提高数据中心能源利用效率方法探讨

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二、选址阶段
降低制冷系统的能源消耗是降低 Ｐ Ｕ Ｅ 值的重要手 段，其中最重要的方法是采用自然冷却技术以及利用海 以及利用海 利用海 水和潮汐发电、风力发电、太阳能等新能源，这两方面 与数据中心的地理位置密切相关。为更好地实施自然冷 却技术，在同等条件下，数据中心应建设在平均温度相 对较低的区域。例如，２０１２ 较低的区域。例如，２０１２ 低的区域。例如，２０１２ 年 ４ 月初，谷歌宣布台湾彰 化数据中心已经正式开建，彰化数据中心将是第一个通 过夜间冷却和热能存储系统节能的数据中心。这也是谷 也是谷 是谷 歌在亚洲建立的第三个数据中心，其他两个数据中心位 于新加坡和香港，将于 ２０１３ 年投入使用。此外，谷歌 还宣布准备在船上建立数据中心，该数据中心将依靠海 水和潮汐发电，同时利用海水的流动对数据中心的机器 进行冷却。
转换至部分自然供冷模式） ；适合全年完全自然冷却的 时间是 １２３４ 小时（当冷却水供水温度低于 １０ Ｃ 时，冷
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冻机停机，为全部自然冷却模式） 。自然冷却主要有以
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制冷能耗。在进行机房布局规划上主要有以下几方面 在进行机房布局规划上主要有以下几方面 主要有以下几方面 的措施。 （１）采用模块化的可扩展的电源和空调制冷架构， 根据安装的 ＩＴ 设备不同特点和功耗，划分高密度机房、 中密度机房、低密度机房。由于每个机房模块的设计供 电密度不同，制冷方案也不同，更加有针对性，避免了 冷量浪费。高密度机房（供电密度为 ５． ０ｋＶ Ａ ／平方米 以上）主要安装刀片服务器，中密度机房（供电密度为 ２． ０ｋＶ Ａ ／平方米左右）主要安装数据仓库等开放平台存 储设备， 低密度机房（供电密度为 １． ０ｋＶ Ａ ／平方米左右） 一般规划为主机房、网络机房、高端服务器机房和普通 机柜服务器机房。 （２）调整机柜布局， 实现冷热通道隔离， 实施冷（热） 通道封闭。 服务器机柜必须采用背对背的方式进行安装， 冷风从服务器前面进入，热风从服务器后面排出，这样 排出，这样 出，这样 可以保障相邻两排机柜的进风口温度较低 ，有利于服务 器内部散热，同时能有效利用冷却循环，达到机柜内服 务器的最佳冷却效果。在此基础上，对于高密度机房， 由于热气回流冷通道，造成冷通道多处中断，出现热点 时还需做吊顶，并实施冷（或热）通道封闭。若采用冷 还需做吊顶，并实施冷（或热）通道封闭。若采用冷 若采用冷 采用冷 通道封闭，机柜正面进风温度控制较好，但是机房周围 环境普遍较热，人员操作环境不如热通道封闭好。建议 在高密度机房中，可采用“双侧送风 ＋ 做吊顶 ＋ 热通道 封闭”的设计模式。 模式。 。 （３）采用末端气流组织的新技术。在房间级制冷架 构中，制冷架构可能由一台或多台机房空调组成，机房 空调提供完全不受管道、风门、通风口等约束的冷空气， 或者供风回风可能受到高架机房地板或顶部压力回风系 统的部分约束。机房空调机组可以安装在机柜之间，既 既 可以架空安装，也可以在地板下安装。与房间级制冷架 构相比，其气流通路较短，且更为明确。气流路径缩短 可降低空调风机功率，提高效率。行级制冷设计可以根 据目标机柜的实际需求确定制冷量和冗余度。行级制冷
架构可以应用于无高架机房地板的环境。在机柜级制冷 中，机房空调与机柜相关联，以冷却特定机柜为设计目 的。空调机组直接安装在机柜上或其内部。与房间级或 行级制冷架构相比，机柜级制冷气流路径更短，且定义 更为准确，使得气流完全不受任何设施变动或机房约束 条件的影响。机房的全部额定制冷量均可得到利用，并 可实现最高的负载密度（每台机柜最高 ５０ ｋＷ ） 。未来 制冷架构将会走向芯片级，也就是将冷媒直接送到最需 要制冷的芯片中，从而实现更精确的制冷。 中，从而实现更精确的制冷。 ，从而实现更精确的制冷。
提高数据中心能源利用效率方法探讨
中国工商银行股份有限公司数据中心（上海）
陈庆
