ITU－T L.1300《数据中心最佳实践》研究与分析

2012-09-25齐曙光

通信电源技术 2012年1期

齐曙光

（工业和信息化部电信研究院泰尔实验室信息产业邮电工业产品质检中心）

0 引言

数据中心最佳实践（Data Center Best Practice）是由国际电信联盟ITU（Inter national Teleco mmunication Union）标准化工作组第五研究组SG5（St udy Gr oup 5）第三工作组 WP3（Wor king Party 3）课题17《ICT设备的能效及气候变化标准的协调》讨论研究制定。在2011年9月ITU－T SG5标准讨论会中通过，建议号为L.1300。

1 总体介绍

随着通信行业的不断发展，数据机房对环境的影响越来越大。针对新建数据中心，应用该建议书的节能方案会建立绿色节能的数据中心。针对已有的数据中心，要采用合理的方式改造也可达到更环保、更绿色的目的。最终目的为达到减少数据机房对环境的影响。L.1300主要章节包括以下7个部分。

1.1 数据中心的利用、管理和规划（Data Center Utilization，Management and Plannin）

为了提高数据中心可靠性、经济性、实用性、环保性和配置灵活性，应制定整体的战略和管理办法。首先数据中心不同的部门（如通信业务、制冷、电源、监控等）派出代表组成专家团，当需要做出任何重要决定时，必须经过专家团的同意。此外，应定期对现有设备进行审核和检查，以确定是否有未使用的设备，在做重大投资之前应该优化、聚集和整合现有的资源。根据可靠性要求而进行不同配置是资源管理的重要因素之一。

1.2 ICT设备和服务（ICT Equip ment and Services）

该章节主要涉及内容为给运营商提供新ICT设备的招标选择方案、新电信设备的招标选择方案、开展新的ICT服务方案、开展新电信服务方案和数据管理方案等。当运营商招标购买新的ICT设备时重点参考因素有五点：一是效率；二是工作温、湿度范围；三是相关的法律、法规符合性；四是功率密度；五是气流方向。其中较宽的工作温、湿度会减轻制冷设备的负荷，从而达到节能的效果。关于ICT服务，运营商应使用网络和虚拟化技术，减少ICT设备的冗余度、取消传统的2 N硬件集群技术、使用高效的软件等。在电信设备的招标与购买环节，应重点考虑设备效率。另外，L.1300还介绍了高效管理数据的方案，例如减少总数据量、降低总存储量、提高存储效率、改善存储性能等。

1.3 制冷（Cooling）

由于数据中心制冷设备是耗电最大的部分之一，高效的制冷方案极其重要。该建议书中除了包含传统的空调制冷方案以外，还描述了新风技术、热交换技术、气流组织方案和高效制冷方案等节能技术，并写出了具体的应用方案。本文的2.1章节对上述技术进行了详细介绍。

1.4 数据中心电源设备（Data Center Power Euipment）

数据机房基础设施除了制冷设备以外还包含供电设备，如不间断电源、变配电设备、供电用电缆、发电机和蓄电池组等后备电源系统。L.1300针对上述供电设备和供电技术提出推荐使用直流供电技术、模块化UPS和高效的供电系统管理方案，以达到节能的目的。详细内容见本文第2.2章节。

1.5 数据中心楼宇（Data Center Building）

数据中心的位置和机房结构对其节能影响非常大。L.1300重点介绍了节能数据中心的建设方法，如楼层高度、数据中心的结构、设备安装位置、恰当的隔热装置等。重点介绍了较新的数据中心建筑层面的节能技术，如双层热交换技术和利用非饮用水技术等。L.1300推荐运营商可选择排放热能可再利用地区、环境温度较低的地区、能够利用自然冷源的地区和具有供电电源地区建立新的数据中心，但要避免湿度较大地区。

