数据中心节能探讨

2014-02-27江苏省邮电规划设计院有限责任公司杨军志

智能建筑与智慧城市 2014年2期

文│江苏省邮电规划设计院有限责任公司杨军志王珍

1 国内数据中心的能耗现状

我国“十二五”规划纲要已经将节能减排作为国民经济和社会发展的约束型指标，提出2015年国内生产总值能耗要比2010年降低16%的节能减排指标，并要求到2015年新建大型数据中心的PUE值降至1.5以下。

据工信部统计的最新数据显示，作为数据中心建设的先导者，中国电信、移动、联通三大运营商未来耗电量将超过400亿千瓦时。随着大数据的发展和云计算时代的到来，各家运营商、金融、证券、百度、Google、腾讯等行业已在大规模建设自己的数据中心，其能耗成本往往占数据中心总体运营成本的50%以上。在全社会倡导节能减排和企业需要控制成本的背景下，如何节约能耗和建设绿色数据中心，成为数据中心关注的焦点。

2 数据中心节能新技术及实际应用

2.1 各种空调制冷技术的比较应用

（1）各种空调制冷方式的比较

目前，市场常见的空调制冷方式有风冷空调系统、风冷冷水系统、冷冻水空调系统三种方式，表1是以5000m2左右占地面积的数据中心采用各系统的对应比较。

（2）各种空调制冷方式的选用

对于中小规模的数据中心，若用户考虑设备分期建设投资，一般可优先采用风冷系统。

对于较大规模数据中心，考虑到风冷冷水系统也可集成冬季自然冷功能，不需要另行设置冷却塔，即可实现自然冷功能，且比水冷冷水系统简单、可靠，可以优先选用。

对于新设计的大型数据中心，由于水冷冷水机组的高能效比，同时在冬季利用冷却塔实现自然冷功能，能达到更好的节能效果，且整体生命周期投入少，可建议采用水冷冷水系统。采用此系统前期投资较大，为保障安全性需采用系统管路双备份及其他保障措施来满足安全性要求，但从节能角度出发，未来在大型数据中心中采用水冷冷冻水空调系统将成为一种趋势。

表1

有些项目或可采用风冷+风冷冷水双系统空调或风冷+水冷冷水双系统空调，既能结合上述三个系统的优点，又能提高安全可靠性。

2.2 机房送风与回风方式的比较应用

（1）机房送风方式比较如表2所示

表2

对于高功耗通信机房推荐采用地板下送风方式，对于电力室等低功耗机房推荐采用风帽送风方式。

（2）回风方式比较

目前常用几种气流组织方式的具体指标定性比较如表3所示。

表3

采用吊顶回风方式后，其效果更加接近于静压箱效果，有利于气流组织均匀分布。吊顶层相当于一个巨大静压箱，它可以很好地将回风动压转化成静压，稳定气流组织，减小远近端回风风速、风量差别，使机房整体回风效果平均。随着机房的发展，后期个别区域的设备机架功耗较大，因此可能产生局部过热现象。吊顶回风可在设备发热量大的区域增加吊顶回风口，增加该区域换气次数，提高换热效率。自然回风很难在回风环节上找到解决局部过热问题的方法。如果采用无吊顶形式，则缺少组织回风，回风效果较差，有可能引起空调近端回风量大及空调远端回风量较小的情况。同时由于采用无吊顶设计，机房美观性较差，如图1所示。

图1

（3）机房送回风方式选择

新建机房建议采用铺设架空地板下送风、吊顶回风（下送上回）的方式，符合热气流向上的自然规律，机房顶部为负压，下部为正压，通过静电地板下送风，在机柜的正面用微孔地板出风，准确将冷空气送入机柜，形成最佳的气流循环，这样的送风方式首先应确保对设备进行降温，然后余冷再对房间进行降温，其他送风方式可以根据情况进行选择。

2.3 风扇墙技术的发展应用

风扇墙技术是近两年在国外较广泛采用的新兴空调节能技术，风扇墙技术的核心解决了在大风量情况下，新风如何满足机房除尘和加湿的要求。其最大特点是可通过一套复杂的风扇墙控制系统及相应的风扇将室外自然空气引入机房并将机房热量迅速带走，从而起到少开甚至不开空调，就能达到降低数据中心整体PUE值的效果。其适用对象是较大规模的数据中心。

