2022年大型数据中心基础建设中的节能探讨 .pdf

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1、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

2、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

3、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 10 页 -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

4、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：、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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 10 页 -、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。、加装盲板在地板下安装盲板，加大地

5、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，采用红外或电名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-

6、第 3 页，共 10 页 -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

7、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：加湿方式加湿原理单位加湿量 电功率（KW/(kg/H）红外线升温加湿1电极加湿等温加湿0.8湿膜加湿绝热加湿0.08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。空调系统的名师资料总结-精

8、品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 10 页 -节能措施有：、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：类型风冷空调 系统风冷冷水系统水冷 冷水系统主要形式数据中心精密空调室内机（含压缩机）+冷媒管路+室外机数据中心空调室内机+冷冻水循环管路+冷冻 水泵+风冷冷水机组数据中心空调室内机+冷冻水循环管路+冷冻 水泵+冷水机组+蓄冷罐+冷却水泵+冷却水 循环管路能效比EER2.8 左右能效比 4.0 左右。若带自然冷功能，年均可再节能18以上。全系统能效比可以达到56。若带自然冷

9、功能，年均可再节能18以上。优缺点简单，不节能较节能，较小依赖氺，较复杂，投资大节能，复杂，较高依赖氺投资大系统设计受室内机与室外机的距离限制，通常每层或几层设置室外机平台，室外机数量多，影响美观。室内机与室外机的距离不受限制，主机可置于屋顶。室内机与室外机的距离不受限制，冷却塔与制冷数据中心占地面积较大，系统复杂。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

10、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 1525%。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：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 10 页 -、变频技术的冷冻机和风机，相对于传统设备节能高达30%以。、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

11、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%。、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。、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：、供电系统的布局供电系统中的线路的越长所产生的损耗

12、越大，对于 400V的电压，如 果 供 电 线 路 上 有0.1 电 阻，就 会 产 生16KW 损 耗，（I=U/R,400V/0.1=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，从而降低母线名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 10 页 -或电缆在电流传输中的损耗。、选用高性能的UPS 目前流行的的 UPS从技术上有两种工频机和高频机，两种技术的UPS性能比较见下表工频机与高频机的性能比较高频机工频机技术IGBT整流+IG

13、BT逆变，无变压器可控硅整流+IGBT逆变+变压器升压+谐波滤波器输入功率因素0.99 0.8 本身功耗小是比高频机大 5%对电网干扰（谐波）小大，需要外加谐波滤波器体积250KV功率，重 850KG 200KV功率，重 1380KG 对电网的适应能力输入电压 30%输入电压 10%价格低（是工频机价格的3/4）高工频机与高频机的工作效率比较不同负载高频机效率工频机效率（需要加装谐波滤波器）100%96%以上9293%40%9394%9092%25%9193%8990%工频与高频 UPS总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求对比表高频 UPS 工频 UPS（加 12 脉滤波）输入电流总失真度

14、100%负载下 45%100%负载下 810%输入电流额定功率输入电流额定功率输入电流300KVA 442A 300KVA 554A 400KVA 587A 400KVA 751A 500KVA 735A 500KVA 935A 输入电缆选型额定功率截面积（mm2）额定功率截面积（mm2）300KVA 1*240 300KVA 2*180 400KVA 2*150 400KVA 2*240 500KVA 2*240 500KVA 5*120 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 10 页 -综上所述，数据中心选用高性能高频UPS，其效率高、节能、重量轻、而且价格低。、减

15、少 UPS的并联环流产生的损耗目前 UPS的单机最大容量能做到800KVA，仍不能满足中大型的数据中心的要求，因此通过多台 UPS的并联来提高容量，使用并联的优点一方面提高 UPS的功率，另一方面提高可靠性（当并联系统中的一台 UPS发生故障，由其他UPS继续供电）。但带来问题是并联引起环流增加了 UPS自身的损耗。同时一个N+1多台并联的 UPS系统组需要有一台做为其他UPS的在线备份，造成资源的浪费和损耗的增加。因此，减少 UPS的并联或不采用并联，是降低损耗的一个措施，其做法是改变传统的按楼层或多个机房集中供电的方式。合理的规划机房的面积，其单个机房安装的设备供电需求控制在单台UPS容量

16、安全运行的范围内。采用2N的双回路供电，即每个机房配两台UPS，分别给双电源的设备供电，有效的解决和控制并联环流带来的不必要的损耗。、采用模块化机房设计和模块化UPS 在数据中心建设，通常是按照机房所有设备的功率，一次配齐所有的 UPS，主要考虑到 UPS的后续扩容是一个非常复杂的工程，往往需要停电。而数据中心的IT设备的投入是循序渐进的，这样就出现在投入运行的初期，UPS运行在低负荷的工作状态，不仅增加 UPS低负荷的功耗、设备过早的进入维保期以及资源的浪费。因此其节能措名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 10 页 -施有：一是采用模块化的机房布局，按照合理的需求，

17、分割成物理上相互独立机房（目前单个机房面积在300平米左右），在做好装修和基础配电之后，当启用一个机房时再配备相应的UPS。其优点有：易于规划、分期投入，达到节能，保护设备的维保期、后采技术的先进性和投资。二是采用模块化的UPS，在机房投入运行时，先期可以按照实际的负载配备模块化的UPS，随着设备的增加随时增加UPS的模块（热拔插不用停电）。比如一个 300 平米机房，按照设计容量需要400KW，在刚投入使用时只有150KW的负载，可以采购一台 500KW的模块式UPS（由 10 个 50KW的模块组成），但先配 4 个模块，得到的是一个200KW的 UPS，随着负载的增加，随时增加模块，实现

18、不停电的在线扩容。6、照明节能照明的耗能在数据中心的电力系统中虽然占的比重不大（占3%左右），但降低 1%，一年也能节省上百万的电费，因此做好节能也是必要的，其节能措施有：、智能照明，安装智能照明控制系统，除了必须满足机房监控要求的照明之外，其余的灯具通过智能照明系统控制做到人进亮灯，人走灭灯。、采用节能的光源，比如采用新型的LED灯（至少对长明的灯），减少照明的能耗。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 10 页 -通过上述措施，可以将PUE值降至 1.5 以下，使得将更多的电能用于信息处理的计算机。总结和展望通过上述的成熟的节能技术和产品有效的降低了数据中心基础设施的能耗，提高数据中心的PUE，降低运行的成本。随着新的节能技术和产品革命性变化正在呈现和趋于市场化，象标准的模块化机房、自然风的风墙、高压直流、飞轮式 UPS等是未来新一代绿色数据中心基础建设的发展方向，将数据中心的 PUE降至 1.3 以下已成为可能。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 10 页 -