数据中心绿色节能措施

1、绿色数据中心架构
1.1概述
绿色数据中心(Green Data Center)是指数据机房中的IT系统、机械、照明和电气等能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响。

绿色数据中心是数据中心发展的必然。

总的来说，我们可以从建筑节能、运营管理、能源效率等方面来衡量一个数据中心是否为“绿色”。

绿色数据中心的“绿色”具体体现在整体的设计规划以及机房空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用上，要具备节能环保、高可靠可用性和合理性。

机房建设是一个系统工程，计算机技术的迅猛发展，促进了机房工程建设，对机房的安全性、可用性、灵活性、机架化、节能性等方面提出了更高的要求，绿色数据中心的架设，综合体现在节能环保、高可靠可用性和合理性三个方面。

节能环保体现在环保材料的选择、节能设备的应用、IT运维系统的优化以
及避免数据中心过度的规划。

如UPS效率的提高能有效降低对电力的需求，达到节能的目的。

机房的密封、绝热、配风、气流组织这些方面如果设计合理将会降低空调的使用成本。

进一步考虑系统的可用性、可扩展性，各系统的均衡性，结构体系的标准化，以及智能人性化管理，能降低整个数据中心的成本（TCO）。

在计算机机房工程中，包含的工程可以归纳为：土建工程、电气工程、空调工程、消防工程和弱电工程，示意图如下：
1.2数据中心规划设计节能措施
要做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，选择合适的地点进行机房建设是机房基础建设的基本条件。

作为未来机房的地点，须符合以下几项条件：
¾机房最好建在大楼的二、三层
¾机房尽量避免设在建筑物用水楼层的下方
¾机房选在建筑物的背阴面，以减少太阳光的辐射所产生的热量
¾排烟口设在机房的上方，排废气口设在机房的下方
¾主机房区域的主体结构应采用大开间大跨度的拄网
1.2.1 6种节能方案及效果
1.2.2服务器节能
目前，服务器厂商面临的问题是如何不断的提高服务器计算能力而减少服务器的能耗。

服务器厂商和芯片巨头们也开始进行大量的研究并开始执行一些新的技术以降低服务器的能耗，主要有3个万向:冷却技术、芯片节能技术、软件调度和管理技术。

1.2.3 CPU节能技术
CPU由大量的晶体管组成，晶体管的工作需要消耗功率;同一个芯片上，对于同样的操作，有功耗和发热是正常的。

例如，i386DX-20M的最大功耗在1.3W 左右，奔腾-133是1lW左右，奔腾III-1.33G就需要33.9W左右，而奔腾4-1.3G 则需要68.8W，更高频率的处理器最大功率甚至超过百瓦。

