一、 引言
随着当今全球经济和信息化的发展，越来越多的数据中心开始投入使用，数据中心正成为新的耗电大户。根据美国环保署报告，2006 年美国的数据中心累计消耗610 亿kw 时，约等于580 万个美国家庭的用电量。我国在2009 年国内服务器的保有量已达366 万台左右，如果以每台服务器的平均综合功耗为800 W（据 EYP 对数据中心机房的能耗调研分析可知,IT 设备及网络通信设备能耗占总能耗50%，即服务器用电400 W,制冷等辅助用电400 W）来计算，每年由这些服务器所产生的耗电量约为256 亿千瓦小时。今后几年，数据中心还将可能发生爆发式增长。鉴于能源的有限性，建设节能型的绿色数据中心将成为必然趋势。
二、 数据中心的能效比PUE
全球IT 行业的专家们定义了许多数据中心能效模型，其中比较有影响的组织是绿色网格组织（Green Grid）。2007 年2 月，绿色网格组织（Green Grid）制定了数据中心的能效比指标PUE（PowerUsage Effectiveness），PUE=数据中心总用电消耗/IT设备能源消耗。
根据IBM 的相关理论，PUE＜1.6 视为绿色数据中心的标志之一。我们知道，数据中心总能耗=制冷用电负荷+供配电能耗+IT设备能耗，IT设备能耗是用户根据需求选型，选型应该充分考虑IT设备的能效比、IT设备所允许的工作温度和湿度范围的宽窄，这两方面对数据中心的节能有非常重要的作用。下面我将从供配电能耗、制冷用电负荷能耗两方面分别阐述。
三、 供配电能耗
数据中心机房的供配电能耗主要集中在输入变压器、ATS 开关所组成的UPS 输入供电系统、由UPS及其相应的输入和输出配电柜所组成的UPS 供电系统。它们的功耗约占机房总功耗的10%左右。其中7%左右来源于UPS 供电系统所产生的功耗，3%左右来源于UPS 输入供电系统系统所产生的功耗。所以，降低供配电能耗的关键是降低UPS 系统的能耗。
1. 使用高效率UPS
一般情况下，数据中心常用的中大功率的三相UPS 有三种结构：第一种是6 脉冲整流UPS，输入功率因数约为0.8。电能中用于做无用功部分较大，效率相对较低；第二种是12 脉冲整流并选配谐波滤波器的条UPS，输入功率因数可达到0.95。但缺点是设备量几乎增加1/3，增加了投资和占地面积；第三种是高频机结构UPS，在不加任何外来设备的情况下，输入功率因数大于0.99，效率非常高。此外，工频机结构UPS 大都配有输出变压器，在多机并联时就会出现多个变压器的并联。变压器并联的缺点是存在环流，环流的长期存在将导致设备寿命缩短。高频机结构UPS 因没有输出变压器，几乎没有环流。通过以上对比，高频机结构的UPS整体性能最优，效率最高。但是，即使是在高频机结构UPS 问世已经15 年后的今天，高频机结构UPS仍没有得到广泛应用，这的确是个让人深思的问题。
2. 使用高压直流供电
一般IT 设备的电源模块的输入端没有工频变压器，所以输入直流不会产生短路阻抗。因此我们就可以用直流电源代替交流电源，也就没有必要用UPS。如果在输入的直流配上蓄电池，辅以远程监控，构成一个可靠的直流供电系统，就可取代UPS 交流供电系统,供电原理如图1 所示。
图1 供电原理图
通过测试, IT 设备二次电源基本上是一个恒功率设备。当交流220 V 供电时,它的等效直流电压为200 V。如果将交流220 V 改为直流260 V 供电, 相当于电压提高了30%。也就是说,此时的输入电流下降了30%。设交流额定输入时,电流为I。则直流输入时,电流为0.7 I。
热量计算
根据热量计算公式：Ｑ＝ＫＩ²×Ｒ×t
K：电能转换成热能系数；
R：整流管等效电阻；
t：电流通过的时间。
设一个周期时间为T，则：交流输入时，单个整流管在一个周期内的平均热量为：
Q=K(3I*3I)*R*(T/6)/T
＝K1.5(I*I)*R；
直流输入时: Q=K(0.7I*0.7I))R*T/T
=K(0.49I*I)*R。
显然, 当整流管等效电阻R 一定且整流管长期工作时, 发热量只有交流输入状态下的1/3。整流管等效电阻R 也不是一个常数，根据二极管的伏安特性，直流输入状态下的R 也比交流输入状态下R小，因此发热量会更少。
从以上计算可以得出，高压直流电源供电发热量少，需空调制冷的功率少，因此可以降低数据中心的能耗水平。目前，该项直流高压供电技术已在中国电信江苏分公司成功应用。
3. 使用飞轮技术
飞轮技术是一项新技术，被视为标准酸性铅电池或标准UPS 的替代品。在国外，大型数据中心为追求更好的绿色节能效果，会采用飞轮替代传统UPS方案。飞轮的作用是提供30 s 左右的短暂断电，直到数据中心柴油机发电器启动。飞轮通过7 700 转/分钟的转动存储大动能，需要时可借助双向IGBT 电源转换器瞬间释放。一个单独飞轮可支持一个150千伏安UPS，按照75%的载荷连续运行30 s。飞轮储能作为一种机械储能的方式，比传统化学蓄电池的效率高8%左右，达到了98%。
飞轮的优势体现在环保优于铅酸蓄电池，其体积小巧，更加节省空间。此外，飞轮更加持久耐用，使用寿命达20 年，可在0°～40°摄氏度温度下工作。从而不必配用成本昂贵的空调，具有非常出色的节能环保的效果。
