数据中心节能技术趋势展望

韩国斌

上海蓝色帛缔智能工程有限公司 天津 300201

数据中心是容纳用以支持应用系统运行的基础设施（包括服务器、网络、存储设备）的物理场所。随着信息化步伐加快以及移动互联网、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的快速发展，全球数据中心建设步伐明显加快。根据工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局联合发布的《国家绿色数据中心试点工作方案》提供的数据，目前全球数据中心总量已超过300万个，耗电量占全球总耗电量的比例为1.1%-1.5%，其高能耗问题已引起各国政府和产业界的高度重视。

1 数据中心高耗能问题概述

服务器、交换机、存储设备等电子信息设备均属于数据中心系统运行的基础设施，随着信息技术的快速发展，全球数据中心的建设规模也逐渐扩大，据统计我国数据中心的耗电量已连续八年超过12%的速度增长，数据中心的高耗能问题已受到了社会各界的广泛关注与重视。数据中心属于复杂的系统结构，包括IT系统、制冷系统、网络系统、智能化系统、给排水系统、消防系统以及供电系统等部分，分析其耗能结构可知，最为关键的耗能主体为制冷系统、IT系统以及供电系统，应重点考虑节能措施[1]。

2 数据中心机房能耗情况

评估能耗指标。在对于数据中心机房的能耗进行评估的时候，一般会选择使用电能利用率。而电能利用率为机房与IT设备的总用电量之比。电能利用率对于中心机房供电系统、空调以及散热系统以及IT设备各系统的能量消耗进行了相应的考虑。而其基准值为2，而当数值越接近1的时候，能效水平会越好。根据国内外的一些知名数据中心可知，电能利用率值一般是在1.5-1.7的范围之中。2）数据中心机房能耗的组成。作为对于运营核心数据以及关键业务进行承载的数据监控中心机房，新的业务不断的出现，所需要进行处理以及存储的数据呈现几何式的增长，需要有更多的系统设施来进行支撑。

3 改善我国数据中心机房中节能减排的优化措施

3.1 采用市电直供供电模式

大部分的数据中心都是采用的UPS供电模式来给IT设备进行供电，这种供电模式需要经过中压配电系统-变压器降压—低压配电系统—谐波治理—UPS系统，然后再由UPS系统将源源不断的电源输送给IT设备，电源输送中经过的每个环节都会对电能有所耗损，UPS环节就是其中耗损最大的环节。为了提高电能利用效率，减少不必要的耗损问题，就应采用市电直供的供电模式，用这种供电模式替代原来的UPS供电模式。市电直供技术是对服务器等IT设备二次电源冗余配置所具备特点的充分利用，由市电为IT设备其中的一条线路进行直接供电，不需要经过中间环节，数据中心就可以获得源源不断的电源。对IT设备电源的运行模式进行分析，同时详细分析市电直供技术具有的节能优势，我们发现可以将IT设备电源运行模式和市电直供技术进行多种形式组合，最终可以形成多种类型的供电新模式。如，将市电直供和UPS双路供电系统进行组合，或是将市电直供和UPS混合供电系统进行组合等。市电直供的供电模式是节能效果做好的供电模式，而且操作比较简单，不需要经过繁杂的过程。基于市电直供模式具有的巨大优势，现在很多金融行业和政府部门都应用了市电直供技术，以此来保证数据中心供电的平稳性和安全性[2]。

3.2 采用自然冷却、近端制冷技术

传统数据机房对制冷技术要求相对较低，一般采用下送风房间级机房专用空调制冷模式，通过建设封闭冷通道的方法避免冷量损失，利用热通道高效回收热量，以保证制冷效果。随着信息技术的快速发展，数据中心IT技术也发生了较大变化，虚拟数据的使用提高了数据中心IT设备的集成率，以往房间级机房专用空调制冷方式无法满足高密度、高集成度机柜的制冷需求，继而开始应用近端制冷技术。近端冷却技术具备较强的节能与制冷密度，可以有效解决机房高密度与局部过热问题，在数据中心领域得到了广泛采用，主要以列间空调、水冷冷门背板空调以及热管空调为主。在实际应用过程中，应根据实际情况进行合理选择，保证制冷效果。自然冷却技术主要利用室外自然环境的冷源对数据中心热源进行热交换，替代机械制冷技术。自然冷却技术根据冷却介质可分为空气侧自然冷却与水侧自然冷却两种类型，其中空气侧自然冷却又包括直接空气冷却与间接空气冷却两种情况。直接风侧自然冷却需要通过除湿或加湿设备及空气过滤设备进行使用，对空气质量的要求较高；间接风侧自然冷却需要占据较大的建筑空间，通过间接换热方式，其对空气质量的要求不高。水侧自然冷却指的是间接或直接利用自然环境中的低温水，可有效冷却数据中心热源。水侧自然冷却对空气环境的要求较低，需要综合采用板式换热器、冷水机组以及冷却塔等设备[3]。

