数据中心绿色节能之路

杨兵 任新 陈娜 张志刚

[摘 要] 数据中心的飞速建设，带来的能源消耗已跳跃式增加，如何能使数据中心的建设和运维走上绿色节能之路，这也是一个急需解决的问题。本文结合某数据中心实际案例，着重介绍了该数据中心在实际应用中采取的如虚拟化技术、适应更高温度的节能芯片、刀片服务区、自然冷却、提高制冷系统预置温度、优化气流组织和设备布局、变频技术等各项绿色节能技术。

[关键词] 数据中心； 绿色节能； 自然冷却； 变频技术

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 04. 059

[中图分类号] TU83 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）04- 0114- 02

1 引 言

随着新技术、新业务的迅速发展，IT 系统的规模不断攀升，新一代数据中心建设浪潮的兴起，能耗越来越高，数据中心运营成本也不断增高，由此带来的碳排放问题和环境污染问题日益严重，对数据中心的节能降耗、履行社会责任提出新的挑战。在日益倡导绿色环保和严格审核的低碳时代，降低数据中心的能耗极为必要。

数据中心的能耗主要由IT设备能耗、空调系统能耗、电源系统能耗3部分构成，在数据中心的电力能耗中，IT 设备、机房制冷和电源设备分别为 5 ∶ 4 ∶ 1 的关系，即服务器、存储、交换机的电力消耗占总能源消耗的 50%，而机房制冷电力消耗占 40%，UPS 等电源设备耗电占 10%。因此数据中心要达到节能目的，就必须从IT设备和包括制冷和电源设备的基础设施这两个方面来考虑问题和采取措施。下面笔者根据实际案例，对北方某大型数据中心采取的主要节能减排技术逐一介绍。

2 绿色节能技术

2.1 虚拟化技术应用

服务器的电力消耗占整个数据中心电力消耗的一半左右，虚拟化技术让一台物理服务器可以运行多个虚拟主机，把对多台服务器的需求整合到一台服务器中，一方面，虚拟化提高了各服务器的CPU利用率，降低了无效的功耗；另一方面，也是最为重要的，降低了数据中心所需服务器的数量，从而降低整个数据中心的能耗。另外存储虚拟化也逐渐在发展，所有存储设备为一个虚拟池，存储虚拟化技术集中管理资源池中的各种存储资源，并根据具体的需求把存储资源动态地分配给各个应用，这样就能够提高存储空间利用率，关闭不必要的存储设备供电，降低存储设备能源消耗。经过多年的发展，虚拟化技术日趋成熟，数据中心通过使用虚拟化技术，可以将各类计算机资源有机整合，集中管理，提高资源利用率，进而减少企业大量的采购成本、电力成本、制冷成本和管理成本。

2.2 适应更高温度的节能芯片

在IT设备中，芯片是最主要的发热元件之一，选用低功耗处理器是设计出低功耗IT设备的先决条件，在同等运算量的前提下，可以从根本上降低设备的发热量。客户必须要确定能够从低功耗的处理器中获益。另外，2.5英寸的硬盘驱动器也是必需的，因为其耗电量仅仅是3.5寸硬盘驱动器的一半。以往数据中心的温度一般都控制在18 ℃～22 ℃，以确保IT设备能够持久可靠运行支持各类应用。但这种实现低温的散热系统需要耗费大量的能源成本。目前英特尔等厂家已经在生产出能够适应更高温度的芯片，从而提高数据中心环境温度，一般估算数据中心平均气温每提高1 ℃，就可以降低7%的能源成本。

2.3 刀片服武器

数据中心中最多的设备是服务器，如果能够选择能耗低的服务器，那势必会大大降低整个数据中心的能耗，刀片服务器就是目前较好的选择。刀片式服务器在空间上更加节省，而且集成度更高，是一种高可用性、高密度的低成本服务器，其中的每一块“刀片”实际上就是一块系统主板。它们可以通过本地硬盘启动自己的操作系统，类似于一个个独立的服务器。同等处理能力下，用刀片式服务器重量可减轻40%，用电可减少25%～40%，散热减少25%～40%，产生的空气流动量减少大约40%。

