一、 引言
隨著當今全球經(jīng)濟和信息化的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)中心開始投入使用，數(shù)據(jù)中心正成為新的耗電大戶。根據(jù)美國環(huán)保署報告，2006 年美國的數(shù)據(jù)中心累計消耗610 億kw 時，約等于580 萬個美國家庭的用電量。我國在2009 年國內(nèi)服務器的保有量已達366 萬臺左右，如果以每臺服務器的平均綜合功耗為800 W（據(jù) EYP 對數(shù)據(jù)中心機房的能耗調(diào)研分析可知,IT 設備及網(wǎng)絡通信設備能耗占總能耗50%，即服務器用電400 W,制冷等輔助用電400 W）來計算，每年由這些服務器所產(chǎn)生的耗電量約為256 億千瓦小時。今后幾年，數(shù)據(jù)中心還將可能發(fā)生爆發(fā)式增長。鑒于能源的有限性，建設節(jié)能型的綠色數(shù)據(jù)中心將成為必然趨勢。
二、 數(shù)據(jù)中心的能效比PUE
全球IT 行業(yè)的專家們定義了許多數(shù)據(jù)中心能效模型，其中比較有影響的組織是綠色網(wǎng)格組織（Green Grid）。2007 年2 月，綠色網(wǎng)格組織（Green Grid）制定了數(shù)據(jù)中心的能效比指標PUE（PowerUsage Effectiveness），PUE=數(shù)據(jù)中心總用電消耗/IT設備能源消耗。
根據(jù)IBM 的相關理論，PUE＜1.6 視為綠色數(shù)據(jù)中心的標志之一。我們知道，數(shù)據(jù)中心總能耗=制冷用電負荷+供配電能耗+IT設備能耗，IT設備能耗是用戶根據(jù)需求選型，選型應該充分考慮IT設備的能效比、IT設備所允許的工作溫度和濕度范圍的寬窄，這兩方面對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能有非常重要的作用。下面我將從供配電能耗、制冷用電負荷能耗兩方面分別闡述。
三、 供配電能耗
數(shù)據(jù)中心機房的供配電能耗主要集中在輸入變壓器、ATS 開關所組成的UPS 輸入供電系統(tǒng)、由UPS及其相應的輸入和輸出配電柜所組成的UPS 供電系統(tǒng)。它們的功耗約占機房總功耗的10%左右。其中7%左右來源于UPS 供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗，3%左右來源于UPS 輸入供電系統(tǒng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗。所以，降低供配電能耗的關鍵是降低UPS 系統(tǒng)的能耗。
1. 使用高效率UPS
一般情況下，數(shù)據(jù)中心常用的中大功率的三相UPS 有三種結(jié)構(gòu)：第一種是6 脈沖整流UPS，輸入功率因數(shù)約為0.8。電能中用于做無用功部分較大，效率相對較低；第二種是12 脈沖整流并選配諧波濾波器的條UPS，輸入功率因數(shù)可達到0.95。但缺點是設備量幾乎增加1/3，增加了投資和占地面積；第三種是高頻機結(jié)構(gòu)UPS，在不加任何外來設備的情況下，輸入功率因數(shù)大于0.99，效率非常高。此外，工頻機結(jié)構(gòu)UPS 大都配有輸出變壓器，在多機并聯(lián)時就會出現(xiàn)多個變壓器的并聯(lián)。變壓器并聯(lián)的缺點是存在環(huán)流，環(huán)流的長期存在將導致設備壽命縮短。高頻機結(jié)構(gòu)UPS 因沒有輸出變壓器，幾乎沒有環(huán)流。通過以上對比，高頻機結(jié)構(gòu)的UPS整體性能最優(yōu)，效率最高。但是，即使是在高頻機結(jié)構(gòu)UPS 問世已經(jīng)15 年后的今天，高頻機結(jié)構(gòu)UPS仍沒有得到廣泛應用，這的確是個讓人深思的問題。
2. 使用高壓直流供電