其工作原理是根据室外温度与机房室内温度温差，通过相应的进风、加湿、风墙、排风、回风和控制单元及若干风扇组成的一套风扇墙精密控制系统来实现机房节能。

风扇墙系统有如下三种工况进行操作：

（1）直接冷却模式（全节能模式）：当室外温度低于18.2℃，湿度在35%～65%之间时，且在空气质量良好的环境条件下，可采取开启风扇墙直接冷却方式。

（2）部分冷却模式（部分节能模式）：当室外温度高于18.2℃且低于28.2℃，或为湿度大于65%时，且空气质量在良好的环境条件下，可采取部分开启风扇墙冷却模式。

（3）完全制冷模式（普通运行模式）：当室外温度高于28.2℃，或空气质量在不良的环境条件下，可采取完全制冷模式，不开启风扇墙。图2是某案例的风扇墙系统。

目前，风扇墙属于国外的新技术，投资动辄数百万，使其在国内还没有成功的应用案例，但随着技术更新和调控造价，今后在国内将会有广泛的应用前景。

2.4 新型不间断电源系统的比较

2.4.1 传统UPS和DPS之间的比较

传统UPS根据供电方式可分为在线式、后备式及在线交互式。UPS通常又分为工频机和高频机两种。

DPS分布式电源系统是近两年出现的新兴技术，主要是小容量的UPS及配套蓄电池敷设在机架中，无需建设电力室，提高机柜空间利用率。系统具备高密度一体化的特性，集成电源模块、锂电电池储能模块、检测模块、监控模块，为机架负载提供了一体化供电综合解决方案。如图3所示。

图3

（1）DPS分布式电源系统工作原理

DPS分散供电针对每一个机架单独提供后备电源，同时采用磷酸铁锂电池作为服务器后备电源。在正常情况下，市电直通，模块向服务器输出交流电；当电网断电时，DPS通过转换开关切换到电池状态，后备电池开始工作，给服务器供电。

（2）DPS分布式电源系统特点

①DPS电源系统配置：可分为交流型和直流型，每架配置1台DPS系统，可根据数据机架功耗和备用电源需求选择相应DPS类型及容量。

图2

②高密度一体化：电源电池一体化，单机架独立供备电系统。标准3U高度，体积小、重量轻。可实现快速安装部署，方便建设、扩容。

③DPS系统输入输出：DPS系统为双路相互独立的输入输出系统，可实现真正两路市电输入输出。两套独立的电源系统可为双电源负载提供两路独立且稳定的电力供给，每一路均可以独立承担起全部负载容量。在设备列头设置交流列头柜，列头柜由市电供电，列头柜输出2路220V交流电至DPS系统输入端，输出电压可选择12V、48V、240V、336V等。

④占地面积：DPS系统安装在数据机柜中，无需单独设置电力室，提高机房容积率。

⑤承重：DPS设备一般容量最大为6kVA，重量不超过60kg，满足机柜托架安装要求，同时满足普通网络机房承重要求，可有效降低IDC机房土建中的额外承重及成本。

⑥负载分配：DPS系统负责单独机架，不涉及功耗分配问题。

⑦扩容性：DPS系统扩容比较灵活，可根据后期设备的交流、直流供电类型以及设备功耗直接进行扩容配置。

⑧维护性：DPS系统具备在线更换功能，在保证负载设备供电不中断的情况下，可在短时间内完成单台设备的更换。

⑨主设备支持：DPS系统为常规供电方式，支持所有厂家设备。

⑩集中监控：DPS设备具备多种监控方式，可在设备层、上位机、异地终端形成多层面的立体监控系统，可通过串口/SNMP形式输出全部监控数据，通过监控汇聚、传输网络，将监控信息在异地终端进行解析呈现，实现全部DPS系统的异地集中监控。

（3）DPS分散式供电与传统在线式UPS节能能力分析

①传统的UPS系统采用N+1冗余方式配置，设备冗余量大，系统内部能量经两次转换，利用效率相对较低，系统自损功率约为系统功率的8%。而DPS系统由于采用后备式工作原理，其系统自损基本可以忽略不计，节约大量的电能。

②DPS系统自身散热较少，且不需要单独建设电力室，因此，减少了电力室空调的耗电及Co2的排放。

③DPS产品重量较轻，不需要对机房承重提出单独要求，在大楼建设初期，节约了钢筋及混凝土用量，间接做到节能减排。

④DPS分散式供电自低压室至交流分配屏到列头柜，缩短了电缆路径，节约了蓄电池至UPS间的电力电缆，减少了电力传输线路上的电能损耗。

⑤DPS系统采用磷酸铁锂电池，其转换效率约为95%，而传统的UPS系统采用的铅酸蓄电池转换效率约为80%，磷酸铁锂电池更加节能。

⑥磷酸铁锂电池相对于传统的铅酸电池，无酸雾溢出，不会对环境造成污染。

磷酸铁锂电池作为新兴的储能电池，克服了许多铅酸、镍氢、镍镉等电池存在的缺陷，具备众多性能优势，如表4所示。

DPS系统采用磷酸铁锂电池作为储能介质，旨在IDC机房中发挥磷酸铁锂电池在节能减排方面的优势，为IDC电源及储能领域提供新的模式。磷酸铁锂电池在IDC备电场景应用中，其节能优势主要表现在以下方面：