功耗和发热影响到CPU 性能的进一步提升，更多的创新型节能技术也由此应运而生。

1.2.4 空调节能措施
机房专用空调设备制冷系统形式很多，可以根据工程项目的特点，选用不同的制冷系统。

机房专用空调机组制冷系统主要冷却形式有风冷式、水冷或乙二醇水冷式、冷冻水式、双冷源系统等。

机房空调的和谐制冷设置
（1）提高制冷系统温度设置值。

为了最大限度的提高容量和优化效率，设置点不应低于维持设备进气温度所需的数值。

机房的温度要求保持在15℃-25℃以内，程控交换机房的温度设定为20℃，精度为1℃。

在设备对环境的要求范围相对宽松的情况下，没有根据环境温度及设备特点作出相应的调整，室内温度一年四季保持恒温恒湿状态。

这不仅是对电量的浪费，也是对技术优势的浪费。

（2）适当设定回风温度值。

节能理论依据是，当程控机房需要降温时，空调工作在制冷状态，此时若将回风温度值设高些（在满足机房温度要求的条件下），会使压缩机运行时间缩短起到节能作用。

同理，当程控机房需要升温时，空调工作在加热状态，此时若将回风温度值设低些，会使加热器运行时间缩短起到节能作用。

（3）改变空调7×24小时不间断运行方式为间断性的运行方式；
（4）通过现有机房新风换气系统充分利用室外温度来调节室内温度(冬季)；
（5）加强机房密封性能，夏季合理利用机房窗帘调温（经验数据显示通常窗帘可以有10℃左右的调温能力）；
（6）在加/除湿耗能较大的机房可以考虑增加专用加/除湿设备；
根据设备规格：一般每80平方米空间配置一台加湿机和除湿机，技术规格为加湿机5-9公斤/小时、除湿机3-5公斤/小时。

在机房相对湿度低于20%时开启加湿机，相对湿度高于80%时开启除湿机。

如果机房使用单独加湿器，切勿使机房湿度值高于需求，这会导致多个制冷设备相抵触运行:如果两个制冷系统回流气体温度不一致，或两个设备的湿度传感器校准不一致，或两个设备设定的湿度值不同。

制冷系统抵触运行将导致一台制冷设备会降低空气湿度，另外一个则会增加空气湿度。

这一运行模式极其浪费资源，而且机房管理员也不容易发现。

制冷系统湿度抵触运行问题可通过以下方式解决:
a)使用中央湿度控制；b)协调制冷设备之间的湿度值；c)关闭制冷系统中一个或多个加湿器；d)使用浮动数值设定。

确认系统设定值是否相同，校准是否相同，并且扩大浮动数值设定范围。

一般情况下，将浮动数值范围设定为士5%，便可以纠正这一问题。

机房空调节能措施
下表列举了全国各城区季度平均温度情况，通过了解这些信息帮助我们实时的对机房所需温度进行调整；
冷气流组织与节能措施
气流组织就是将空调机送出的冷风通过预定的风道、风口，按预定的风量与风速送往需要制冷的地点，在把设备产生的热空气回收到空调制冷的过程。

气流组织分为三个部分，即：冷气产生、冷气配送、气流返回。

机房内计算机设备及机架应采用“冷热通道”的安装方式。

“冷热通道”的设备布置方式，打破常规，将机柜采用“背靠背、面对面”摆放，这样在两排机柜的正面面对通道中间布置冷风出口，形成一个冷空气区--“冷通道”，冷空气流经设备后形成的热空气，排放到两排机柜背面中的“热通道”中，通过热通道上方不知的回风口回到空调系统，是整个机房气流、能量流流动通畅，提高了机房精密空调的利用率，进一步提高制冷效果。

如下图所示：
（1）机柜布局：
机柜按行排列，采用冷热通道的技术，背靠背布局
（2）安装盲板：
尽管机柜通常被认为只是一种机械支架，但它对于防止设备排除的热空气重新进入设备进气口至关重要。