据统计，数据中心的用电量已经超过全世界发电量 的 ０． ５％ ，在过去的几年里，一些金融数据中心面临用 里，一些金融数据中心面临用 ，一些金融数据中心面临用 电紧张的状况，有的金融机构启动了新一轮的机房扩建 工程。２０１２ 年 ２ 月 ７ 日，经国务院批准，国家发改委、 中宣部、科技部等 １７ 个部门联合下发了《 “十二五”节 能减排全民行动实施方案》 ，组织开展企业、政府机构、 科技等 １０ 个节能减排专项行动，要求全社会参与节能 减排的工作，国家相关部门对数据中心能耗考核标准也 在制定中。数据中心作为能源使用大户， 在“绿色环保， 节能减排”的大环境下， 在降低运行成本的内在要求下， 应不断降低能耗，提高能源效率，从而建设新一代绿色 从而建设新一代绿色 建设新一代绿色 数据中心。
2. 合理进行机房布局规划，优化气流组织结构
Ｕ ｐｔｉｍ ｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ 针对 １９ 家数据中心调查的白皮书 指出：一般室内仅有 ４０％ 的冷空气能循环进入服务器发 挥冷却效果，因而造成数据中心很大的能源浪费。 通过 机柜、空调室内机的合理摆放，建立冷热通道，能够避 能够避 避 免气流的短路、受阻，优化气流组织，可节省 ５％ ~１２％
4. 在建筑设计上降低能耗
在建筑设计上降低能耗主要是通过提高建筑保温性 提高建筑保温性 能，采用热回收技术和智能照明技术等。
四、运行阶段
1. 对现有应用进行整合和虚拟化
通过应用整合和虚拟化，减少 ＩＴ 设备台数，可提
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三、规划设计阶段
1. 采用水冷空调系统和自然冷却技术
尽管国外数据中心早就采用水冷空调系统进行制 冷，然而在国内，２００８ 年以前建成投产的数据中心基本 上都是采用风冷空调系统。在使用风冷还是水冷空调系 统上曾经有过争论，人们主要担心的是供水无法保障以 人们主要担心的是供水无法保障以 主要担心的是供水无法保障以 的是供水无法保障以 供水无法保障以 及将水引入到机房后可能造成漏水等隐患。目前，相关 技术问题均已解决，２００８ 年以后建成投产的数据中心一 般都使用水冷冷水机组空调系统。 自然冷却指在冬季或者过渡季节，巧妙利用外界环 境温度， 在不启动压缩机的情况下进行供冷的一种方式。 根据上海的气象参数统计，一年中有 上海的气象参数统计，一年中有 有 ２６％ 的时间可以 利用自然冷却。其中，适合全年部分自然冷却时间是 １０６４ 小时（当冷却水供水温度低于 １７ Ｃ 时，可以自动
高单位 ＩＴ 设备功耗的计算和处理能力，从而达到提高 数据中心能源利用效率的目的。目前，Ｐ Ｃ 服务器的虚 拟化工作已在工商银行大规模的开展，虚拟化比例达到 的开展，虚拟化比例达到 开展，虚拟化比例达到 ７０％ 左右。工商银行 Ｕ ｎｉｘ 服务器的虚拟化工作也已经 启动。在 Ｐ Ｃ 服务器虚拟化工作的设备选型上，需要进 一步论证的是采用高配独立服务器还是采用高配刀片服 的是采用高配独立服务器还是采用高配刀片服 是采用高配独立服务器还是采用高配刀片服 务器。由于受网络分区等的限制，若使用高配刀片服务 器进行虚拟化，一次需投入多笼刀片机，且该批投入使 用的多笼刀片机仅能使用于同一网络分区的应用，灵活 性降低。同时，刀片机机笼是故障单点，相对于独立服 务器，可靠性也降低。另一方面，这两年用于虚拟化的 刀片机，一个机笼仅能安装四片高配刀片机，失去了刀 片机省电省机位空间的优势。在已建成的中、低密度机 房安装较多刀片机，使得机房局部供电和制冷的要求提 高，造成机房资源使用不均衡。因此，笔者建议仍以高 笔者建议仍以高 建议仍以高 配独立服务器为主进行虚拟化，在建成高密度机房后， 再采用高配刀片服务器进行虚拟化。
下几种方式。 种方式。 。 （１）采用间接自然冷却的冷冻水空调系统。这种方 式使用冷却水直接蒸发自然冷却，可在原有的冷冻水系 统上进行配置， 进行配置， 配置， 需要比原有设计配备容量更大的冷却塔。 通过使用板式热交换器，隔离了冷冻水系统与冷却水系 统并传递两侧的热量。目前这种自然冷却方式被大规模 的使用。 （２）采用新风自然冷却的系统。在冬季利用室外新 风通过热交换器间接冷却室内空气，达到节能的目的。 室外温度高时可开启“内循环”通过冷水盘管对机房提 供制冷。采用此系统不但可以进一步延长可以使用自然 冷却的时间，并且不会将室外空气直接引入室内，从而 造成污染甚至影响设备的运行安全和寿命。 （３）风冷冷水机组 ＋ 干式冷却器的自然冷却方式。 在这种方式下，夏季供冷季（室外温度高于 １５ Ｃ ）采用
