数据中心机房的节能设计

深圳市昌遂科技有限公司2019-03-14 13:52:27

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绿色、节能、低碳的观念已渗透到社会生活的方方面面,解决好数据中心机房的高能耗问题,是每个企业用户所关注的。本文结合近年来的一些实践经验,从机房电源系统、空调系统、机房与机柜布局及其他四方面对数据中心机房的节能设计谈些粗浅的认识,希望能为同行提供参考。


1 机房电源系统节能


1.1 电源系统设计方面的节能方案

当前数据中心机房设备用电主要为交流电,交流电是由变压器和ATS开关所组成的UPS输入供电系统,UPS功耗约占数据中心机房所需总功耗的10%。数据中心机房直流供电替代交流供电,不仅能保证供电可靠性和电磁兼容还能提高能效比,但是目前该方案还缺少设备支持以及存在直流供电系统价格昂贵的问题。

以下电源方案能很好的做到节能:1)采用无变压器的UPS设备。目前有越来越多的厂商推出无变压器的UPS设备,可以让整机的效率提升至90%以上。传统的UPS的整机效率只有75%~85%,但采用无变压器的机型,可以提升至90%以上,因此,选用无变压器的UPS可以更有效的运用电源,让每一度电都花费在系统运作上,进而降低电力的成本[2]2)选择模块化、可扩展的UPS设备。IT设备会随着企业业务的增加而扩增,当然企业在选购 UPS设备上,为了达到备份与扩展性,都会选购大型的UPS设备,这会让UPS使用效率大都低于30%。当UPS负载率低于30%,能源的转换效率就会低于50%,造成电力的浪费;3)机房的IT设备尽量选用220V的电力。处理器每花费1W的电力,实际上所消耗的电力大于1.5W,主要的原因在于电力输送和转换,电力从机房的输入总配电箱送到每一个 IT设备的零组件,需要经过多道的电力转换,每转换一次,就消耗掉一定的电力。

1.2 运行维护方面的节能方案

在机房的运行维护上,一般变压器经济运行的负载率为30%,变压器负载率长期低于30%,可以考虑停掉其中一台;调整负载,均衡变压器的负载率也是一项重要的节电措施;另外,过多的谐波会严重影响供电系统电能质量,对现网运行相关设备产生危害,同时谐波通过在供电系统内流动发热,浪费电能,因此治理低压供电系统谐波也是设备运行维护应该注意的问题。


2 机房空调系统节能


2.1 常用空调系统分类

目前常用的空调系统有:集中空调冷水系统+冷水型恒温恒湿空调、风冷恒温恒湿空调机系统和机柜模块式空调系统[3]。第一种系统制冷能效比较高,系统整体的能效比一般可达4.0以上,适用于大型机房,系统的整体性能较好,可进行集中调控,缺点是需要单独设置制冷主机房。第二种系统适用于有室外机放置位置的通信机房,由于风冷恒温恒湿空调机不需接冷水管,所以可直接安装在通信机房内,安装设置比较灵活。第三种系统制冷效率较高,一定程度上能够解决大功率机柜的散热问题。在设计空调系统时要综合考虑多方因素,选择合适的系统。

2.2 机房空调节能措施分析

空调系统占机房能耗的比例逐年增加,对一些数据机房的调研发现:空调系统的电费支出占整个机房电费支出的45%左右[4]。由于以下原因,空调系统长时间处于非满载运行状态:1)通信设备对空调系统要求较高,设计时安全余量较大;2)设备分期安装、分期投入运行,机房启用初期空置率较高;3)空调系统的制冷量是用夏季空调计算温度计算而得,在其他季节,室外温度降低,制冷负荷变小。因此,机房的空调系统的节能潜力是比较大的[5]

2.3 机房空调节能技术

首先,采用变频技术可实现对压缩机、水泵、风机等设备的无级调节,有利于空调系统的节能。变频式主机透过转速的改变,当机房需要较多的冷空气则强化转速,当机房有足够的冷气需求,则可降低转速,达到省电的目的。

