數(shù)據(jù)機房節(jié)能技術及發(fā)展趨勢淺探

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摘要：隨著現(xiàn)代信息技術的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)機房的建設規(guī)模和運行能耗增長迅速，需要通過節(jié)能設計和高效運維來提高能源使用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。本文分析了國內(nèi)數(shù)據(jù)機房的能耗現(xiàn)狀，介紹了IT設備、空調(diào)、供電等主要系統(tǒng)的節(jié)能技術及其未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：數(shù)據(jù)機房；節(jié)能技術；發(fā)展趨勢

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬計算等新概念、新技術的廣泛應用，數(shù)據(jù)機房作為支撐其高效穩(wěn)定運行的核心基礎設施，建設規(guī)模急劇增長。截至2017年，我國正在使用的機柜總計166萬架，隨著機架和刀片服務器功率的增加，能耗（發(fā)熱）密度也不斷增長。建設規(guī)模的擴張和耗能密度的增大，使得數(shù)據(jù)機房的運行能耗增長迅速，這給機房的運維管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)相關調(diào)查統(tǒng)計，2017年我國數(shù)據(jù)機房總耗電量約為1250億kW·h，超過了葛洲壩和三峽發(fā)電站當年的發(fā)電量之和。

1數(shù)據(jù)機房當前能耗現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)數(shù)據(jù)機房當前能耗現(xiàn)狀

作為設計和評估數(shù)據(jù)中心評價能源效率的一項關鍵技術指標，PUE（數(shù)據(jù)總的能耗與IT設備總能耗之比）被設計院和用戶廣泛應用。通常認為，PUE值越接近1，該數(shù)據(jù)機房節(jié)能化水平越高。目前，如Facebook、雅虎、谷歌等知名企業(yè)建設的數(shù)據(jù)機房，其PUE值普遍低于1.5，有的甚至達到了1.1，而我國大部分數(shù)據(jù)機房的PUE值在2～3，以上海為例，數(shù)據(jù)機房全年PUE平均值為2.21。我國一些大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已經(jīng)開展了一系列節(jié)能實踐，在數(shù)據(jù)機房的建設和改造中采用了多項節(jié)能措施，高能耗問題依舊普遍存在，改進和提升節(jié)能性能的空間仍然很大。

1.2數(shù)據(jù)機房整體能耗分析

數(shù)據(jù)機房能耗主要包括以下幾個部分：（1）數(shù)據(jù)機房IT設備用電；（2）制冷系統(tǒng)用電；（3）供電系統(tǒng)用電；（4）照明、通風、加濕等其他系統(tǒng)設備用電等。分析目前我國數(shù)據(jù)機房能耗偏高的原因，主要包括以下幾個方面：（1）IT設備能耗偏高；（2）選用的空調(diào)冷源形式、氣流組織形式不合理，造成數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)能耗高；（3）供電系統(tǒng)不夠優(yōu)化，變壓器、UPS等供電設備電能損耗高；（4）運行管理能力不足，效率低下。

2數(shù)據(jù)機房常用節(jié)能技術

2.1IT設備節(jié)能技術

服務器、存儲設備、網(wǎng)絡、控制軟件構成了數(shù)據(jù)機房的核心。在保證穩(wěn)定運行的條件下，提高數(shù)據(jù)機房IT設備使用效率，可有效降低對電力的消耗，從而降低運營成本。對于服務器而言，節(jié)能技術主要包括以下幾種：（1）服務器機箱通風技術。該技術在延續(xù)了服務器前進風后出風的設計理念的同時，將機箱分為多個散熱區(qū)域，使得機箱氣流分割更加精細，可以更準確地控制氣流流向，大大提高了機箱的散熱效率。（2）使用高效率電源。采用80plus白金電源，該電源在50%的負載下轉(zhuǎn)換效率高達94%，可動態(tài)調(diào)節(jié)并均衡分配電源模塊負載，以保證電源轉(zhuǎn)換效率。（3）處理器休眠技術。當處理器較長時間處于空閑狀態(tài)時，該技術可以讓CPU進入不同的休眠狀態(tài)，通過降低電壓或切斷內(nèi)部時鐘實現(xiàn)節(jié)能。（4）動態(tài)能耗管理技術DEMT。根據(jù)CPU負載、環(huán)境溫度等多種輸入?yún)?shù)，按資源的實時使用率，調(diào)整服務器的整體運行狀態(tài)，動態(tài)實時智能調(diào)節(jié)各部件的功耗，以最小化服務器電耗。對于存儲設備，可以采取以下技術手段實現(xiàn)節(jié)能目的：（1）配置精簡自動化技術。根據(jù)用戶的容量及使用需求，對存儲容量資源進行實時、動態(tài)的自動分配，充分利用磁盤陣列的有效存儲空間，提升存儲空間利用率，在節(jié)省電力消耗的同時降低制冷成本。（2）重復數(shù)據(jù)刪除技術。通過將數(shù)據(jù)進行分塊，篩選并刪除相同的數(shù)據(jù)塊，達到節(jié)約存儲空間的目的，進而達到減少能耗的效果。