一般IT 設備的電源模塊的輸入端沒有工頻變壓器，所以輸入直流不會產(chǎn)生短路阻抗。因此我們就可以用直流電源代替交流電源，也就沒有必要用UPS。如果在輸入的直流配上蓄電池，輔以遠程監(jiān)控，構(gòu)成一個可靠的直流供電系統(tǒng)，就可取代UPS 交流供電系統(tǒng),供電原理如圖1 所示。
圖1 供電原理圖
通過測試, IT 設備二次電源基本上是一個恒功率設備。當交流220 V 供電時,它的等效直流電壓為200 V。如果將交流220 V 改為直流260 V 供電, 相當于電壓提高了30%。也就是說,此時的輸入電流下降了30%。設交流額定輸入時,電流為I。則直流輸入時,電流為0.7 I。
熱量計算
根據(jù)熱量計算公式：Ｑ＝ＫＩ²×Ｒ×t
K：電能轉(zhuǎn)換成熱能系數(shù)；
R：整流管等效電阻；
t：電流通過的時間。
設一個周期時間為T，則：交流輸入時，單個整流管在一個周期內(nèi)的平均熱量為：
Q=K(3I*3I)*R*(T/6)/T
＝K1.5(I*I)*R；
直流輸入時: Q=K(0.7I*0.7I))R*T/T
=K(0.49I*I)*R。
顯然, 當整流管等效電阻R 一定且整流管長期工作時, 發(fā)熱量只有交流輸入狀態(tài)下的1/3。整流管等效電阻R 也不是一個常數(shù)，根據(jù)二極管的伏安特性，直流輸入狀態(tài)下的R 也比交流輸入狀態(tài)下R小，因此發(fā)熱量會更少。
從以上計算可以得出，高壓直流電源供電發(fā)熱量少，需空調(diào)制冷的功率少，因此可以降低數(shù)據(jù)中心的能耗水平。目前，該項直流高壓供電技術已在中國電信江蘇分公司成功應用。
3. 使用飛輪技術
飛輪技術是一項新技術，被視為標準酸性鉛電池或標準UPS 的替代品。在國外，大型數(shù)據(jù)中心為追求更好的綠色節(jié)能效果，會采用飛輪替代傳統(tǒng)UPS方案。飛輪的作用是提供30 s 左右的短暫斷電，直到數(shù)據(jù)中心柴油機發(fā)電器啟動。飛輪通過7 700 轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)動存儲大動能，需要時可借助雙向IGBT 電源轉(zhuǎn)換器瞬間釋放。一個單獨飛輪可支持一個150千伏安UPS，按照75%的載荷連續(xù)運行30 s。飛輪儲能作為一種機械儲能的方式，比傳統(tǒng)化學蓄電池的效率高8%左右，達到了98%。
飛輪的優(yōu)勢體現(xiàn)在環(huán)保優(yōu)于鉛酸蓄電池，其體積小巧，更加節(jié)省空間。此外，飛輪更加持久耐用，使用壽命達20 年，可在0°～40°攝氏度溫度下工作。從而不必配用成本昂貴的空調(diào)，具有非常出色的節(jié)能環(huán)保的效果。
以雅虎“雞舍”數(shù)據(jù)中心為例，雅虎“雞籠”的每個“雞翼”大約消耗3.6 兆瓦電能。各排機柜以200 千瓦的增量為一組，每一部分都由從Active Power 公司定制的旋轉(zhuǎn)飛輪提供電力支持。據(jù)透露，這個項目的每兆瓦可節(jié)省電費5 000 000 美元，冷卻的節(jié)省是其中一個主要因素。
四、 空調(diào)系統(tǒng)用電負荷能耗
空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機房能耗的第二大戶，由它所產(chǎn)生的功耗約占數(shù)據(jù)中心機房所需總功耗的37%左右。其中25%左右的功耗來源于空調(diào)的制冷系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗，12%左右的功耗來源于空調(diào)送風和回風系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗。降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要任務是降低空調(diào)系統(tǒng)中各種電機功耗，并且要充分利用自然冷源。
1. 采用變頻電機節(jié)約能源
