大型数据中心基础建设中的节能探讨

数据中心基础建设中的节能探讨

摘要:随着信息化时代的到来，各种信息离不开计算机的处理，因此数据中心越建越多，规模越建越大，如今的数据中心正面临着一个现实而又紧迫的问题：能源危机。如何降低能耗、节能减排成为数据中心关注的焦点。本文从气流组织、空调系统、供电系统和照明四个方面探讨建造绿色数据中心的要点和措施。

关键词:数据中心；PUE；湿膜加湿；空调节能；模块化等

我国“十二五”规划纲要已将节能减排作为国民经济和社会发展的约束型指标，提出2015年全国单位国内生产总值能耗要比2010年降低16%的节能减排指标。按照通信业“十二五”发展规划的要求，2015年单位电信业务总量综合能耗比2010年下降10%，新建大型云计算数据中心的PUE值达到1.5以下。因此如何降低能耗和建设绿色的数据中心，成为数据中心关注的焦点，下面结合某个大型数据中心的建设，论述数据中心基础设施的节能要点和措施。

一、衡量数据中心能量使用效率

目前数据中心的建设向大型化的趋势发展，对一个建设规模为2000个机架的数据中心来说，按照每个机架平均3KW计算，2000个机架终局负荷为3KW*2000=6000KW，每个小时耗电6000KW，全年电力耗能为：6000KW*24*365=52560000KW，按照1元/KW时计算，全年的电费5256万元，加上数据中心的空调、新风、照明、其他电力能耗，对一个PUE为2的数据中心而言，电费为1.05亿元。因此数据中心的建设需要充分考虑后期的运行成本，建设节能环保的绿色数据中心是关键。

衡量数据中心运行中的能耗效率指标是PUE（Power Use Effectiveness）。PUE=数据中心所有的能耗/IT设备能耗。

数据中心的总能耗=IT设备总能耗+制冷设备总能耗+新风和加湿总能耗+照明+供配电损耗

对一个PUE为2.0的数据中心，其各系统能耗见下图

二、降低PUE的措施

要将数据中心综合能耗（PUE）建设目标按照国家的要求达到1.5以下，在基础建设设计中考虑的节能措施有以下几个方面。

1、科学的气流组织

科学的气流组织包括以下方式：

①、采用铺设架空地板下送风、上回风（下送上回）方式。

其符合热气流向上的自然规律，数据中心顶部为负压，下部为正压，通过静电地板下送风，准确地先把冷空气送入机柜，热气流通过上回风形成最佳的气流循环，提高制冷效率。

②、采用冷热通道加冷池（或热池）

采用冷热通道的布局，并将相关的机柜冷通道（或热通道）两端加装密闭门，在冷通道顶部加装顶板（或热通道上方封闭加装导热风道），隔离冷、热气流，防止冷、热气流混合而降低制冷的效率。

③、加装盲板

在地板下安装盲板，加大地板下的气流压力和送风距离，促使空调的冷气直接输送至需要制冷的设备，以防止冷气的外泄；在每个机柜内未安装设备的空隙处安装盲板，防止在机柜内部产生冷热气流的混合，提高制冷效率。

2、主动（精确）制冷

对高密机柜（如8KW以上）或其他特殊需求的区域，采用下送风的机柜，或者在机柜进风口的地板位置安装带风扇的开孔地板，或在机柜的前门（后门）上安装容易拆卸的风扇门，并带有温控装置，在机柜温度高于某一阀值时，自动开启风扇，主动（精确）送（排）风，直接对机柜冷却，提高特殊区域（机柜）制冷效果。

3、采用湿膜加湿技术

传统的机房加湿是在精密空调中设置加湿装置，采用红外或电

极将水加热雾化通过空调将水蒸气送入机房，每台加湿装置功率约为10KW，除了加湿需要耗能外，还会产生热，又需要空调进行降温。近几年采用湿膜加湿技术很好地起到节能的效果。湿膜加湿技术的原理就是在设备中安装一个膜布，在膜布后方安装一个风扇，水从上向下均匀流过膜布，水在重力作用下沿湿膜材料向下浸透，淋湿湿膜内部的所有层面，同时被湿膜材料吸收，形成均匀的水膜。当风扇将干燥的风通过湿膜材料时，干燥的空气和湿润的湿膜表面有较大面积的接触，水份充分吸收空气的热量而汽化、蒸发，从而达到对空气加湿的目的。在这一加湿过程中，空气的湿度增加，温度下降。湿膜加湿机功率为300W左右，从而有效减轻机房空调的制冷负荷，三种加湿方式的对比见下表：

采用湿膜加湿其优点有：初期投资和后期维护成本低；对水质要求低，自来水就可以；无白粉，无过加湿现象，加湿能力可自我调节；对空气有过滤、洗涤的作用；由于是等焓加湿，对室内有降温作用；功耗低，节电、节水；低噪声、耐腐蚀。

4、空调系统节能措施

数据中心的各种IT设备在运行中产生大量的热，需要安装空调来降温，确保IT 设备的正常运行，然而空调的耗能占数据中心耗能的第二位，因此空调的节能也是数据中心建设中的关键。空调系统的

节能措施有：

①、选用能效比高的空调系统

衡量数据中心的空调节能的指标是能效比EER，EER=制冷量/所需要的能耗，目前在我国数据中心建设中主流使用空调种类和能效比见下表：

可以看出水冷冷水系统的能效比最佳，加上再利用冬季室外的低温自然条件对机房进行降温（即当室外温度低于12度时，关闭冷冻机组，空调收集到的热通过水泵送到室外通过风扇进行自然风的降温），其节能效果更佳。对南京地区，虽然冬季的时间不长，但全年在10度以下的天气超过100天（指11月至次年的3月，其中包含夜间的低温时间），占全年的近1/3，仅冬季采用自然风的冷却一项节电率能达到15~25%。因此考虑水冷空调+自然风冷却的系统，对提高能效比和节能会起到立竿见影的效果。

空调系统的其他节能措施还包括以下的方面：

①、变频技术的冷冻机和风机，相对于传统设备节能高达30%以。

②、精密空调室内机组采用EC风机：对一个16400立方/小时的普通风机功耗为8.6KW，采用EC风机的功耗为6.9KW，节能1.7KW，节能率为（8.6-6.9）/8.6=19.8%；采用EC风机下沉设计（EC风机下沉到地板下，相比不下沉设计，功耗有原来的6.9KW下降到5.5KW，节能率为（6.9-5.5）/6.9=20.3%。

③、提高冷冻水供水温度和供回水温差，从而提高冷冻机运行效率和节省水泵能耗。

④、提高精密空调回风温度（30/35℃），从而提高精密空调制冷效率。

5、配电系统节能

在数据中心配电系统中，除去前级的中压和变压器之外，主要就是UPS系统、配电柜和电力电缆，这部分会产生一定的损耗，比如UPS自身的耗能和多台UPS并联中环流产生的损耗，大电流长距离传送所产生的损耗等等。因此在初期规划和设计时需要将这部分的损耗降到最低，具体的节能措施有以下几个方面：

①、供电系统的布局

供电系统中的线路的越长所产生的损耗越大，对于400V的电压，如果供电线路上有0.1Ω电阻，就会产生16KW损耗，（I=U/R,400V/0.1Ω=40A,P=U*I=400V*40A=16000W=16KW），相当于两个高密机柜（每个机柜8KW）的设备的用电量。因此减小变压器房与UPS房的送电距离，减小UPS输出到机柜的送电距离，从而降低母线