1.6 监控（Monitoring）

监控系统是否完善和健全是分辨判断数据中心综合实力的条件之一，被监控参数除了实际运行数据还应包括告警和保护等信息。若有条件时应对数据中心环境的温湿度和电能参数实时监控。假设监控系统实时监测ICT设备负载变化，采取相应的节能措施，减少峰值功率，提高设备运行效率。详细监控参数列表请见本文第2.3章节。

1.7 网络设计（Design of net wor k）

L.1300网络设计要求是指本数据中心内部各个设备的联网以及本地数据中心与其他数据中心之间联网要求，包含如何选择设备、如何设计网络、如何分析能源消耗、如何建立节能策略、如何使用网络作为媒介实现整体节能等内容。

2 节能技术介绍及与国内标准对比分析

2.1 制冷技术介绍及对比

2.1.1 气流组织管理技术

（1）当设备功率密度大于1 k W／m2时推荐使用封闭通道方式实现气流组织管理，即热通道封闭或冷通道封闭方式，也可同时使用冷热通道方式，是指分别建立冷热通道并保证冷热通道相互隔开。

（2）当机架上无设备时，尽量使用挡板保证冷热通道的相互独立。比如在机架底部的地板开口，填充设备的底部、顶部、侧面、机架导轨和机架周围的缝隙等。

（3）机架后背电缆应有序摆放，不得阻塞气流组织。

（4）使用架空走线架等装置可避免由于电缆、走线槽等阻塞气流组织。

（5）架空地板或吊顶尽量有足够大的空间作为热通道或冷通道，从而减少使用风扇带来的损耗。

（6）在压差的作用下，ICT设备排出的热风应能够达到空调设备的回风口。

（7）依据送风口与空调之间距离不同，口径也应不同。

（8）对环境温度有特殊要求或气流方向与其他设备不同的设备应单独放置。刀片服务器或大型设备会排出大量的热量。此类设备不宜与其他设备混合放置。应放在机房温度较低的地区。

（9）尽量用穿孔的机柜门取代普通的机柜门，可以从侧面送风，以确保空气流通。

（10）应使用无窗户房间或密封窗户设计、且安装双门或自动门，限制不必要人员的来回出入。此外机房内宜使用百叶窗、窗帘或者太阳能屏蔽面板等装置。

2.1.2 制冷管理技术

（1）制冷设备宜采用模块化结构，用户可根据负荷的变化实时调整制冷设备状态。

（2）当制冷设备负荷非常小时应通过网络控制关闭部分制冷设备。

（3）应周期性的审查ICT设备负荷状况和制冷设备运行状况。

（4）应定期检查空调是否提供机房所要求的温湿度，安装空调时应避免空调的对吹。

（5）考虑到负荷变化和通信机房室内外温度的变化应动态调整制冷系统，实时优化制冷方案。

（6）应定期维护制冷系统，保证数据中心的高效运转。

（7）推荐使用精确送风制冷方案。

2.1.3 温湿度设置

（1）数据中心最高效运转的室内温度范围为18℃～32℃。

（2）根据目前数据中心实际运行的温度和湿度，降低室内低温湿度点（湿球温度要在高于5.5℃的范围之内）；提高最高湿度设定点（湿球温度要在低于20℃，相对湿度80%范围之内）。从而减少机房内的加湿除湿过程，达到节能的目的。

（3）通信设备进风温度范围为5℃～40℃，相对湿度范围为5%～80%RH，在特殊状况下温度可达到45℃。通过提升环境温度方式减少制冷设备耗能时应确保在制冷设备处节能量要大于ICT设备风扇因环境温度提高而增加的能量消耗。

（4）若能管理好通信设备内部气流组织，可以在不提高ICT设备风扇入口温度条件下增加ICT设备目标温度。

（5）审查和冷冻水温度设定点，尽量使用自由冷却经济器，以减少压缩机的能耗。

2.1.4 经济节能型制冷方式

结合机房空间功率密度和室外环境条件的不同，应合理选择以下几种制冷方案。

（1）新风方式：直接引入新风达到降低数据中心机房温度的制冷方式。

（2）热交换方式：通过热交换器交换室外温度与室内温度，达到制冷目的的方式。

（3）直接水冷方式：室内的热量通过媒介水到室外，在大自然条件下制冷后返回机房内部。

（4）间接水冷方式：室内的热量通过媒介水到其他制冷装置，如蒸发式制冷器等，冷却后返回机房的方式。

2.1.5 高效制冷方案

（1）空调系统的制冷方案有风冷、水冷和冷冻水冷。选择哪种制冷方案与初期投入相关。在小型数据中心，推荐使用风冷机组。在中型或大型机房，应选用水冷机组或冷冻水冷机组。

