDC機房用的輸入電源的輸入功率因數的PF輸入值提髙>0.99左右。

2) 、提高UPS供電系統的“動態效率”，在這里，常用的技術措施有：

l 提髙UPS單機的效率。其典型的效率參數為：高頻機型UPS的滿載效率95%; 新型工頻機型UPS的滿載效率93.4%; 老式工頻機型UPS的滿載效率92.5%；

l 提高UPS供電系統中的UPS單機的負載百分比。相關的運行實踐顯示：對于多數UPS而言，如果能確保UPS單機的負載百分比>35%以上的話，則就能確保UPS的實際運行效率非標接近于它的滿載效率。為此，可供選擇的技術途徑有：“動態休睡”技術、三總線輸出供電系統以及“Catcher Bus”容錯型UPS供電系統等。

3)、提髙UPS的輸出功率因數的PF輸出值，使得它盡可能地與IT設備的輸入功率因數的PFIT值相匹配。鑒于在當今IDC機房中常用的服務器、存儲器及網絡設備的輸入PFIT值已從原來的0.8提高到0.91∽0.96的現實。期望：直選用輸出功率因數為0.9的UPS產品。

為便于比較，下面將分別選擇如下三種典型的UPS產品來探討如何降低數據中心用UPS供電系統的“能耗比因子”的PLF值的問題。這些UPS產品的相關技術參數為：

從上表可見：

1)、同傳統的PUE=2-2.4左右的IDC機房相比，對于所有能利用室外自然冷源的空調系統而言，都能將IDC機房的PUE值控制在<1.6左右，其節能效果明顯。

2)、如果我們選擇PUE值最低的設計方案。即：選用由帶自然冷源的雙循環型的節能空調系統(它的CLF=0.32)+ 新型工頻機型UPS供電系統(它的PLF=0.101)+節能照明系統所組成的IDC機房的動力保障系統的話，則可將該機房的能耗比從傳統IDC機房的PUE=2左右降低到1.46左右。對于這種高效、環保、節能型數據中心的各種設備耗電量的相對變化趨勢圖被顯示圖5中。

從上圖清晰可見：同PUE=2的傳統數據中心機房相比，空調系統的耗電量從原來的37%下降到現在的21.94%; UPS供電系統的耗電量從原來的10%下降到現在的6.93%; 照明和其它輔助設備的耗電量從原來的3%下降到現在的2.71%。與此形式鮮明對比的是：可供IT設備及網絡設備使用的用電量，則可從原來的50%上升到現在的68.42%，其節能效果相當明顯。

5 數據中心機房的PUE動態監測系統

為了能對從數據中心機房用的各種用電設備上所檢測到的各種實時運行參數和歷史數據(電壓、電流、頻率、KW、KVA、PF、KWh等)進行在線檢測、統計和分析的基礎上，對IDC機房的總PUE值以及它所用的空調系統的“能耗比因子”[CLF]、UPS供電系統的的“能耗比因子”[PLF] 以及照明和其它輔助用電設備的“能耗比因子”[ALF]進行動態管理和監視，需要建立一套如圖6所示的數據中心用電源工作特性及其PUE值的在線監測系統。在此條件下，作為數據中心機房的管理者/營維人員不僅可以隨時了解位于機房中的各種用電設備的能耗。而且，還可根據從該監控系統所獲得到的各種分析圖表，制定出切實可行的節能降耗的管理策略和規章，從而確保IDC機房始終處于PUE值盡可能低的節能環保的工作狀態之下。<

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