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舞动节能长尾曲线 实践绿色数据中心

作为现代企业可持续发展的重要支撑,数据中心的价值地位不断凸显。然而,伴随企业业务的不断扩大,数据中心IT设备数量越来越多,数据中心面积也越来越大,随之而来的问题,就是电力耗费越来越多,能耗成本越来越大。

全球权威咨询机构Gartner提出,目前,很多企业数据中心每年在用电成本上的花费已经大于当年在IT硬件设备上的投资,而且该趋势往后将更加明显。可见,当前数据中心既面临不断扩容的压力,又面临不断增长的能耗困境。因此,如何降低能耗成本,实现一个绿色节能的数据中心,成为如今企业CIO们的普遍追求。

应该说,能耗高是当前企业数据中心的普遍现象。有研究表明,在目前企业数据中心的整体能耗中,IT设备约占30%,空调系统约占45%,配电系统约占24%,另有1%用于照明、维修和办公设备等。

根据万国数据多年运营数据中心的经验来看,实践绿色节能数据中心,关键在于"舞动"一条长尾曲线。这条节能长尾曲线,前段由建筑群体能耗、IT设备能耗、空调能耗、UPS能耗等"大指标"组成,尾部则由气流组织设计、设备摆放位置、机柜和服务器之间的距离、维护难易程度等众多"小指标"组成。对于企业CIO而言,既要抓大,又不放小,数据中心才能变得更加绿色。

IT设备首当其冲

服务器、存储、网络设备……数据中心里这些"嗡嗡作响"的"大块头"是最直观的耗电设施。如今,在绿色节能浪潮的推动下,各大厂商也纷纷通过各种方式改进产品技术,降低产品能耗。

典型的例子就是采用刀片式服务器。通过这种高密度设备取代传统服务器,在配合虚拟化技术,企业数据中心不仅可以减少物理服务器的数量,而且能够减缓机房面积扩展,两方面减少电力消耗。事实上,刀片式服务器使用同样的商用处理器,能源和冷却的要求比目前的机架服务器节省10%。刀片式服务器与机架服务器相比的好处是减少了输入/输出电缆线及设备空间。

对于数据中心的那些老旧服务器,淘汰更新是实践绿色节能的必要途径。也许,有人会觉得淘汰还能使用的旧设备,转而采购新设备,造成了不必要的成本投入。其实不然,因为更新服务器的成本实际上远远低于老化设施未来的能源消耗成本。新的服务器和新的技术看似增加了投资成本,但是这部分的成本投入往往比维持现有老旧设施更加廉价。

另外,IT设备运维管理中的许多细节,看似事小,其实节能作用却不小。例如取消"空闲"服务器的任务,取消不必要的冗余存储系统,关闭这些闲置IT设备,直接减少电能消耗。研究显示,数据中心内正在运行的众多服务器中总存在一些"空闲"服务器,这些服务器耗电但是不做任何有用的工作,用户可让非时间紧要型存储离线工作,待机的磁带和光盘耗电量较少,而旋转的硬盘则耗电较多。寻找能够从本地逻辑转移到离线状态的存储任务,从而不必让更多的硬盘连接到网络。

服务器电源管理功能能够将服务器的组件控制成闲置和睡眠状态,这个功能就像笔记本电脑电源管理一样。在启用这种功能时,许多应用程序可以很好地工作,实现IT系统的节能。当然,也有一些应用程序的响应时间要求也许比省电更重要,这就需要根据实现情况确定。

配套设施协同跟进

虽然,采用新的节能型IT设备,是降低数据中心能耗的直接想法。但是,对于那些用来保障IT设备运行的配套设备,如UPS、空调等,CIO们往往缺乏应有的注意力。

事实上,数据中心配套设备更是电能消耗的大户,这其中尤以制冷的电力消耗为最。具体而言,数据中心制冷系统的主要节能途径包括制冷负荷计算、合理设定参数、送回风方式、选用高能效比设备、冷热风预处理及动态组合运营等。