（2）推荐使用封闭式冷却塔。

（3）在新建数据中心，冷水机组COP（性能系数）是最重要的考虑因素之一，推荐使用高COP的冷水机组。

（4）选择适当的制冷剂，针对不同的应用环境，使用不同的制冷剂，如 R－22、R－134a，、R－404a、R－407c、R－410a等。但R－22由于破坏臭氧层，按照国际相关规定被禁止使用。

（5）尽量在本文2.1节第3条款规定的温湿度允许的最大范围之内工作。

（6）应优化负荷，使ICT设备排出的热量分散到各个冷却装置制冷区域。

（7）在大部分时间负荷运行比例远低于满功率。在此状态下，应实时调节空调频率，达到节能的效果。

（8）在大型数据机房，推荐使用经济器。当无足够空间时，可使用冷冻的液体冷却系统。

（9）数据中心排出的热量可使用在加热要求较低的场合或其他工业用途，如游泳池等地方直接利用，从而提高能量利用率。当数据中心排放热量不可直接利用时，可通过再处理（如再加热）方式让温度达到可利用的温度范围实现再次利用。

2.1.6 几种节能制冷整体方案的介绍

（1）新风制冷方案

如图1所示，室外冷风与空调的回风混风后重新进入机房，从而控制机房温度。当新风温度达不到数据中心制冷要求时启动空调制冷。

图1 新风制冷方案原理图

（2）热交换方案

室外冷风通过热交换装置与数据中心回风进行热交换达到降低温度的目的。图2所示方案与新风方案区别在于室外冷风不会直接进入数据中心内。当室外温度达不到数据中心制冷要求时同样也启动空调制冷。

图2 热交换制冷方式

（3）冰雪制冷方案

图3中的方案为新风、冰雪制冷混合方案。当室外温度达到新风系统可工作的温度时，直接启动新风系统。另外，室内热风与冷却水热交换以后冷却水带着室内热量与室外的冰雪进行再次热交换。在循环过程中，需要水泵保证循环泵的耗电量远低于空调所消耗的电量。

图3 冰雪制冷方案

（4）点冷空调制冷方案

当机柜功率密度较大时，一般的恒温恒湿空调无法满足制冷需求。因而提出了点冷空调制冷的方案（见图4），不用降低整个数据中心环境温度，而是直接降低机柜温度即可，从而达到节能的目的。

图4 点冷空调制冷方案原理图

2.1.7 与国内标准的对比

中国已经制定关于机房环境与制冷方面的标准有YD／T 2319－2011《数据设备用网络机柜技术要求和试验方法》、YD／T 2318－2011《通信基站用新风空调一体机》、YDT2166－2010《通信机房精密空调自适应监控系统》、YD／T 1968－2009《通信局（站）用智能热交换系统》、YD／T 1969－2009《通信局（站）用智能新风节能系统》、YD／T 1821－2008《通信中心机房环境条件要求》和YD／T 2061－2009《通信机房用恒温恒湿空调系统》等。

其中针对新风系统，L.1300定义为混风形式，而行业标准YD／T 1969没有强调是否一定要混风。此外新风（或热交换）系统行业标准只是针对基站用小型局站用，而L.1300提出的应用案例为针对数据中心使用的新风（或热交换）与空调分立系统方案。YD／T 1821中定义了三类机房环境条件，比L.1300建议书提出的“第2部分温湿度要求”更详细，但温度范围要比L.1300定义的5℃～40℃窄，即要求更严格。YD／T 2061－2009中对机房用恒温恒湿空调提出能效比等多个参数要求，本建议书只从节能角度提出泛泛的要求。

