现代绿色数据中心机房冷通道封闭的应用及优化设计
2021-01-29郑亮陈以乐
郑亮,陈以乐
(澳门科技大学)
1 概述
根据前瞻产业研究院的统计,我国数据中心运营成本中,网费及电费分别占了29%与28%,是数据中心的运营成本大头[1]。同时,随着我国城市中的数据中心规模不断扩大,较高的耗能也加剧了城市的供电压力。近年来,我国各部门不断出台数据中心节能方面的政策要求,如《工业和信息化部国家机关事务管理局国家能源局关于加强绿色数据中心建设的指导意见》(工信部联节〔2019〕24 号),对绿色数据中心的评价指标和管理都作出明确的要求。降低数据中心的能源成本一直是国家部门及业界关注的焦点。
目前常见的数据中心节能方案有:水冷式数据中心、芯片冷却管道式数据中心、自然新风式数据中心、传统风冷式数据中心、冷通道封闭式数据中心等。其中,前两者为水冷式数据中心,建造门槛较高,存在漏液的风险,需要配备专业人员维护;自然风冷式数据中心对数据中心的场地气温有一定的要求,适宜在温度较低的地区采用;后两者为风冷式数据中心,建造难度和成本都相对较低,其中冷通道封闭式数据中心需要装配专用的风管,对机房的整体布局有一定的要求,但制冷效率相比传统式有显著的提升[2]。
以下以广州某数据中心为例,深入探讨数据中心机房冷通道封闭的应用及优化设计。
2 数据中心优化设计
2.1 空气调节系统优化
针对广州数据中心项目原有年均耗能偏高的问题,在基于原有机柜上进行升级改造。主要是在原有机柜的基础上(见图1)加入了冷热通道气流遏制装置(见图2),使得冷空气向机柜集中散热,提高了制冷效率。并且通过现场调研和软件模拟,发现该方案具有一定的可行性。不论是上送风或下送风方式的空调,均可考虑将整体机房级冷却问题转向机柜级冷却思路来实现,从而克服以往需要对整个机房的墙壁做保温隔热的方式来解决机房制冷问题和难题[3]。
项目实施了改造升级后,年平均EEUE 目前降低至1.537,达到 “二级较节能机房”的设计目标,并显著的低于原有数据中心的耗能数值。验证了在保障数据中心运作不受干扰的前提下,原有运行的机房不停机,并平稳升级的目标。
通过有效的进行通道气流遏制和冷通道封闭,可实现将精密空调原设置22℃提升至26.2℃的条件,减少了精密空调的能耗。在有利于机房设备的安全稳定运行的同时满足设备冷却的需要。减少气流短路和满足远端设备冷却被迫降低机房整体温度的难题。传统式数据中心改造成冷通道封闭式数据中心过程如图3 所示。
图1 改造前气流组织
图2 改造后气流组织
图3 数据中心冷通道封闭改造过程
2.2 模组化UPS 设计
原有机房资源有限,宜适当规划设计机房主要设备的功率,避免电源设备和机房空调设备过度设计,减少超轻载空耗运行,运行时需要严格控制设备的负载率。要求运行的单台模组化不断电供应系统负载运行应大于70%~80%,当模组化UPS 的功率模组数量较多时,应下电休眠,过多的功率模组休眠也是一种浪费。
通过使用模组化UPS,积极采用D.E.D 功能的模组化UPS,依据负载量控制运行的UPS 模组台数,UPS 运行模组以轮流均等的状态交替运行,可以预防潜在故障发生。依设置可维持N+1 状态运行,高效节能模式运行条件下,逆变器维持待机状态,最高可达到98%的高效能运行,当市电发生异常时,可以高速侦测及高速切换负载到逆变器供电,如图4 所示。
图4 模块化UPS 工作原理图
2.3 水冷技术的应用
项目所在地位于亚热带气候地区,夏季较长,平均气温30°以上,冬季平均气温18°左右,并且空气湿度较高,不利于机房空调散热。但该地区却不缺水资源,并且经过统计年均温度在25℃以下时间也有2500h,可以充分利用以上优势进行数据中心的设计改造。