计算数据中心制冷负荷包括数据中心机房内设备的散热、建筑围护结构的传热、太阳辐射热、人体散热散湿、照明设备散热和新风负荷等。因此,合理控制数据中心区域内的制冷参数,即设定合理的温湿度,即能产生明显的节能效果。例如已有的经验表明,如果将制冷参数降低1℃,可能会产生5%-10%的能耗变化。

高效率地设计和布置送回风方式及送风与回风通道,对数据中心节能同样存在重要影响。选用制冷性能系数和能效比高的空调设备,应当考虑采用高于《公共建筑节能设计标准》规定中建筑空调设备和《计算机和数据处理机房用单元式空气调节机》规定中精密空调设备的最低能效比指标,采用冷热预处理的新风通风换气系统。适当进行空调设备组合配置,能够动态提高制冷系统的效率。对于大型数据中心机房空调系统,适宜采用制冷性能系数和能效比较高的冷水机组空调系统,节能效果同样明显。

就空调设备而言,其具备四种功能:制冷、电加热、加湿和除湿。如果采用精密空调系统,则需要对温湿度进行精确控制,使其相互协同共同作用。 目前,多数数据中心采用多台空调独立运行模式,由此可能会产生某些问题:由于产品的非一致特性、参数设置的不合理及机房气流组织的不确定性,同一机房内多台空调可能运行在不同的状态,即有些空调在加湿状态而有些空调在除湿状态,白白消耗能源。因此,现在大多数设备厂家推出了精密空调群控系统,使同一机房内的空调系统工作在相同的状态上,从而避免了能源的无谓消耗。

另外,目前部分用户取消了精密空调机内的小功率加湿器,转而采用独立大功率的加湿系统,同时根据热负荷的实际情况自动调节空调风机送风的变风量系统。这些创新技术,在实际运行中都能起到很好的节能效果。如果用户使用这些含有节能技术的空调设备,虽然在采购成本上有所增加,但从后期应用的整体成本出发,也是能收确保回报的。

此外,制冷系统相关的节能方式还有四种值得一提。1.自然冷却系统。利用冬季气温较低的气候条件,通过盘管换热器为机房提供冷源,节省了空调机组的用电量,这也是目前采用比较多的一种方式;2.转轮换热系统。利用转轮换热技术,在换热效率上有了较大的提升,节能效果显著,在新风系统中已有大量的应用,但在机房制冷方面存在设备安装、湿度控制等方面的难题有待技术上的进一步完善,目前还停留在实验阶段;3.自然风冷却系统。将冬季室外冷空气经过处理后直接用于IT设备冷却,在冬季较寒冷地区具有非常好的节能效果。但是存在湿度和空气洁净度难以控制等问题,该系统的使用还在尝试阶段;4.湿膜制冷系统。利用水份蒸发吸热制冷,主要用于长年湿度较低的地区。目前一些机构正在与厂家联合研制,并已取得一定的成果。

在空调系统用电约占数据中心整体用电45%之外,用电占比约24%的配电系统也是节能降耗的重要领域。配电系统的节能主要依靠系统设计和产品性能的提高。在系统设计上应当采用适合自身需要的设计,避免过度规划。在系统配置上,应根据数据中心设备负载的特性,对系统谐波进行有效的治理。

具体而言,机房配电系统的建设应关注以下几个方面:1.合理规划系统冗余度,重点关注设备运行是否处于高效状态;2.关注电力传输电缆运行的经济性选择,在电缆线损与价格上寻找平衡点,不能只关注初期投资成本而忽视长期运行的线损。这是数据中心建设过程中长期被忽视的一个问题;3.选择高效UPS电源系统。目前常规的UPS电源系统的效率基本可达到93%,有些特殊形式的UPS系统效率高达98%。例如飞轮储能UPS系统,后备电力由高速飞轮提供,省去了蓄电池,在性能提高的同时更加环保,是UPS未来发展的方向之一。