2.2 供电系统介绍及对比

2.2.1 如何选择供电设备

（1）应使用可扩容的模块化结构供电设备。

（2）鼓励使用模块化UPS。

（3）鼓励使用高效率UPS和高效工作模式，如机械储能技术。另外，尽量使UPS工作在高效状态下，如互动式方式。

（4）针对UPS系统选用电池时应注意环保性。电池后备时间根据通信设备保障要求，尽量小于30分钟，可靠性要求较低的场合下后备时间维持在15～20分钟即可。

（5）应考虑使用直流供电系统，从而能够减少能量转换步骤和设备损耗，提高整个供电系统效率。

（6）不同的数据中心应采用不同结构的变配电系统、高效的开关和变压器，可使用有源滤波器和无源滤波器等装置减少谐波成分。另外应具有峰值功率控制系统。

（7）应根据负载量配置机柜的容量。当容量超过4k W时，宜使用三相系统。当容量小于等于4k W时，可使用单相系统。机柜排放位置尽量接近通信设备，从而减少导线的长度。

（8）根据通信设备容量不同，配置不同容量的PDU。

（9）应尽可能的使用新能源和可再生能源，包括燃料电池，光伏发电系统，光热系统，风能发电，潮汐发电系统，水利发电系统和地热发电等。

2.2.2 供电系统管理

（1）编写关于设备能够高效运行的功率密度参考指南或指导文件。

（2）尽量降低发动机发电机加热器的温度设定点。

（3）在布置电缆时应放置在较高地板下，不应堵塞制冷系统的气流，不宜与其他通信线缆混放。

（4）应使用功率因数补偿技术提高系统功率因数。

（5）应监控整个系统的用电量以及每一相相电流数据，达到三相交流系统的供电平衡，要避免因三相不平衡而引起局部发热等问题。

（6）随着供电系统的阻值增加，局部发热量也会增大，会形成安全隐患。因此供电系统管理中应使用温度测量设备进行温度监控和管理。

2.2.3 与国内标准的对比

国内已经发布的跟本章节内容相关的行业标准有YD／T 2378－2011《240 V直流供电系统》、YD／T 2323－2011《通信用低压并联型有源电力滤波器》、YDT2165－2010《通信用模块化不间断电源》、YD／T 1095－2008《通信用不间断电源－UPS》、GB／T 26263－2011《通信用风能电源系统》和GB／T 26264－2011《通信用太阳能电源系统》。上述标准中已针对L.1300中提出的高压直流供电、有源滤波器、模块化UPS、UPS不间断电源、风能供电系统和太阳能供电系统提出详细的参数要求。这说明了中国通信行业中已有成熟的产品且被广泛应用。

2.3 监控系统介绍及对比

2.3.1 监控系统参数

（1）监控数据中心输入能量，包括供电设备、配电系统和制冷系统用电量。

（2）整个数据中心ICT设备用电量。（3）机房风量和温湿度。

（4）机房空调送风和回风温湿度。

（5）配电设备处的ICT设备用电量管理。

（6）配单设备处的机械能和电能管理。

（7）机架层面的温度管理。

（8）设备层面的温度管理。

具体监控参数的数据流方向见表1所示。

表1 监控参数与数据流方向

2.3.2 与国内标准的对比

国内标准已包含YD／T 1363.1－2005《YD T1363.1－2005通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第1部分：系统技术要求》、YD／T 1363.2－2005《YD T1363.1－2005通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第2部分：互联协议》、YD／T 1363.3－2005《YD T1363.3－2005通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第3部分：前端智能设备协议》和YD／T 1363.4－2005《YD T1363.4－2005通信局（站）电源、空调及环境集中监控管理系统第4部分：测试方法》等标准。在上述标准中已经详细规定了动力环境监控对象、协议要求和设备协议等。但上述系列标准中未提出节能方面监控参数内容。