2.2空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術

對數(shù)據(jù)機房而言，空調(diào)系統(tǒng)能耗約占總能耗的47%左右，因此，提高能源利用效率最直接的方法就是降低數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)能耗。（1）選擇合理的空調(diào)冷源形式。目前最常見的空調(diào)冷源有：風冷直接蒸發(fā)式系統(tǒng)、風冷冷水系統(tǒng)、水冷直接蒸發(fā)式系統(tǒng)、水冷冷水系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)需要根據(jù)地理環(huán)境、機房等級、制冷量需求、占地面積、經(jīng)濟性、可擴展性等因素，選用上述一種或多種形式的組合。（2）合理應用自然冷源技術。自然冷源，即直接或間接引入室外冷空氣或低溫水（如地下水、江水、河水、湖水、海水、自來水），與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合使用，對數(shù)據(jù)機房進行降溫冷卻。（3）提高空調(diào)送風溫度。將機房環(huán)境溫度控制在23～27℃，在保證機房設備正常運行的同時，可以降低用于除濕、降溫、加濕熱所需的能耗。并且溫度設定的越高，其節(jié)能效果越明顯。（4）采用CFD技術。對數(shù)據(jù)機房空調(diào)送風溫度、送風速度、機柜排列方式、空調(diào)送回風方式等進行數(shù)值模擬計算，深入了解機房內(nèi)氣流速度場和溫度場的分布，并優(yōu)化氣流組織、冷量分配方案，在滿足機柜設備的散熱需要的同時，達到降低機房空調(diào)能耗的目的。（5）采用封閉冷熱通道技術。對于高熱密度機柜而言，采用封閉冷通道技術，機柜的正面空間被延展為送風靜壓箱，可使空調(diào)送出的冷風全部用于設備散熱，提空調(diào)系統(tǒng)冷量利用率。（6）選用帶變風量風機的送風地板進行精確送風。對于采用地板送風的數(shù)據(jù)機房，可在機柜上部裝設控制單元，并經(jīng)由溫度傳感器來檢測、收集機柜排風溫度信息，根據(jù)機柜排風溫度，由前端控制器實時調(diào)節(jié)各智能送風口的送風量，避免由于機房局部過熱，導致降低送風溫度，增加空調(diào)能耗的情況發(fā)生。

2.3供電系統(tǒng)節(jié)能技術

供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗，主要是降低非負載設備的用電損耗。（1）采用節(jié)能效果好的變壓器，并合理使用“2N”變壓器結(jié)構，降低電能損耗。（2）高壓直流供電。采用整流模塊+蓄電池組的并聯(lián)冗余結(jié)構，在提高供電系統(tǒng)可靠性的同時，可以根據(jù)負載的實際情況靈活調(diào)整投入運行的整流模塊數(shù)量，確保在線的整流模塊始終處于高負載率模式下運行。（3）設置電量計量、監(jiān)控及綜合管理系統(tǒng)，對每個環(huán)節(jié)的用電數(shù)據(jù)進行實時采集、分析，并根據(jù)綜合調(diào)節(jié)。2.4數(shù)據(jù)機房節(jié)能運行管理對運行數(shù)據(jù)實時采集、計算、診斷、優(yōu)化、評估，以按需供能為指導，制定機柜微環(huán)境調(diào)整、配電參數(shù)調(diào)整、水系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整、精密空調(diào)參數(shù)調(diào)整等策略，降低數(shù)據(jù)機房能耗，提高能源利用效率。

3數(shù)據(jù)機房節(jié)能技術發(fā)展趨勢

數(shù)據(jù)機房制冷的核心目的是降低芯片的溫度，使其保持正常運行和長期可靠。目前數(shù)據(jù)機房大多采用風冷的形式對CPU芯片進行冷卻，無論是服務器內(nèi)部還是機房空調(diào)系統(tǒng)硬件的設計，其技術都比較成熟。這種方式除了風扇產(chǎn)生噪音外，風扇所產(chǎn)生的能耗約占冷卻能耗的30%以上，同時風冷散熱器也存在散熱極限。實驗研究發(fā)現(xiàn)，如果芯片熱流密度超過50W/cm2時，即使增大風速其冷卻效果也已經(jīng)不明顯。如果進一步降低進風溫度，除了降低空調(diào)送風溫度、增加制冷機組的能耗外，安裝芯片的基板溫度有可能降到露點溫度，這將帶來新的問題。液體冷卻方式分為導熱型和浸沒型。其區(qū)別在于冷卻液是否與電子元件或其封裝體發(fā)生直接性的物理接觸。浸沒式冷卻是將各類基板包括存儲，通信和供電在內(nèi)的各種元件及裝置完全浸沒在裝滿非導電絕緣工作液體的冷卻槽內(nèi)，冷卻液在電子元件表面強制對流直接吸熱進行冷卻。隨著芯片技術的跨越式發(fā)展，冷卻方式逐步從機房級、列間級、機柜級發(fā)展至服務器級，液體冷卻技術也將替代空氣冷卻技術成為主流。

4結(jié)語

綜上所述，數(shù)據(jù)機房運行能耗很高，節(jié)能潛力巨大，在對其進行建設或節(jié)能改造時，應結(jié)合其自身特點，積極應用節(jié)能減排新技術，同時實行節(jié)能管理，最大程度降低機房運行能耗，提高能源利用效率。在能源緊缺的今天，唯有在各個環(huán)節(jié)做好節(jié)能減排工作，實現(xiàn)整體節(jié)能減排效能，才能促進數(shù)據(jù)機房建設綠色可持續(xù)發(fā)展，進而為創(chuàng)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約型新社會貢獻出更大的力量。

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作者:遲媛 張兵 朱國棟 王納 單位:北京特種工程設計研究院