如何踐行數(shù)據(jù)中心的綠色與節(jié)能

中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院 | 廖霄 吳勁松

如何踐行數(shù)據(jù)中心的綠色與節(jié)能

中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院 | 廖霄 吳勁松

綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能設(shè)計，在滿足業(yè)務(wù)需要和安全運行的前提下，應(yīng)集中在IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、電源系統(tǒng)和照明系統(tǒng)節(jié)能等四個方面進行節(jié)能措施和思路的探索。

網(wǎng)絡(luò)演進和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展帶動數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大，消耗的電能也越來越來多。數(shù)據(jù)中心用電負荷的幾何級數(shù)增長，遠遠超過供電容量的增長，用電問題已成為制約數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸。據(jù)統(tǒng)計，用電成本約占數(shù)據(jù)中心整體運行成本的60%以上。巨大的用電容量給數(shù)據(jù)中心的發(fā)展和運營帶來了巨大的壓力，以“綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效”為理念的綠色數(shù)據(jù)中心已作為下一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)的主要發(fā)展方向。

本文從數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)分析出發(fā)，從IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等四個能耗主要構(gòu)成方面，提出了綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能解決方案和措施，為如何建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心提供了建議。

數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成

根據(jù)國內(nèi)外各大權(quán)威機構(gòu)對數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)與組成的調(diào)查分析可知，一個典型的數(shù)據(jù)中心，其能耗主要由四大塊組成：

第一大塊是占數(shù)據(jù)中心總能耗約50%的IT設(shè)備系統(tǒng)，包括服務(wù)器設(shè)備、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等。其中，服務(wù)器設(shè)備所占總功耗約40%，存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備約占總功耗的10%。

第二大塊是占數(shù)據(jù)中心總能耗約37%的空調(diào)系統(tǒng)。其中，空調(diào)制冷系統(tǒng)約占總功耗的25%，空調(diào)送、回風(fēng)系統(tǒng)約占總功耗的12%。

第三大塊是占數(shù)據(jù)中心總能耗約10%的UPS供配電系統(tǒng)。其中，UPS供電系統(tǒng)約占總功耗的7%，UPS輸入供電系統(tǒng)約占總功耗的3%。

數(shù)據(jù)中心總功耗剩余的3%屬于輔助照明系統(tǒng)。

如圖可知，要降低數(shù)據(jù)中心能耗，實現(xiàn)綠色節(jié)能減排，最重要的就是降低IT設(shè)備的能耗，空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和輔助照明系統(tǒng)同樣也是不可忽視的因素。

從上述分析可知，綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能設(shè)計，在滿足業(yè)務(wù)需要和安全運行的前提下，應(yīng)集中在IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、電源系統(tǒng)和照明系統(tǒng)節(jié)能等四個方面進行節(jié)能措施和思路的探索。

IT設(shè)備節(jié)能

IT設(shè)備作為數(shù)據(jù)中心的第一能耗大戶，選用低能耗的IT設(shè)備是數(shù)據(jù)中心最重要的節(jié)能手段。針對IT設(shè)備選用，節(jié)能措施主要從設(shè)備選型、使用、部署和維護三個方面考慮。

（1）在設(shè)備選型上，首先應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)中心的建設(shè)標準，根據(jù)實際需求購置、擴容設(shè)備，宜選擇擴展性強的設(shè)備，對工作環(huán)境溫、濕度要求相對寬松的設(shè)備，避免超前使用過高檔次或高配置的設(shè)備。其次，在同等性能條件下，設(shè)備選型時應(yīng)優(yōu)先選擇散熱能力強、體積小、重輕、噪音低和易于標準機架安裝等的設(shè)備。

在技術(shù)選擇上，推薦選擇運用低功耗核CPU處理器、虛擬化運算技術(shù)、刀片式架構(gòu)、高效電源、動態(tài)制冷、電源智能管理功能及“動態(tài)休眠”等技術(shù)的設(shè)備。設(shè)備應(yīng)能根據(jù)系統(tǒng)運行要求及負載狀態(tài)動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)各組件（CPU、硬盤、外設(shè)等）的工作及休眠狀態(tài)，支持任務(wù)隊列的同步智能調(diào)度，實現(xiàn)理想的降耗效果。建議設(shè)備整體休眠節(jié)能效果最低應(yīng)達到20%，具有國際/國家/行業(yè)節(jié)能等級認證的設(shè)備為優(yōu)。