建筑群体不能忽视

绿色数据中心首先应当是绿色建筑。所谓"绿色建筑"实际上是一个宽泛的理念,它既包括了建筑体本身的"绿色",同时又要求建筑体在其整个生命周期都应该是绿色的,包括废弃阶段。

因此,数据中心建设在总体设计中,需要从TCO、总体空间规划、合理气流组织、系统融合构建等方面考虑节能途径与节能措施。数据中心的总体设计更需要关注工程初期设计的合理性和适用性,充分考虑到如何在建设期和运营期内降低数据中心的日常运营成本,即能耗成本,同时降低数据中心的TCO,以提高数据中心的整体经济效用比。

目前,专业化、高等级的数据中心已从一幢建筑体逐渐发展成为建筑群体。例如:灾难备份中心包括数据中心机房主体建筑、动力中心、办公楼、配套研发楼和生活辅助楼等。数据中心合理的总体规划、空间与平面布局是依据建设需求进行总体设计的第一步,也是重要的一步。总体规划确定数据中心的等级规模和系统构成,空间与平面布局确定数据中心机房的场地分隔、工作流程以及建设工艺。现行数据中心采用机房密闭护围、大空间、少隔断、适宜的空间容积、人机区域分离、区域集中监控等,这些都是新一代数据中心空间与平面布局所崇尚的设计理念与节能策略。

数据中心通过精密空调的运行来确保IT设备运行所需的特定温湿度环境。因此,数据中心建筑围护的热工特性是影响精密空调设备能效的重要因素之一。我国地域广阔,各地气候条件差别非常大,全国划分为五个气候区域,建筑节能对不同气候区域的建筑围护结构的保温隔热要求有着不同的规定。

对于建筑体内的数据中心机房区域,其环境温度和湿度是基于设备环境的要求和机房设计标准而定的,通常需要在符合《公共建筑节能设计标准》的前提下,加强对数据中心机房区域进行建筑热工复合计算和设计处理。同时,根据数据中心所在外部环境、机房区域位置的内外部环境,以及数据中心内各功能区域相邻布局的内部环境,对IT关键设备区域加强措施,合理计算保温隔热的热工参数,选择适宜的围护结构与材料。使用传热系数值小的绝热材料,对顶、地、墙的六方体进行绝热,以减少围护结构四周的传热系数,整体将数据中心的机房区域包裹起来,可以达到较好的密闭保温节能效果。

另外,针对数据中心的主机房区域,应当采用无窗密闭护围,以避免和减少进入室内的太阳辐射以及窗或透明幕墙的温差传热,这也是降低空调能耗的主要途径和措施之一。对数据中心的支持区和辅助房间等功能区采用有窗玻璃护围时,应该控制建筑朝向及窗墙面积比,采用双层玻璃窗或low-e玻璃(幕墙),并辅助采用遮阳设施(外遮阳、内遮阳等)来减少太阳辐射量。

应该说,评估一个数据中心所在建筑是否具备绿色节能特点,目前国际公认的绿色建筑认证体系–LEED认证,是一个重要的考量标准。LEED是自愿采用的评估体系标准,主要目的是规范一个完整、准确的绿色建筑概念,LEED是性能性标准,主要强调建筑在整体、综合性能方面达到"绿化"要求。该标准很少设置硬性指标,各指标间可通过相关调整形成相互补充,以方便使用者根据本地区的技术经济条件建造绿色建筑。

LEED评估体系及其技术框架由五大方面及若干指标构成,主要从可持续建筑场址、水资源利用、建筑节能与大气、资源与材料、室内空气质量等方面对建筑进行综合考察,评判其对环境的影响,并根据各方面指标综合打分,通过评估的建筑,按分数高低分为白金、金、银、铜4个认证级别,以反映建筑的绿色水平。

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