設計院在設計數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力一般是按外部環(huán)境溫度最高（夏天）、負載最大狀況下設計的，這樣可使空調(diào)系統(tǒng)全年絕大部分時間在負荷不飽滿狀態(tài)下運行。另外，大型數(shù)據(jù)中心的IT 負荷從零到滿載也需要相當長的時間。還有，IT 負載的能耗與網(wǎng)絡訪問量或運行狀態(tài)相關。因此，水冷空調(diào)系統(tǒng)中所有電機（冷水機組電機、冷卻塔電機、水泵電機等）需采用變頻系統(tǒng)，這樣可以節(jié)約大量能源。比如，對于風機和水泵類設備，輸入功率和這些設備的轉(zhuǎn)速的三次方成正比（由流體傳輸設備水泵和風機的工作原理可知：水泵和風機的流量與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵和風機的壓力（揚程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比；水泵和風機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵和風機的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比）。降低水泵和風機的轉(zhuǎn)速，那么其功率可以下降得更多。例如：利用變頻器使電機供電頻率由50 Hz 降為40 Hz，則P40/P50=（40/50）³=0.512通過變頻電機的節(jié)能效果特別明顯（P 為電機軸功率）。
2. 免費冷卻技術
免費冷卻技術指全部或部分使用自然界的免費冷源進行制冷，從而減少壓縮機或冷凍機消耗的能量。
目前，常用的免費冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，數(shù)據(jù)中心的選址應該在天氣比較寒冷或低溫時間比較長的地區(qū)。在中國，北方地區(qū)非常適合采用免費制冷技術。
數(shù)據(jù)中心在環(huán)境溫度較低的季節(jié)，將室外空氣經(jīng)過過濾后直接送入機房作為冷源，也能節(jié)省大量能源，稱為風冷自然冷卻。這種自然冷卻方式原理比較簡單，成本也比較低，但要克服空氣潔凈度、濕度、結(jié)露等問題。
五、 綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的建設實例
該數(shù)據(jù)中心位于上海浦東新區(qū)，一期主樓建筑面積約18 000 m2，其中機房面積約5 000 m2。在進行數(shù)據(jù)中心的前期設計時，決定采用空調(diào)冷水機組+板式換熱器相結(jié)合的制冷方案。該數(shù)據(jù)中心的最大特點使用自然冷卻方案，自然冷卻設計可以充分利用室外天然冷源，節(jié)省冷水機組的運行費用。自然冷卻分為部分自然冷卻和完全自然冷卻兩種運行模式。設計冷凍水供回水溫度是11.5℃～17.5℃，當冷卻水供水溫度低于16℃時，可以手動轉(zhuǎn)換至自然供冷模式，此為部分自然冷卻模式。當冷卻塔的溫度足以產(chǎn)生 10℃ 冷卻水時，冷凍水機組將關閉，冷卻塔將通過使用換熱器實現(xiàn)“自然冷卻”。基于上海的氣象參數(shù)統(tǒng)計，一年中26%的時間可以利用自然冷卻。其中14%的時間(1 230 h)為100%自然冷卻，12%的時間(1 064 h)為部分自然冷卻，如表1 所示。
表1 自然冷卻參數(shù)表
本項目設置兩個相對獨立的制冷機房，每個冷凍機房有三臺4 395 KW 的高壓離心式制冷機，二用一備。冷凍水供回水溫度設定為11.5℃～17.5℃。考慮前期負荷較小，為避免離心式冷水機組在低負荷時發(fā)生“喘振”現(xiàn)象。系統(tǒng)配置兩臺2 965 KW 的低壓離心式制冷機，一臺1 934 KW 的低壓離心式制冷機。
