数据机房节能技术及发展趋势浅析

迟媛，张兵，朱国栋，王纳

（北京特种工程设计研究院，北京 100028）

随着云计算、大数据、虚拟计算等新概念、新技术的广泛应用，数据机房作为支撑其高效稳定运行的核心基础设施，建设规模急剧增长。截至2017年，我国正在使用的机柜总计166万架，随着机架和刀片服务器功率的增加，能耗（发热）密度也不断增长。建设规模的扩张和耗能密度的增大，使得数据机房的运行能耗增长迅速，这给机房的运维管理带来了巨大的挑战。据相关调查统计，2017年我国数据机房总耗电量约为1250亿kW·h，超过了葛洲坝和三峡发电站当年的发电量之和。

1 数据机房当前能耗现状

1.1 国内数据机房当前能耗现状

作为设计和评估数据中心评价能源效率的一项关键技术指标，PUE（数据总的能耗与IT设备总能耗之比）被设计院和用户广泛应用。通常认为，PUE值越接近1，该数据机房节能化水平越高。目前，如Facebook、雅虎、谷歌等知名企业建设的数据机房，其PUE值普遍低于1.5，有的甚至达到了1.1，而我国大部分数据机房的PUE值在2～3，以上海为例，数据机房全年PUE平均值为2.21。

我国一些大型互联网企业已经开展了一系列节能实践，在数据机房的建设和改造中采用了多项节能措施，高能耗问题依旧普遍存在，改进和提升节能性能的空间仍然很大。

图1 国内数据中心机房能效现状

图2 典型数据中心机房能耗构成

1.2 数据机房整体能耗分析

数据机房能耗主要包括以下几个部分：（1）数据机房IT设备用电；（2）制冷系统用电；（3）供电系统用电；（4）照明、通风、加湿等其他系统设备用电等。

分析目前我国数据机房能耗偏高的原因，主要包括以下几个方面：（1）IT设备能耗偏高；（2）选用的空调冷源形式、气流组织形式不合理，造成数据机房空调系统能耗高；（3）供电系统不够优化，变压器、UPS等供电设备电能损耗高；（4）运行管理能力不足，效率低下。

2 数据机房常用节能技术

2.1 IT设备节能技术

服务器、存储设备、网络、控制软件构成了数据机房的核心。在保证稳定运行的条件下，提高数据机房IT设备使用效率，可有效降低对电力的消耗，从而降低运营成本。

对于服务器而言，节能技术主要包括以下几种：

（1）服务器机箱通风技术。该技术在延续了服务器前进风后出风的设计理念的同时，将机箱分为多个散热区域，使得机箱气流分割更加精细，可以更准确地控制气流流向，大大提高了机箱的散热效率。

（2）使用高效率电源。采用80plus白金电源，该电源在50%的负载下转换效率高达94%，可动态调节并均衡分配电源模块负载，以保证电源转换效率。

（3）处理器休眠技术。当处理器较长时间处于空闲状态时，该技术可以让CPU进入不同的休眠状态，通过降低电压或切断内部时钟实现节能。

（4）动态能耗管理技术DEMT。根据CPU负载、环境温度等多种输入参数，按资源的实时使用率，调整服务器的整体运行状态，动态实时智能调节各部件的功耗，以最小化服务器电耗。

对于存储设备，可以采取以下技术手段实现节能目的：

（1）配置精简自动化技术。根据用户的容量及使用需求，对存储容量资源进行实时、动态的自动分配，充分利用磁盘阵列的有效存储空间，提升存储空间利用率，在节省电力消耗的同时降低制冷成本。

（2）重复数据删除技术。通过将数据进行分块，筛选并删除相同的数据块，达到节约存储空间的目的，进而达到减少能耗的效果。

2.2 空调系统节能技术

对数据机房而言，空调系统能耗约占总能耗的47%左右，因此，提高能源利用效率最直接的方法就是降低数据机房空调系统能耗。

（1）选择合理的空调冷源形式。目前最常见的空调冷源有：风冷直接蒸发式系统、风冷冷水系统、水冷直接蒸发式系统、水冷冷水系统、蒸发冷却系统。数据机房空调系统需要根据地理环境、机房等级、制冷量需求、占地面积、经济性、可扩展性等因素，选用上述一种或多种形式的组合。