一、PUE 概述
ＰＵ Ｅ （Ｐｏｗ ｅｒ Ｕ ｓａｇｅ Ｅ ｆｆｅｃｔ ｉ ｖｅｎｅｓｓ）是评价数据中心 能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与 ＩＴ 负 载使用的能源之比。 其中， 数据中心总能源消耗包括 ＩＴ 设备的能源消耗、
硬件资源进行整合，采用虚拟化、云计算技术，使用高 性能低功耗 ＩＴ 设备等。 简单地比较两个数据中心的 Ｐ Ｕ Ｅ 值不足以评价一 个数据中心能源利用效率，还需结合数据中心的计算处 理能力和虚拟化程度等，并且要结合数据中心建设的不 和虚拟化程度等，并且要结合数据中心建设的不 虚拟化程度等，并且要结合数据中心建设的不 要结合数据中心建设的不 结合数据中心建设的不 同阶段。
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风冷冷水机组机械制冷冷源，负担全部供冷负荷；冬季 供冷季（室外温度低于 ３ Ｃ ）采用干冷器，利用天然冷
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源负担全部供冷负荷；过渡季采用风冷冷水机组供冷和 干冷器提供的部分自由冷却模式供冷，由机械冷源和天 然冷源联合供冷，负担全部供冷负荷。整个供冷过程没 有直接的水资源消耗。 （４）带有自然冷却的干冷器乙二醇空调系统。这 种方式采用双冷通阀控制，可以实现尽可能长的自然冷 却。在室外温度高于完全自然冷却但又低于室内温度的 时候，可以实现混合自然冷却方式。该方式的优点是可 该方式的优点是可 方式的优点是可 以完全利用室外冷空气自然冷却， 而且是完全干式冷却， 无需消耗水资源。
3. 使用转换效率更高的配电设备
（１）采用新型 Ｕ Ｐ Ｓ 设备。由于 Ｕ Ｐ Ｓ 在整流、逆变 等过程中存在电能损耗，因此 因此 Ｕ Ｐ Ｓ 实际输出给 ＩＴ 负载 的功率会低于 功率会低于 Ｕ Ｐ Ｓ 本身容量。在通常情况下 Ｕ Ｐ Ｓ 转换 效率（即输出功率因数）在 ０． ８ 左右，新型的 Ｕ Ｐ Ｓ 输出 功率因数在 ０． ９ 左右，转换效率更高。在典型的负载下， 业界领先的新型 Ｕ Ｐ Ｓ 系统比传统的 Ｕ Ｐ Ｓ 系统的损耗低 ５０％ 。另外高频 Ｕ Ｐ Ｓ 是未来发展方向，新建数据中心建 议采用更加节能高效的高频 Ｕ ＰＳ 设备。在 Ｕ ＰＳ 设备选型 时， 应关注的关键参数是低负载效率， 而不是满负载效率。 （２）使用高压直流供电技术。目前在服务器设备基 于直流用电的系统中，很多能量消耗在了交流 ／直流的 转换过程中。Ｉｎｔ ｅｌ等公司提出采用 ３８０Ｖ 直流供电技术， 简化供电结构，在 Ｕ Ｐ Ｓ 设备和 ＩＴ 设备间为 ３８０Ｖ 直流 电力传送。实践证明，采用 ３８０Ｖ 直流供电技术，可节 可节 节 省约 ７％ 的基础能耗和约 和约 约 ３３％ 的空间，可靠性提高了 ２００％ ，总供电容量节省了 １５％ 。
制冷系统的能源消耗、配电系统的能源消耗和照明安防 和照明安防 照明安防 系统的能源消耗等。Ｐ Ｕ Ｅ 数值越接近于 １，其数据中心 的能源利用率越是理想。目前，国内数据中心的 Ｐ Ｕ Ｅ 数值普遍在 ２ 以上，而新建数据中心的 Ｐ Ｕ Ｅ 设计指标 一般低于 １． ６。 提高数据中心能源利用率包含两个方面：一是降低 包含两个方面：一是降低 两个方面：一是降低 个方面：一是降低 方面：一是降低 数据中心 Ｐ Ｕ Ｅ 值，即在数据中心 ＩＴ 设备总能源消耗不 变的情况下，尽可能地降低非 ＩＴ 负载的能耗，包括制 冷系统、配电系统、照明安防系统等，采取的措施主要 是新的制冷技术，使用转换效率更高的配电设备以及优 ，使用转换效率更高的配电设备以及优 使用转换效率更高的配电设备以及优 以及优 优 化机房气流组织减少冷量浪费等；二是提高单位 ；二是提高单位 二是提高单位 ＩＴ 设 备消耗功率的计算处理能力， 采取的措施主要是对应用、