表4

①配置容量少。IDC机房的电源后备时间多为20～60分钟，对于储能电池属于1C～3C放电，在此放电倍率下，传统铅酸电池的放电能力减弱，实际放电容量大幅降低，需要2倍以上于正常配置的容量才能满足IDC机房的备电需要。而磷酸铁锂电池因其具备较好的倍率放电能力，在1C～3C场景下放电效率均高于0.9，无需明显扩容使用。以30分钟备电要求为例，铁锂电池配置容量是铅酸电池配置容量的48.7%。具体放电系数如表5所示。

表5

铁锂电池倍率放电效率曲线图如图4所示。

图4

②转换效率高。磷酸铁锂电池在能量转化效率方面高达95%，而传统铅酸电池的能量转化效率仅为80%，高于铅酸电池15%。在同样的备电时间下（30分钟），结合铁锂电池倍率放电能力的优势（配置容量为铅酸电池的48.7%），铁锂电池的充电耗能是铅酸电池的41.2%，在IDC应用场景下，充电耗能方面节能减排优势更加明显。

③自放电率低。磷酸铁锂电池的月自放电率仅为2%，相比传统铅酸电池4%的月自放电率，节省了2%的能量自损耗。在IDC场景应用下，结合倍率放电及转换效率的优势，铁锂电池在长期浮充耗能方面仅为铅酸电池的25.6%，大幅减少长期运营的能耗。

④DPS分散式供电与传统在线式UPS供电整体优势分析。

◆ DPS供电分散至每个机柜，若出现故障，影响范围较传统UPS系统影响范围减少很多，安全性更高；

◆ DPS产品重量较轻，对建筑结构没有特殊要求，适用于各类通信机房；

◆ DPS产品由于采用后备式工作方式，且仅进行一次逆变，相对UPS系统，减少了系统自损功耗，节约了大量的电能。

⑤DPS系统对温度要求不高，工作温度范围较宽，自身散热较少，减少了空调的配置数量，节约了投资，减少了空调耗电。

⑥磷酸铁锂电池相对于传统的铅酸蓄电池转换效率高，自放电率低，体积小，重量轻，无污染。

⑦DPS系统安装方便，建设周期较短。且可进行分批建设，根据用户服务器进场时间分批开启设备，减少系统空载时间。

（5）DPS的缺点及小结

虽然DPS系统在系统整体效率、安全性、节能、占地面积等方面有着多项优势，但由于该技术市场应用时间较短，设备安全性、可靠性还有待进一步考验，其主要缺点如下：

①目前由于DPS单个模块在市场上最大功率仅为6kVA，对于功耗较大的机柜区，无法满足其使用需求。

②由于DPS模块设在机柜中，对于维护人员的要求较高，且维护人员必须进入机房区域方可操作，对于维护和使用操作人员要求分开作业的客户，更不愿意混在一起。

③由于DPS模块及蓄电池均设在机柜内，会有大量的电缆，对于桥架的需求较大。

④由于蓄电池设在机柜内，一般后备时间仅为15分钟，时间较短，无法满足需要更长后备时间客户的需求。

⑤对于该技术目前仅在北京地区的电信运营商试用1～2年，运行状况较为良好。相信在不久的将来，随着国家对节能的制度更加完善，要求更加严格，客户对机柜利用率的要求等，该技术将会有较好的应用。

2.4.2 UPS和240V直流供电系统之间的比较

（1）高压直流240V

高压直流供电系统是相对于传统通信用-48V低电压直流供电系统而言的，所以从本质上讲还是属于低压供电系统，只是在直流供电系统中属于较高电压等级。

240V标准的提出主要因为该电压等级的产品目前在国内运营商，尤其在电信系统近两年的应用较为广泛，究其原因首先是电信运营商对节能比较重视，第二是其敢于尝试采用新技术来达到提高供电可靠性和节能的目的，再则现在电信系统所采用的服务器等设备均支持240V直流供电。

（2）高压直流240V与传统UPS的对比传统UPS系统的工作原理如图5所示。通过图5可知，传统UPS系统需先经过交流/直流变换，再经过直流/交流变换的两个过程。其存在的问题如下：

①为解决单个UPS电源可靠性不高的问题，一般采用多个UPS并联冗余方式供电，增加了用户的投资成本。

②系统中存在两个谐波源，对电网和系统本身形成干扰、降低输入功率因数和利用率等。

③蓄电池位于UPS输入端，当UPS电源本身出现故障时，蓄电池的作用无法发挥。

④在UPS电源中，从交流到直流的逆变环节是系统中成本最高、可靠性最低、耗能也是最高的环节。

⑤UPS系统的效率较低、维护复杂、占地面积大。

◆ 高耗能：单机效率一般在60%～70%之间，1+1并机冗余系统约50%；

◆可靠性低：冗余技术可以使其UPS设备本身的可靠性大为提高，但就整个UPS供电系统而言，有很多不可备份的系统单点故障点，比如同步并机板、静态开关、输出切换开关等，这些单点故障点，都可能导致整个通信系统“掉电”瘫痪；