（2）合理应用自然冷源技术。自然冷源，即直接或间接引入室外冷空气或低温水（如地下水、江水、河水、湖水、海水、自来水），与空调系统联合使用，对数据机房进行降温冷却。

（3）提高空调送风温度。将机房环境温度控制在23～27℃，在保证机房设备正常运行的同时，可以降低用于除湿、降温、加湿热所需的能耗。并且温度设定的越高，其节能效果越明显。

（4）采用CFD技术。对数据机房空调送风温度、送风速度、机柜排列方式、空调送回风方式等进行数值模拟计算，深入了解机房内气流速度场和温度场的分布，并优化气流组织、冷量分配方案，在满足机柜设备的散热需要的同时，达到降低机房空调能耗的目的。

（5）采用封闭冷热通道技术。对于高热密度机柜而言，采用封闭冷通道技术，机柜的正面空间被延展为送风静压箱，可使空调送出的冷风全部用于设备散热，提空调系统冷量利用率。

（6）选用带变风量风机的送风地板进行精确送风。对于采用地板送风的数据机房，可在机柜上部装设控制单元，并经由温度传感器来检测、收集机柜排风温度信息，根据机柜排风温度，由前端控制器实时调节各智能送风口的送风量，避免由于机房局部过热，导致降低送风温度，增加空调能耗的情况发生。

2.3 供电系统节能技术

供电系统的节能降耗，主要是降低非负载设备的用电损耗。

（1）采用节能效果好的变压器，并合理使用“2N”变压器结构，降低电能损耗。

（2）高压直流供电。采用整流模块+蓄电池组的并联冗余结构，在提高供电系统可靠性的同时，可以根据负载的实际情况灵活调整投入运行的整流模块数量，确保在线的整流模块始终处于高负载率模式下运行。

（3）设置电量计量、监控及综合管理系统，对每个环节的用电数据进行实时采集、分析，并根据综合调节。

2.4 数据机房节能运行管理

对运行数据实时采集、计算、诊断、优化、评估，以按需供能为指导，制定机柜微环境调整、配电参数调整、水系统参数调整、精密空调参数调整等策略，降低数据机房能耗，提高能源利用效率。

3 数据机房节能技术发展趋势

数据机房制冷的核心目的是降低芯片的温度，使其保持正常运行和长期可靠。目前数据机房大多采用风冷的形式对CPU芯片进行冷却，无论是服务器内部还是机房空调系统硬件的设计，其技术都比较成熟。这种方式除了风扇产生噪音外，风扇所产生的能耗约占冷却能耗的30%以上，同时风冷散热器也存在散热极限。实验研究发现，如果芯片热流密度超过50W/cm2时，即使增大风速其冷却效果也已经不明显。如果进一步降低进风温度，除了降低空调送风温度、增加制冷机组的能耗外，安装芯片的基板温度有可能降到露点温度，这将带来新的问题。

液体冷却方式分为导热型和浸没型。其区别在于冷却液是否与电子元件或其封装体发生直接性的物理接触。浸没式冷却是将各类基板包括存储，通信和供电在内的各种元件及装置完全浸没在装满非导电绝缘工作液体的冷却槽内，冷却液在电子元件表面强制对流直接吸热进行冷却。随着芯片技术的跨越式发展，冷却方式逐步从机房级、列间级、机柜级发展至服务器级，液体冷却技术也将替代空气冷却技术成为主流。

4 结语

综上所述，数据机房运行能耗很高，节能潜力巨大，在对其进行建设或节能改造时，应结合其自身特点，积极应用节能减排新技术，同时实行节能管理，最大程度降低机房运行能耗，提高能源利用效率。在能源紧缺的今天，唯有在各个环节做好节能减排工作，实现整体节能减排效能，才能促进数据机房建设绿色可持续发展，进而为创建环境友好型、资源节约型新社会贡献出更大的力量。