如图显示了机柜在安装盲板前热空气在出风口受到轻微增压后，再加上设备进气口的吸力，导致了热空气重新吸入设备进气口的情况，即短路循环。

在安装盲饭后，热空气从设备排出，机柜及其盲板提供了屏障功能，截断了热空气短路循环的路径，进而降低了热空气进入进气口的可能。

尽管主要的IT设备制造商均强烈建议使用盲板，但实际上90%或更高比例的机房都忽略了这一点。

热空气再循环问题可能导致IT设备的温度上升8℃。

安装盲板是一个极其简单的过程，可以用非常低的成本应用于几乎所有的数据中心。

（3）使用标准宽度机柜（使用超宽机柜将可能使得热空气通过设备侧面进行短路循环）
（4）使用深度扩展的机柜。

（5）使用螺丝固定IT设备（使用托盘安装IT设备会造成相关位置盲板的无法安装，从而为热空气的短路循环提供了完全开放的条件，应尽量的避免。

）
（6）使用带有风扇系统的机柜，可将底层空气输向机柜前端或从机柜后端主动排除热空气。

（7）合理的负载分布
不合理的设备安装位置，特别是高功率高密度设备的安装位置，可能明显的增加机房的工作压力。

当高负载密度、高功率服务器被组合成一个或多个机柜时，便会出现高负载密度设备群。

这种情况可能导致数据机房出现热点，并要求操作员采取相应措施，如降低空气温度设置点等。

1.2.5 UPS节能技术
UPS是不间断电源（Uninterruptible Power Supply）的英文缩写，它的功能主要有两个：一是在市电正常时改善对负载的供电质量，同时对后备电池进行充电；二是在市电异常时，通过后备电池保证向负载供电的不间断性。

UPS主要由整流器、逆变器、静态开关组成。

有四种电路结构：后备式、在线式、在线互动式、在线补偿式。

目前UPS的节能必需从方案、UPS、电池、配电等方面全方位进行。

1、按需扩容的柔性规划
一般数据中心的建设都不是一步到位,会考虑今后未来几年的扩容,在设计时UPS容量一般都考虑容量比较大些,一次就安装了几套大功率的UPS并机，初期负载量只有规划容量的10%～20%，使UPS的利用率很低，造成电能的浪费。

如何避免这种情况的发生，从UPS供电系统角度考虑,应该包括:
（1）供电方案设计
目前UPS供电方案主要有分散供电、集中供电两种。

分散供电是一台UPS
为一台或多台设备供电。

分散供电的好处是分散风险,不会因为一台UPS异常造成大部分设备停电;缺点是UPS分散布置,不便管理,而且布线不容易规划。

另一种是采用集中供电,由一套大功率的UPS直接对数据中心的所有负载供电。

集中供电的好处是便于规划、管理方便、维护方便;缺点是如果UPS系统异常,容易引起数据中心大面积停电事故,此缺点可以通过采用并联构架来避免。

因此,以上两种方案各有优缺点,目前的数据中心一般都采用集中供电方案。

由于UPS并机数量有限制,而且当UPS系统并机数量超过4台时,其可靠性并不比单机供电系统高多少。

当机房UPS装机总容量超过一定限度时,建议将机房按几期规划分成几个区域进行供电。

规划时可以参考:单机容量不宜超过400kVA,并机数量不宜超过3台。

（2）UPS在线并机扩容功能
数据中心的UPS容量的规划，可以根据不同时期的负载容量要求,采用逐步扩容的方案,使投资方案更经济，同时也能使UPS工作处于较佳的效率点。

目前中、大功率段的UPS均已经具备冗余并机功能，不仅提高了系统的可靠性，同时也为机房扩容提供了条件。

只要规划时在UPS前后配电箱预留足量的空气开关，并在机房规划相应空间，即可实现UPS并机扩容功能。

关键是并机的过程处理，多种品牌UPS并机时需要对UPS的设置进行修正，此时要求UPS必须工作在维修旁路状态，UPS由市电直接带载，如果此时市电波动较大甚至停电，将造成系统的大面积瘫痪。

所以并机扩容必须具备在线并机功能，即UPS并机扩容时，只需将新增UPS软件修改至与原UPS系统一致后，在不关闭原有UPS系统的情况下，
直接将新增UPS并入原有系统即可，扩容前后，UPS均工作于在线模式下，避免切换至旁路供电的高风险操作。

（3）采用模块化UPS，实现逐步扩容
目前,模块化UPS已经开始在国内应用,模块化UPS特点主要包括:可扩容、平均故障修复时间(MTTR)短、可经济实现“N+X”冗余并机。

2、提高UPS自身能效,优化负载效率曲线
目前UPS均为在线式双变换构架，在其工作时整流器、逆变器均存在功率损耗。

以一个容量为400kVA的UPS为例，每度电按0.95元计算，UPS效率每提高1%，一年节省的电费为400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元。