（2）設(shè)備使用，在滿足數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)安全性的前提下，應(yīng)盡量提高IT設(shè)備的利用率，節(jié)省運行設(shè)備數(shù)量。

● 根據(jù)數(shù)據(jù)中心規(guī)模，合理配置維護終端、網(wǎng)管服務(wù)器和KVM設(shè)備等的數(shù)量；

● 統(tǒng)籌考慮數(shù)據(jù)中心內(nèi)的各類計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，采用松耦合架構(gòu)配置各類資源，實現(xiàn)資源的共享和靈活調(diào)度，可根據(jù)資源消耗比例靈活增加或減少某類資源的配置，使得資源配置優(yōu)化，真正做到按需最優(yōu)配置。

● 在技術(shù)成熟的條件下，適時運用虛擬化和集群技術(shù)。

（3）設(shè)備部署與維護，為達到良好的IT設(shè)備節(jié)能降耗效果，建議設(shè)備部署與維護中遵循如下原則：

● 機架設(shè)備的部署應(yīng)滿足機房整體布局及冷熱分區(qū)的要求，各機架用電量應(yīng)與機房相應(yīng)區(qū)域的制冷量相適應(yīng)，設(shè)備的進排風(fēng)方向應(yīng)與機房氣流組織的要求一致；

● 合理規(guī)劃設(shè)備部署，各機架的用電量應(yīng)盡量均勻，避免出現(xiàn)局部熱島；同機架內(nèi)盡量部署物理尺寸、用電量及進排風(fēng)能力接近的設(shè)備，單機架耗電量建議不超過機房設(shè)計的機架平均用電量；當(dāng)機架用電量差別很大且難以調(diào)整時，應(yīng)將機房制冷能力及制冷量的分布相結(jié)合統(tǒng)一考慮不同功耗的機架位置。

● 機架宜按規(guī)劃設(shè)計能力飽滿使用，若機架無法一次裝滿，宜從距離送風(fēng)口較近的空間開始安裝設(shè)備，設(shè)備之間的空隙位置應(yīng)安裝擋風(fēng)板，防止冷熱風(fēng)短路。

機房空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能

數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)主要部署的是服務(wù)器、存儲設(shè)備、交換機、路由器等對環(huán)境溫濕度、潔凈度要求較高的精密設(shè)備，對機房環(huán)境有嚴格要求，因此需采用機房精密空調(diào)系統(tǒng)。在機房專用空調(diào)系統(tǒng)的選擇上，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心建設(shè)標準、建設(shè)規(guī)模、建筑條件、機房設(shè)備的使用特點、所在地區(qū)氣象條件等，結(jié)合當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)、價格政策和環(huán)保規(guī)定等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。

（1）空調(diào)設(shè)備選型和配置原則

● 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件采用節(jié)能措施，如大型數(shù)據(jù)中心機房宜采用水冷冷水機組空調(diào)系統(tǒng)；北方地區(qū)采用水冷冷水機組的機房，冬季可利用室外冷卻塔作為冷源，并應(yīng)通過熱交換器對空調(diào)冷凍水進行降溫。

● 數(shù)據(jù)中心的機房專用空調(diào)制冷設(shè)備，按冷源的供給方式可分為單元式空調(diào)制冷設(shè)備和中央冷源空調(diào)制冷設(shè)備，空調(diào)設(shè)備在名義制冷工況和規(guī)定條件下，其能效比應(yīng)不低于《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189中的規(guī)定，并以數(shù)值越高越好。

● 在對空調(diào)設(shè)備進行選型過程中，機房的熱負荷是重要參數(shù)之一。根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》GB50174，數(shù)據(jù)中心機房的空調(diào)設(shè)備額定制冷量的計算，需綜合考慮機房內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱量、建筑維護結(jié)構(gòu)熱負荷、通過外窗進入的太陽輻射熱、照明負荷、補充的新風(fēng)負荷和維護人員的散熱負荷等，并在確定的最大熱負荷量的基礎(chǔ)上留有15～20%的余量。