在送风与散热模式上,采用水平式散热架构。传统的下吹式空调透过高架地板将冷空气送入机柜,但随着服务器所散发出来的热量越来越高,传统的下吹式空调已经无法应付。水平式冷却系统,则是在数台机柜间,装置1台冷却机柜,冷空气并不是从高架地板送出,而是透过冷却机柜,将冷空气平行送至各机柜,由于冷空气气流路径较小,也提升空调效率,降低用电量。另外,可使用制冷主机群控系统来解决制冷主机和辅助制冷设施的运行台数随负荷季节变化的问题。

对高密度、高散热量的机柜,采用纯水(或冷媒)冷机柜带走热量。过去1个机柜的总耗电量约为3kW,但随着服务器效能的提升,1个机柜的总耗电量甚至可以达到14kW以上,传统的空调将无法因应高密度、高散热量的机柜。水冷套件只需要1/4的传统空调能耗,就可达到相同的制冷效果,进而节省空调的支出。相较于纯水,冷媒能交换的热量更多,也提升水冷套件的降温能力,更适合高散热量的系统运作。


3 机房与机柜布局


3.1 机房布局方面

采用小型化模块机房的方案。大型机房由于机房的面积较广,容易让送风距离过长,造成远程机柜冷空气进气不足,这个时候,就必须要调低整体空调系统的温度,造成电力的浪费。视机柜的负载量,将大型机房按功能和功耗大小划分出数个小机房,由于小机房单位面积较小,回风的距离也较短,不但可以达到有效率的降温,还可以减少空调费用的支出。

3.2 机柜布局方面

采用高通孔率机柜,并建立冷热通道。由于机柜的前方为进气口,后方为散热孔,如果机柜的正面都是朝向同一面,前方机柜的热量就会被后方的机柜吸入,造成后方机柜温度过高,也因此,机柜的摆放必须面对面、背对背。两个机柜的正面能面对面,建立起冷通道,而两个机柜的背面也是背对背,建立起热通道,强化空调冷却的效率,避免冷空气混和热空气造成混风现象。

在整个机房环境里,平均分配高密度机柜。高密度机柜如果摆放的位置过于紧密,容易因为热点而造成机柜冷却效率不佳,此时,如果只是强化冷却效果,不但造成空调的浪费,机柜冷却的效果也很有限。


4 其他方面的节能


4.1 机房建筑节能

早期的一些机房由于未考虑机房建筑节能,围护结构传热损失比较大,加上一些大楼内机房和办公用房混用,建造时窗墙比例偏大并大量采用玻璃幕墙,这些因素都增加了空调负荷,导致机房空调系统浪费严重,能耗消耗严重。

需对机房建筑围护结构进行高水平的保温隔热,对外墙增加保温隔热层。在外墙围护结构保温隔热良好的情况下,对机房内墙、机房地板、机房天花采取保温隔热措施。

4.2 降低空调系统使用

如果能采用自然的冷空气,就能不必耗费电力又可达到冷却的效果。针对当地的实际气候条件,机房散热采用直通风、智能通风、热交换等方式,减少或取代传统的空调散热方式,充分利用机房内外空气的对流,将室内的热量带到室外,有效降低温控方面的能耗。对于通风防尘设计,宜采用风压损失小的专用风扇过滤网,保证最佳的过滤效果。要采用机房外部的冷空气降温,室外摄氏温度必须低于10℃

4.3 利用绿色能源

机房应优先选用节能高效的照明电器、供配电和制冷系统,减少能耗,充分利用清洁能源和可再生能源(如风能 光能等)。可再生能源的使用,主要取决于当地的气候和地理环境。

4.4 提高服务器运行率

通过有效提高服务器的业务运行率从而达到节能目的比单纯提高供、配电设备效率指标更有效。关键就是进行业务整合,即共享硬件,用虚拟化划分业务。机房运维组织根据业务量的大小启用服务器,就能有效节省服务器的能耗。目前IT行业最热门的技术云计算” 非常符合节能的要求。另外,利用虚拟化技术来提高设备利用率也是一种节能的途径。多数设备都会附带电源管理工具,可监控数据中心内和节能相关的数据,包括电源消耗二氧化碳排放等等。有了这些工具,企业用户就可以了解他们存储系统和服务器的能源消耗情况,并且在非高峰时段降低能源使用量。


5 结论


在能源紧缺的今天,唯有在各个重要环节做好节能减排工作,才能建设好高效节能数据中心机房。相信随着科学技术的迅猛发展,越来越多的节能技术将应用于我们生活的各个领域。



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