可见提高UPS的工作效率，可以为数据中心节省一大笔电费，可见提高UPS效率是降低整个机房能耗的最直接方法。

因此采购UPS，尽量采购效率更高的UPS。

当然UPS效率高不仅仅是满载时效率高,同时也必须具备一个较高的效率曲线,特别是在“1+1”并机系统时,根据系统规划,每台UPS容量不得大于50%,如果此次效率仅为90%以下,就算满载效率达到95%以上,也是没有意义的,所以要求UPS必须采取措施优化效率曲线,使UPS效率在较低负载时也能达到较高的效率。

除了提高UPS自身的效率之外，UPS上面的一些功能也可加以利用。

比如像ECO经济运行模式。

其原理是在较好 的市电环境时，激活此功能，使UPS由静态旁路直接供电，此时逆变器处于待机状态，正常工作，但不输出能 ，一旦市电异常，UPS立即切换到逆变器供电状态，切换时间一般在1ms以内，具体见图2所示，蓝色为输入电 波形，黄色为输出电压波形。

由于此时的逆变器处于待机状态，所以自身损耗很小，此时UPS的整机效率可以达 到97%以上，比正常模式节省3%以上的功率。

1.3高能效UPS系统TCO比较
飞轮UPS(CSUPS)为核心的配电系统，功率因数能达到98%。

因CSUPS其自身可靠，高效，节能，环保，维护简单等自身固有的特点，使系统整体拥有成本（TCO）较传统电池UPS配电系统更低；尤其可为客户带来在系统日常运营费用上大量节省。

¾系统耗电费用的节省：CSUPS效率较传统UPS一般高10%，因此其自身耗电更低。

系统内其它设备基本相同，因此CSUPS的能耗节省是系统耗
电费节省的主要来源；一般节省费用超过50%以上，且容量越大节省越
多。

¾系统制冷成本的节省：因CSUPS无蓄电池原件，因此可在0~40℃的环境下正常工作，无需单独配冷却设备；而传统UPS中的蓄电池储能原件必
须在20~25摄氏度的环境下使用，需单独配冷却空调；因此CSUPS系统
可以100%节省此部分空调的制冷成本。

¾系统占地费用的节省：CSUPS因其结构紧凑，能量密度高，因此占地面积较传统UPS节省空间至少50%以上；系统内其它设备基本相同，因此
CSUPS的占地节约是整个系统节省占地费用的主要来源。

另，占地费用
分新建占地和租用占地，这里二者只计算1个。

¾系统维护费用的节省；CSUPS日常无需维护，仅15分钟/年更换真空油，更换轴承/3年,且备件费用便宜，因此使用CSUPS的配电系统在维护人
工，更换原件费用上都比使用传统UPS的配电系统大大节省；一般费用
节省超过80%。

¾系统绿色环保费用的节省：CSUPS因无蓄电池原件，且效率高，因此较传统UPS系统碳排放更低，更节能，100%可回收。

¾其它：包括传统UPS系统电池间制冷设备，及电池维护检测设备等；由于这些设备与电池间大小，设备品牌选择等因素有关，各项目差异较大
难于计算及比较，因此本报告不具体计入，仅明确CSUPS系统较传统UPS
在这些设备的采购成本上也可节约初期投入成本，至于节省具体数字不
做详细比较。

系统TCO分析条件 ：负载容量：200kW, 系统配置N 。

UPS系统配置：
1) 飞轮CSUPS系统；选用Active Power公司 飞轮CSUPS 250i系列，1台，总容量250kVA;
2) 传统电池UPS系统；选用Emerson公司 Hipluse 300系列，1台，总容量300kVA;电池备份时间为15分钟
系统使用年限：10年（按数据中心需容量升级或需改造的周期一般为9~10年计算）
总结：以上数据可以清晰的看到，系统使用飞轮CSUPS为核心元件较传统UPS系统，在TCO成本上（尤其是运营费用）可以大大节省，节省比例超过80%，节省费用超过400万/10年。