3.3 应用液冷技术

现在的机架功率和单机架功率密度都在不断增长，传统的服务器风冷散热方案已经不能满足散热需要，先进的液冷技术开始在各个数据中心进行广泛应用。液冷技术可以将数据中心的空气用液体进行替代，在替代过程就可以将各个发热器件运行中所产生的热量带走，如，CPU、扩展卡、内存条等。冷板式液冷、喷淋式液冷和浸没式液冷是根据液冷原理的不同对液冷技术进行的分类，其中冷板式液冷技术可以不直接接触冷却对象就将热量带走，该技术是通过高效热传导部件来对热量进行发散；浸没式液冷技术属于直接冷却技术，该技术使用的冷却液能够隔绝元器件产生的电气，通过和发热器件进行直接接触就可以带走热量；喷淋式液冷技术通过改造IT设备，部署适量的喷淋器件，在设备运行中，可以针对热量过高的器件进行冷却。液冷技术具有制冷费用低、节约水资源和机房空间的优势，因此，有条件的数据中心都开始应用液冷技术进行降温。

应用液冷技术进行降温，不再需要配置风扇、空调末端和冷冻机组，也不需要安装架空地板和冷热通道设施，和传统的制冷技术相比，液冷技术不需要占据很大的机房空间，可以将节省的机房空间用来布置更多的IT设备，从而提高了企业的经济收益。此外，液冷技术突破了气候条件和地域的限制，可以在全国任何地区进行应用，即使是华南、华北等温度高的地区也可以应用液冷技术进行冷却，最终促使数据中心的制冷消耗实现大幅度降低。

3.4 IT设备系统

①选择“节能”的产品。为保障IT设备的安全，可以进行稳定的运行的基础上，需要选择使用更加节能的CPU，以及更为优化的供电技术，以此来获得更佳的节能以及降耗的效果。②提高IT设备的能效比.。所谓的IT设备能效比，就是指IT设备每一秒进行数据处理的流量，和IT设备的功耗的比。而IT设备的能效比较高，则代表着IT设备每一次消耗1W的功耗，所可以进行处理、储存以及交换的数据量更多。③提高IT设备对于工作温度以及适度的适应范围。IT设备对工作环境的温度以及湿度都会有比较高的要求，所以如果选择的IT设备对于温度以及环境都比较敏感的情况下，便会需要耗费较大的人力以及物力，对于制冷系统进行维护。据不完全统计，在运行的状况条件不变的情况下，一旦空调温度升高1℃的时候，运行的效率便会提高3%。

3.5 空间节能措施

①按时清理机房由于机房长时间不间断的使用，会有大量尘埃堆积在静电地板底层，假如未加以立刻清理，则有可能被风吹入IT设备内部，导致其发生故障，比如，灰尘会使IT设备的风扇转动速度变慢，使其耗能大幅增加等。所以需要对机房按时加以清理，确保干净整洁，这样不仅美观，也能间接的起到节约电能的作用。2.5.2按时检查机房各系统的负荷量由于机房设备规模的持续扩大，假如未在第一时间添加适量的供配电与制冷设备，如果制冷与供电容量达到警戒线，将使机房整体效率受到影响。所以一定要确保机房内IT设备用电量和散热量处于系统的可控区间内，避免因负荷过大发生意外事故。利用挡板隔离闲置机柜为了使IT设备不会出现局部过热的情况，越来越多的机房在布局时，对机柜的布局特意留出一定的空间，以此促进机柜散热。故而，假如有闲置机柜，最好使用挡板加以隔离。

4 结语

随着数据中心机柜功率密度的不断增加，其耗能量也开始逐渐飙升，市电直供、自然冷却以及近端制冷等技术得以快速发展，并在数据中心内得到了广泛采用。其中液冷技术代表了数据中心制冷领域的最终发展方向，可以在结合用户需求与不同业务场景的基础上，达到目标要求，并有效降低数据中心的运营成本，为企业赢得更大的经济效益。