● 在空調(diào)設(shè)備數(shù)量的配置上，宜每4～5臺配置1臺備用空調(diào)，并在每個機房至少配備1臺備用空調(diào)。

● 針對采用冷凍水空調(diào)的機房，可采用高溫冷凍水設(shè)計。在同樣溫差條件下，蒸發(fā)溫度每升高1℃，能效比可以提高2～3%。同樣，提高蒸發(fā)溫度還有利于利用自然冷源，對于同一個地區(qū)來說，蒸發(fā)溫度越高，每年可利用自然冷源進行自然冷卻的時間就越長。

● 合理設(shè)計空調(diào)設(shè)備的回風(fēng)溫度。目前很多數(shù)據(jù)中心機房都將環(huán)境溫度設(shè)定為23℃±1℃，而IT設(shè)備發(fā)展到現(xiàn)在，幾乎所有服務(wù)器設(shè)備的報警溫度都是32℃，按照這個數(shù)據(jù)，可將空調(diào)回風(fēng)溫度設(shè)置為28～29℃，縮短壓縮機運行時間從而起到節(jié)能左右。

● 采用新技術(shù)，有效充分利用自然冷源的制冷能力。

（2）機房內(nèi)氣流組織優(yōu)化

● 根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》GB50174和《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標準》TIA-942，數(shù)據(jù)中心機房機架排列宜采用“面對面、背靠背”布置，形成“冷”和“熱”通道。

● 機房空調(diào)宜采用下送風(fēng)、上回風(fēng)方式，架空地板下不應(yīng)布放各類線纜以免影響送風(fēng)效果；合理規(guī)劃架空地板高度，確定地板下送風(fēng)斷面風(fēng)速控制在1.5～2.5m/s，架空地板高度不宜小于400mm。

● 機架距離空調(diào)設(shè)備的距離應(yīng)大于1200mm，避免出現(xiàn)回風(fēng)短路的情況；當(dāng)空調(diào)設(shè)備送風(fēng)距離大于15米時，需在機房布置空調(diào)設(shè)備，從機房兩側(cè)送風(fēng)。

● 在特殊情況下，必需采用上送風(fēng)、下(側(cè))回風(fēng)方式時，應(yīng)采用風(fēng)管送風(fēng)方式，風(fēng)管、送(回)風(fēng)口的尺寸根據(jù)機房總熱負荷計算確定。

圖 典型數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成

供配電系統(tǒng)節(jié)能

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)用于提供滿足設(shè)備使用的電壓和電流，并保證供電的安全性和可靠性。供配電系統(tǒng)通常由高低壓配電系統(tǒng)、變壓器、UPS系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，一個數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)通常包括上百臺、甚至上千臺設(shè)備。

供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的第三耗能大戶，在規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負荷容量、用電設(shè)備特點、供電線路距離及分布等因素，從設(shè)計、運行和管理等方面采用各種先進可行的節(jié)能技術(shù)、方法和措施，如采用新型供電技術(shù)提高電源轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化設(shè)計減少線路損耗，無功補償及諧波治理等等。

（1）供電設(shè)備選型

對供電設(shè)備進行選型時，建議選用新型節(jié)能設(shè)備或技術(shù)減少設(shè)備自身能耗，提供系統(tǒng)整體節(jié)能效果。

例如，針對變壓器，宜選用干式變壓器，或者是空載損耗比更低的非晶合金干式變壓器。針對UPS設(shè)備，在相同額定容量時，可選用高轉(zhuǎn)換效率的高頻UPS（包括模塊化UPS）等。在滿足IT設(shè)備安全可靠運行的條件下，還可以在選用高頻直流供電系統(tǒng)對IT設(shè)備進行供電，該方式由于省去了逆變環(huán)節(jié)，能耗降低，效率相對于傳統(tǒng)塔式UPS大幅提高，模塊化的整塊模塊也更易于維護。

在新型節(jié)能技術(shù)方面，宜選用具備“動態(tài)休眠”技術(shù)的UPS產(chǎn)品設(shè)備，該技術(shù)可在系統(tǒng)負載較低的情況下，與動力監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合自動根據(jù)當(dāng)前總負載的大小計算出需工作的整流模塊或UPS數(shù)量，實現(xiàn)對UPS系統(tǒng)的整體效率提升，減少能源在低負載下的浪費。