◆维护、扩容难度大：UPS扩容涉及到电源的频率、电压、相序、相位、波形等问题，不像直流电源系统扩容只关注电压一个参数，所以每一次UPS在线扩容都是一次巨大的风险操作，甚至可能因为UPS制造商产品更新换代使得UPS扩容不可能，使得UPS单台故障时没有设备替换。

高压直流240V系统结构及工作原理如图6、7所示。

图5 传统UPS系统结构

图6 DC-UPS结构

从两张图可看出，能源仅经过AC/DC一次变换，不存在谐波电路，系统的输出采用直流系统总输出屏加电源头柜的二级配电架构，且其备用电源为电池能直接保护负载，其负载供电可靠性取决于电池可靠性。而传统UPS其整流器输出接蓄电池组，蓄电池不能直接保护负载，负载供电可靠性取决于UPS系统的可靠性。

（3）240V高压直流系统的特点

①可靠性高。采用直流供电，蓄电池可作为电源直接并联在负载端，当停电时，蓄电池的电能可直接供给负载，确保供电的不间断。不存在相位、相序、频率需同步的问题，系统结构简单，提高可靠性。

交流UPS系统虽然可以用冗余度来提高安全系数，但是由于涉及到同步问题，每个模块之间必须相互通信来保持同步，而直流模块无须相互通信来保持同步。所以还存在并机板的单点故障问题。而直流模块没有这些问题，即使脱离控制模块，只要保持输出电压稳定，也能并联输出电能。

②提高工作效率。直流电源模块的效率一般都在92%以上，即使模块使用率在40%，效率也可以达到91%。

③方便扩容维护。采用模块化结构，支持热插拔，只要预留好机架位置，维护扩容是非常方便的，而不必就UPS发生故障时只能等待厂家人员到达。

④不存在“零地”电压等不明问题的干扰。因为直流输入没有零线，因此，也就不存在“零地”电压，避免了一些不明的故障，维护部门也无需再费时费力去解决“零地”电压的问题。

（4）UPS交流供电对比传统220V供电。

UPS与高压直流240V工作效率对比如图8、9所示。

（5）总结

①240V直流系统供电与UPS交流供电相比，克服了UPS 逆变器故障、并机控制设备故障等中断供电的隐患，系统简单可靠，操作、维护、扩容、改造方便。

图7 工作原理

②高频开关电源效率比UPS效率高，直流供电系统配置冗余比UPS配置冗余低，所以240V直流供电系统能耗低，比UPS供电系统节电25%以上。

③通信用240V直流供电系统在工程建设、维护上优于UPS系统，建设成本可降低20%以上。

④虽然240V直流供电系统有着种种优点，由于240V直流供电系统仅在电信运营商应用较多且已形成自己的行业标准，但政企、金融等行业对240V直流系统的认知度较低，同时由于政企行业的普通服务器设备有些不支持240V直流供电，所以并没有采用，他们还是采取传统的UPS系统。随着技术的发展，选择240V直流供电系统作为不间断供电电源，将得到大范围的应用。

2.4.3 传统UPS和模块化UPS之间的比较

传统UPS和模块化UPS之间的比较，如表6所示。

表6

由于模块化UPS之间能实现相互冗余备份，其占地面积小，整机效率高，可根据用户所需实际负载进行配置，可实现较好的节能效果。

3 提高数据中心能效管理的措施

随着云计算大数据时代的到来，越来越多的服务器趋向于高密度化、虚拟化，这对数据中心的管理提出了较高的要求。

数据中心提高能效管理的措施：

图8 DC-UPS系统

图9 传统UPS系统

（1）实现精细化管理。可通过能耗监测系统实现对各服务器的功率、电压、电流、功率因数等参数进行采集、汇总生成报表。通过横纵向对比，及时发现高能耗点，使管理思想深入到可操作的细节中，为精细化管理提供有效的支撑手段。也可通过采用智能精密配电柜和动力环境监控、KVM软件对服务器进行集中管理，及时发现高能耗设备并及时采取相应的技术措施。

（2）建立有效的能效模型。通过建立有效的能效模型可实现为空调、UPS等能耗增加时，通过技术手段对设备进行改进，达到基础设施硬件设备的节能，使机房整体PUE值的降低。

（3）集成化管理。可通过现有整合电力、制冷及IT设备集中管理软件管理机房设备，并实现和IT公司的管理软件互联互通，即可实现IT和基础设施的集成化管理。