改造思路是,利用冷凝器的水雾蒸发技术,将机房制冷效率提高到30%以上。尤其是在夏季广东气温高达40℃环境温度时,普通的机房空调冷凝器容易效率下降50%以上,整机将处于高耗能和低制冷效能环境。在采用蒸发冷技术后,夏季制冷环境可以得到明显的改善。另外,在当室外温度低于25℃时,蒸发冷将自动停止运行,节省能耗。在冬季蒸发冷停止运作时,采取间接自然冷却的技术,提高机房自然冷却的效能,其设计原理如图5 所示。夏季时利用水源和换热管道进行热量转化,形成冷水导入负载设备进行降温。降温完成后的热水重新进入冷凝器。在这个过程中产生的热能利用风机排出。
2.4 空间重新规划
本项目的数据中心建立在居民社区周边。在建设时,设计院未做现场考察,导致安装投产的机房很多紧邻住户的房间。机房内部设备并没有做降噪处理,空调室外机同样没有考虑附近住户的噪音影响。另外,部分机房使用机房空调的噪音一直得不到很好的解决,在用户多次投诉或直接干预下,机房运维部门只能重新购买相对安静的家用空调运行。这种饮鸠止渴的做法导致数据中心的精密空调长期闲置,让机房耗能年均值不断攀升,得不到根本上的解决。
通过技术改造后,对原有数据中心机柜的前后门进行更换,直接实现降噪功能。既保证原有机房设备平稳运行,又有效降低机房设备噪音对住户的影响。对于机房空调室外机噪音偏大的场合,将数据中心空调室外机替换为低噪音型的室外机,实现降噪运行。另外,在空调外机上安置了降噪箱器,保障夜间居民区使用空调噪音降低至45 分贝以下。不仅避免扰民,同时获得整体机房空调节能运行目的。在保障原机房空调重新投入运行之余,还减少设备闲置造成的浪费现象,实现了机房耗能指数下降的目的。
图5 机房空调室外机带蒸发冷却节能系统原理图
2.5 高密度部署
如何提升现有机柜的高密度运算环境,一直来都是数据中心行业的讨论热点。目前广东某前端中心数据中心机柜平均负载率在4kW 左右,也是地板的最大允许通风率和风量极限。但实际机柜的使用并没有达到42U 的充分利用,往往仅安装了12 台~18 台设备后,就没有继续安装设备,富余的机柜空间造成浪费。按照国际上最佳的机柜空间利用率是85%以上,而本项目的机柜利用率仅仅在50%左右,还有很大的提升空间。
实际上,机柜没有完全利用有其现实原因,并且机柜没有投入运营而空置的情况在数据中心行业中也比较普遍。其根本原因是现有机房环境的散热能力不足。单个机柜通风风量在500m3/h,并且当单个机柜的设备功率密度超过4kW时,极容易形成热点故障,导致机房机柜某些区域形成局部热点。
解决的方案有很多,主要从两方面考虑。其一是在本项目机柜的基础上进行软件升级,但需要一定的技术能力才能获得较好的收益。根据现场机柜配置情况看,机柜内主备PDU 均设计为32A/220V,允许安全和使用7.5kW 的设备负载。有这样的负载能力可以基本满足未来增添的GPU 设备和5G 设备的基本运行环境。另外,个别更高密度的设备可用通过扩容来实现。
第二是通过设计实践技术进行升级改造。可以在原有机柜的后部增加热风管理装置,从而解决局部热点难题。通过智慧风机系统,将机柜通风量增加至原有系统的2 倍单个模组1000 m3/h。同时采取冗余1+1 模式,保证机柜散热的安全需要。从原有机柜的3kW ~4kW的密度提升至8kW 的密度,并且将机柜后较热的空气直接排出机房外。最终可以起到较好的散热效果。经过此项技术改善,可以提升现有机柜的计算能力2倍以上,真正做到将现有机房的机柜资源增效提高1倍目标。其原理如图6所示。
另外,采用新型的热管自然冷却技术的空调,对机柜级机房的制冷精确运用。同时采用全自然风冷却的自然冷却的技术,不仅可以解决散热能力不足的问题,还可以同时解决通风和噪音的问题。显著的提升了机房的节能效率,并延长了现有机房的建筑使用年限和满足了未来业务增长的需要,实现固定资产保值增值目的。
此外,可以采用风墙技术的原理,提高功率密度,降低楼宇因需要地板的高度限制需求,方便利用外界自然冷却,同时克服小功率行间级空调的制约性,满足中大型数据中心的新型空调冷却需要。是传统数据中心升级改造的一种技术解决方式。
图6 机柜增效改善原理图
2.6 运用动力锂电池