該數(shù)據(jù)中心工程采用的另一個節(jié)能技術是冷通道封閉技術。封閉冷通道技術是將冷空氣和熱空氣分別隔離，來保證冷熱空氣不會混合。經(jīng)過美國采暖工業(yè)協(xié)會及專家測試發(fā)現(xiàn)，只有IT 設備的入口溫度才是衡量數(shù)據(jù)中心溫度最為重要的指標。冷通道封閉技術對保證IT 設備入口溫度處于相對較低水平具有重要意義。具體做法就是將空調(diào)產(chǎn)生的冷空氣封閉在機柜的進風側(cè)，以提高空調(diào)制冷效率的技術。封閉冷通道可以給機柜內(nèi)創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定的、有利于設備運行的微環(huán)境冷通道封閉，各部分如圖2 所示。
圖2 冷通道封閉示意圖
冷通道封閉要求注意以下幾點：一是封閉空間必須符合消防要求；二是通道封閉部分應做到嚴密。機柜內(nèi)未安裝設備的位置，應安裝盲板；三是根據(jù)機柜內(nèi)設備的密度及功率大小，計算確定冷通道的體積。
冷通道封閉技術已經(jīng)比較成熟，在國內(nèi)其它一
些數(shù)據(jù)中心已開始使用。如蘇寧南京數(shù)據(jù)中心、阿
里巴巴試驗機房、建設銀行武漢災備中心數(shù)據(jù)機房
等。
此外，該數(shù)據(jù)中心工程的空調(diào)二次水泵、冷卻塔風機、精密空調(diào)風機等可采取調(diào)速措施。根據(jù)負載大小及環(huán)境情況進行調(diào)速，可大大降低能源消耗。
六、 我國綠色數(shù)據(jù)中心建設現(xiàn)狀及建議
在我國，綠色數(shù)據(jù)中心建設起步較晚，進展比較緩慢，基本上還處于初始階段，還沒有真正以綠色數(shù)據(jù)中心為設計主旨的工程案例。我國目前數(shù)據(jù)中心的PUE 平均值基本在1.8～2.0，中小規(guī)模機房的PUE 值更高，大都在2.5 以上。這表明國內(nèi)數(shù)據(jù)中心在前期規(guī)劃及設計時，沒有充分考慮綠色數(shù)據(jù)中心的建設問題。在數(shù)據(jù)中心選址、機房裝修、空調(diào)制冷、UPS 等影響節(jié)能的因素上存在設計缺陷，
導致PUE 值偏高。而國外早已走在我們的前列，如雅虎“雞窩”式數(shù)據(jù)中心的PUE 為1.08，F(xiàn)ace book數(shù)據(jù)中心的PUE 為1.15，谷歌比利時數(shù)據(jù)中心的PUE為1.16，惠普英國溫耶德數(shù)據(jù)中心的PUE 為1.16，微軟都柏林數(shù)據(jù)中心的PUE 為1.25 等。
我國綠色數(shù)據(jù)中心建設水平和國外相比差距較大，原因是多方面的。我認為主要為以下幾方面：一是沒有出臺強制標準的相關政策，數(shù)據(jù)中心建設單位對綠色建設的積極性不高；二是綠色數(shù)據(jù)中心前期投資較大，數(shù)據(jù)中心建設單位存在一定的資金壓力；三是數(shù)據(jù)中心建設的決策者以安全性和可靠性作為第一要務，對綠色數(shù)據(jù)中心技術的可靠性持懷疑態(tài)度；四是綠色數(shù)據(jù)中心的建設勢必會減少某些公司的利潤，技術創(chuàng)新動力不足。其中，最重要的還是綠色數(shù)據(jù)中心的強制標準。我國相關職能部門的決策者應根據(jù)我國數(shù)據(jù)中心建設的實際情況，盡快制定出綠色數(shù)據(jù)中心的強制標準并加以實施。只有這樣，我國的綠色數(shù)據(jù)中心建設才能獲得長足的發(fā)展。
核心關注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務領域、行業(yè)應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務領域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關注ERP管理系統(tǒng)的核心領域，是眾多中小企業(yè)信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://m.nttd-wave.com.cn/
本文標題：淺談綠色數(shù)據(jù)中心建設
本文網(wǎng)址：http://m.nttd-wave.com.cn/html/support/11121510159.html
相關文章