2.4 自然冷却技术

自然冷却是空调设计中经常采用的一种效果显著的节能手段，主要适用于冬季仍然需要制冷的场合。数据中心需要全年制冷，可以尽可能地利用自然冷却技术，减少压缩机的开启时间，达到节能的目的。此项目采用冷却塔+板式换热器的自然冷却系统，随气候环境条件改变，冷却水温度不断变化；根据冷却水的变化情况，冷冻水的制备分3种工况：电制冷模式、完全自由冷却模式和部分自由冷却模式，对应制冷系统的夏季、冬季、过渡季节运行，在过渡季和冬季减少了压缩机的工作时间和强度，大大降低了制冷功耗。以此项目为例，与常规的冷水机组相比，每年节电能达到30%～38%。

2.5 提高冷冻水供回水温度，提高机房空调送回风温度

国际标准Uptime推荐的机房空调送风温度为18 ℃～27 ℃ ，实验证明最佳送风温度范围为20 ℃～25 ℃ ，在该送风温度下冷冻水供回水温度可高至18/24 ℃ 。结合国内外大型数据中心的设计及运行经验，同时确保空调系统稳定的制冷效果，此项目的空调冷冻水供回水温度为15/21 ℃ ，空调送回风温度为24/36 ℃。这样不仅相应提高了冷冻水机组制冷效率，延长了自然冷却运行时间，降低空调能耗及PUE值，节省运行费用；而且冷冻水温度每提高1 ℃，冷水机组效率可提高2%，从而大大节省能耗。

2.6 优化气流组织和设备布局

空调系统的气流组织优化是数据中心室内气流循环的综合优化过程，其优化设计包括送风方式的选择、机柜与空调的布局、建筑结构及参数的选择等等。此项目设计初期，针对不同类型的送风方式，参考主流空调厂商的技术说明书，比较各类送风方式的送风效率、适用范围等因素，最终确定采用下送上回方式，机房区域架空地板高度900mm，空调间区域架空地板高度1 000mm，吊顶回风高度不小于1 100mm。机房气流组织图如图1。

机房内机柜采用面对面、背靠背的冷热通道方法，机房空调机组和机柜机架的行列成垂直式摆布，这样有效地避免冷热气流掺混，大幅提高冷空气的利用效率，降低空调的循环风量。此外尽可能减少旁通气流，如减少地板出线；选择合适的地板开孔位置，必须出线的孔洞也应在穿线后严密封堵；合理安排出风口与空调机组的距离，离空调机太近，空气的动压很大，静压很小，会导致冷空气出不来；而出风口离空调机太远，则冷风送不到。

此项目通过上述措施，一方面可使机房气流循环更加畅通，减少冷热气流间的相互影响；另一方面可通过合理的气流和机柜布局使机房内温度更加均匀，消除局部热点，更有效地降低了空调系统的能耗。

2.7 变频技术

数据中心的服务器功耗一般会随着业务量的变动呈现一定规律的变化，因此数据中心IT设备的发热量也会呈现周期性的变化。在此项目中将变频技术引入冷水机组，通过在压缩机、风机、水泵、冷却塔等发动机驱动的组件上安装变频驱动器，使得电动机的速度能够根据负载需求进行调节，而不是在启动后只能以全速运行，从而达到优化运行、节约能源的目的。

具体来说变频技术可根据数据中心机房室内外不同的温度通过调节转速来改变泵和风机的性能曲线，在调整其出力的同时不影响管路系统的阻力特性，使系统能保持较高的效率运行；当流量减少一半时，普通空调系统的水泵或风机能耗仅减少20%～30%，而采用变频技術时，可减少能耗70%～80%，极大地降低了设备能耗。此外变频空调在工作时避免了设备工况的剧烈变化，如压缩机的频繁启停等等，既保证设备工作的稳定性，同时延长设备的使用寿命。

3 结 论

当前传统的数据中心正面临转型，绿色、环保已成为未来数据中心的发展趋势，我国也逐渐制定出数据中心绿色分级评估的办法，主要从能源效率、节能技术、绿色管理等维度评估数据中心的绿色节能水平；可以看出数据中心的节能问题并不能依靠某项单一技术解决，必须从多个方面入手，继续深化已有的节能技术，并且大力使用新的技术和新的理念才能最大幅度降低数据中心的能耗。

主要参考文献

[1] 崔磊. 数据中心节能至关重要 HVAC系统首当其冲[J]. 暖通空调在线， 2012（10）.

[2] 钱晓栋，李震. 数据中心空调系统节能研究[J]. 暖通空调，2012，42（3）：3.