本项目原本采用的UPS 后备电池为铅酸电池,需要三年更换一次。使用铅酸电池不仅费用较高,对环境污染大还占用了宝贵的数据中心建筑面积。反观锂电池近年来受电动汽车行业发展的影响,大容量的动力锂电池大规模生产和制造,具备了成熟的应用技术,可以考虑在数据中心中运用。表1 为铅酸电池与锂电池的对照表,可以看出锂电池在尺寸、重量和寿命上都有明显的优势。此外,虽然锂电池价格昂贵,但利用其尺寸较小,并且可以定制的特点,可以显著的节省数据中心空间。从而为未来业务拓展所需增建中心机房做空间上的准备。
综合考虑锂电池建设的成本因素和按照广东某前端中心企业的运行特点,为了降低改造工程的总造价,可以减少电池的数量,将后备时间从4h ~8h 缩短为30min,从而降低电池采购成本。此外,为了预防各种事故发生的可能,项目还配置全自动发电机。在部署方面,按照网格管理模式设置多个运维中心进行及时回应,避免沿用以往只设置一个应急发电中心而产生的隐患。项目改造前配置了4h ~8h 后备UPS 电池组,为了达到长时间的后备巡航,需要备置大量的电池组。但铅酸免维护电池在短时率放电效能低下,并且需要三年一次替换周期,造成的浪费显而易见。与此同时,改造后还降低因电池自然散热而消耗的空调制冷电力支出费用。
目前在数据中心行业中,南方电网通信调度机房和多个类似业务机房使用的锂电池组获得了较好的回报。随着锂电池广泛应用,合理推测未来2a ~3a,锂电池购买成本将进一步降低。而在项目中的运用,将减少因电池组技术落后导致的数据中心电能的浪费。例如在南方电网广东电网公司电力科学研究院机房使用动力锂电池运用,其能耗达到了节能的目的,UPS 可以平稳运行。
表1 铅酸电池与锂电池对照表
2.7 改善照明系统
机房照明系统节能改善是机房节能系统中最容易实现的一种技术手段,很多从业者或学者首先考虑的是智慧照明系统。但智慧照明系统除了照明本身,还需要配置智能软件和硬件。此外,智能照明系统在非照明期间也需要电能来保持感应设备的运行,在某些不需要照明的时候也会因为系统的感应而照明,无形中造成了电能的浪费。更重要的是其投资成本较高,日常维护相对复杂。
在实际应用中,观察到数据中心的部分空间是不需要智能照明系统覆盖的。例如在机柜前端,只有需要工程师进行调试和维护的时候才需要照明,因此可以改成原始的手工的照明系统。其原理是在机柜前的LED 照明灯具旁安装拉线开关。当需要操作者使用机柜时,可以随手拉动开关,开启照明。离开时,将拉线开关关闭。从根本上做到需要照明时,才主动开启机房局部照明。并且仅公共通道使用红外自动照明灯系统。
利用手工和智能混合使用的照明系统,大幅度的降低了照明的改造成本,并且收效显著。经过测试,相较于改造前的照明系统耗电量,改造后数据中心的照明系统节省了60%以上的电量。
3 结语
通过对本项目数据中心进行的一系列优化设计与技术措施,总结出数据中心机房冷通道封闭优化设计的一些改进措施。尤其是在原有机房不间断运行的环境下,针对持续运营10a 以上的传统旧式数据中心进行的升级改造效益显著。在不进行大规模拆除和替换机柜设备,并且不改变总体平面布局的前提条件下,通过实施多个节能技术措施,取得了明显的节能效果。
近年来,众多的机房将年均耗能值持续降低到二级节能机房水准。在宣扬智慧城市发展目标的背景下,将“绿色”的概念也贯彻到数据中心的规划设计、设备采购、机房建设和日常运行维护的各个关键环节,不仅能考核运维部门实现耗能指数持续降低,还能保证充分重视数据中心设计与建造的每个环节。通过数据中心设计细节的不断深挖和完善,最终实现绿色数据中心的理念。持续降低数据中心的能耗,甚至能从根本上降低数据本身的运维成本,从而降低信息技术的经济成本,加快智慧城市的建设与普及。
合理的规划可以防止过度规划出现的浪费,从而为后期运维阶段实现节能增效打下良好的基础。企业实现年均耗能指标的考核意义深远,不仅仅是节省一些电费,更是未来面向5G 业务和政企业务支撑平台的需要,同时也是一项持续改进增强企业竞争力的战略决策。