（2）合理進行設(shè)備配置

通常來說，數(shù)據(jù)中心的負載是分步增長的。在項目初期，機房設(shè)備的負載率一般都較低，導(dǎo)致系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的效率常常低于設(shè)計效率。因此，在規(guī)劃設(shè)計數(shù)據(jù)中心時，應(yīng)首先對數(shù)據(jù)中心的近遠期發(fā)展情況進行詳細規(guī)劃或準確預(yù)測，按實際需求逐批次建設(shè)供配電系統(tǒng)，使設(shè)備的實際負載率接近或達到產(chǎn)品設(shè)計的最佳負載率，利用率和使用效率達到最優(yōu)，提高設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟效益，減少設(shè)備自身能耗。

（3）合理設(shè)計布線路由

首先，要按終期負荷合理計算并選擇電纜電線的截面。對于距離較長的供電線路，在滿足敷設(shè)條件、載流量、電壓降、熱穩(wěn)定及保護配合的條件下，可適當(dāng)增大電纜電線的橫截面積以降低線路損耗。

其次，在布放線纜時，應(yīng)對線纜路由進行合理規(guī)劃和設(shè)計，盡量選擇最短路徑減少線纜長度，減少不必要的浪費。

此外，還可在數(shù)據(jù)中心布局規(guī)劃時，合理布置電源機房，使電源設(shè)備盡可能地靠近負載，減少長距離供電而造成的線路損耗。

（4）無功補償及諧波治理

通過合理選擇無功補償方式、補償點及補償容量，能有效地穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓水平，提高設(shè)備運行功率因素，降低線路運行電流。在建設(shè)供配電系統(tǒng)時，應(yīng)采用并聯(lián)電容器裝置補償無功，其容量和分組應(yīng)按照就地補償及不發(fā)生諧振的原則進行配置，補償后供電系統(tǒng)的負荷功率因素應(yīng)滿足當(dāng)?shù)毓╇姴块T的要求，沒有無明確要求時，功率因素值不宜低于0.9。

此外，交流供電系統(tǒng)內(nèi)電流總諧波畸變率（THDi）大于10%時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)及負荷情況進行諧波治理，通過經(jīng)濟技術(shù)比較，合理配置濾波器。

照明系統(tǒng)節(jié)能

對數(shù)據(jù)中心照明系統(tǒng)進行節(jié)能降耗，根據(jù)建筑布局和照明場所，在滿足國標規(guī)定的場所照度和照明功率密度的前提下，合理布置光源、選擇照明方式、光源類型是降損節(jié)能的最有效方法。具體措施有：

（1）機房內(nèi)選用T8或T5系列三基色直管熒光燈、LED等高效節(jié)能光源作為主要的光源，以電子鎮(zhèn)流器取代電感鎮(zhèn)流器，應(yīng)用電子調(diào)光器、延時開關(guān)、光控開關(guān)、聲控開關(guān)、感應(yīng)式開關(guān)取代蹺板式開關(guān)等等，將大幅降低照明能耗和線損。以T5三基色直管熒光燈為例，與普通鹵粉熒光燈相比，在同樣照度的前提下，后者比前者的光效降低30%，即新型節(jié)能光源節(jié)能達30%。

（2）在滿足眩光限制和配光要求條件下，還應(yīng)選用效率高的燈具，這也是確定房間照度的因素之一。在同樣照度的前提下，提高燈具效率可減少所需的燈具數(shù)量，最終達到節(jié)能效果。通常開敞式燈具效率不低于75%，格柵燈具不低于60%。

（3）應(yīng)能對數(shù)據(jù)中心各區(qū)域內(nèi)燈具的開關(guān)進行方便、靈活的控制，控制方式可采用智能照明控制或墻壁開關(guān)分場景、分區(qū)域控制，還可加入紅外、光控、聲控等控制手段。采用照明控制后，可減少不必需的開燈，延長燈具使用壽命，實現(xiàn)節(jié)能。對開關(guān)進行分場景、分區(qū)域劃分時，宜遵照以下原則:

● 按機房列間分組；

● 與側(cè)窗平行分組；

● 根據(jù)維護、值班、安防等不同場景需求自定義程序?qū)崿F(xiàn)分組定時開啟/關(guān)閉。