以雅虎“鸡舍”数据中心为例，雅虎“鸡笼”的每个“鸡翼”大约消耗3.6 兆瓦电能。各排机柜以200 千瓦的增量为一组，每一部分都由从Active Power 公司定制的旋转飞轮提供电力支持。据透露，这个项目的每兆瓦可节省电费5 000 000 美元，冷却的节省是其中一个主要因素。
四、 空调系统用电负荷能耗
空调系统是数据中心机房能耗的第二大户，由它所产生的功耗约占数据中心机房所需总功耗的37%左右。其中25%左右的功耗来源于空调的制冷系统所产生的功耗，12%左右的功耗来源于空调送风和回风系统所产生的功耗。降低空调系统能耗的主要任务是降低空调系统中各种电机功耗，并且要充分利用自然冷源。
1. 采用变频电机节约能源
设计院在设计数据中心空调系统的制冷能力一般是按外部环境温度最高（夏天）、负载最大状况下设计的，这样可使空调系统全年绝大部分时间在负荷不饱满状态下运行。另外，大型数据中心的IT 负荷从零到满载也需要相当长的时间。还有，IT 负载的能耗与网络访问量或运行状态相关。因此，水冷空调系统中所有电机（冷水机组电机、冷却塔电机、水泵电机等）需采用变频系统，这样可以节约大量能源。比如，对于风机和水泵类设备，输入功率和这些设备的转速的三次方成正比（由流体传输设备水泵和风机的工作原理可知：水泵和风机的流量与其转速成正比；水泵和风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比；水泵和风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵和风机的轴功率与其转速的三次方成正比）。降低水泵和风机的转速，那么其功率可以下降得更多。例如：利用变频器使电机供电频率由50 Hz 降为40 Hz，则P40/P50=（40/50）³=0.512通过变频电机的节能效果特别明显（P 为电机轴功率）。
2. 免费冷却技术
免费冷却技术指全部或部分使用自然界的免费冷源进行制冷，从而减少压缩机或冷冻机消耗的能量。
目前，常用的免费冷源主要是冬季或春秋季的室外空气。因此，数据中心的选址应该在天气比较寒冷或低温时间比较长的地区。在中国，北方地区非常适合采用免费制冷技术。
数据中心在环境温度较低的季节，将室外空气经过过滤后直接送入机房作为冷源，也能节省大量能源，称为风冷自然冷却。这种自然冷却方式原理比较简单，成本也比较低，但要克服空气洁净度、湿度、结露等问题。
五、 绿色节能数据中心的建设实例
该数据中心位于上海浦东新区，一期主楼建筑面积约18 000 m2，其中机房面积约5 000 m2。在进行数据中心的前期设计时，决定采用空调冷水机组+板式换热器相结合的制冷方案。该数据中心的最大特点使用自然冷却方案，自然冷却设计可以充分利用室外天然冷源，节省冷水机组的运行费用。自然冷却分为部分自然冷却和完全自然冷却两种运行模式。设计冷冻水供回水温度是11.5℃～17.5℃，当冷却水供水温度低于16℃时，可以手动转换至自然供冷模式，此为部分自然冷却模式。当冷却塔的温度足以产生 10℃ 冷却水时，冷冻水机组将关闭，冷却塔将通过使用换热器实现“自然冷却”。基于上海的气象参数统计，一年中26%的时间可以利用自然冷却。其中14%的时间(1 230 h)为100%自然冷却，12%的时间(1 064 h)为部分自然冷却，如表1 所示。
表1 自然冷却参数表
本项目设置两个相对独立的制冷机房，每个冷冻机房有三台4 395 KW 的高压离心式制冷机，二用一备。冷冻水供回水温度设定为11.5℃～17.5℃。考虑前期负荷较小，为避免离心式冷水机组在低负荷时发生“喘振”现象。系统配置两台2 965 KW 的低压离心式制冷机，一台1 934 KW 的低压离心式制冷机。
该数据中心工程采用的另一个节能技术是冷通道封闭技术。封闭冷通道技术是将冷空气和热空气分别隔离，来保证冷热空气不会混合。经过美国采暖工业协会及专家测试发现，只有IT 设备的入口温度才是衡量数据中心温度最为重要的指标。冷通道封闭技术对保证IT 设备入口温度处于相对较低水平具有重要意义。具体做法就是将空调产生的冷空气封闭在机柜的进风侧，以提高空调制冷效率的技术。封闭冷通道可以给机柜内创造一个相对稳定的、有利于设备运行的微环境冷通道封闭，各部分如图2 所示。
图2 冷通道封闭示意图
冷通道封闭要求注意以下几点：一是封闭空间必须符合消防要求；二是通道封闭部分应做到严密。机柜内未安装设备的位置，应安装盲板；三是根据机柜内设备的密度及功率大小，计算确定冷通道的体积。
冷通道封闭技术已经比较成熟，在国内其它一
些数据中心已开始使用。如苏宁南京数据中心、阿
里巴巴试验机房、建设银行武汉灾备中心数据机房
等。
此外，该数据中心工程的空调二次水泵、冷却塔风机、精密空调风机等可采取调速措施。根据负载大小及环境情况进行调速，可大大降低能源消耗。
六、 我国绿色数据中心建设现状及建议
在我国，绿色数据中心建设起步较晚，进展比较缓慢，基本上还处于初始阶段，还没有真正以绿色数据中心为设计主旨的工程案例。我国目前数据中心的PUE 平均值基本在1.8～2.0，中小规模机房的PUE 值更高，大都在2.5 以上。这表明国内数据中心在前期规划及设计时，没有充分考虑绿色数据中心的建设问题。在数据中心选址、机房装修、空调制冷、UPS 等影响节能的因素上存在设计缺陷，
导致PUE 值偏高。而国外早已走在我们的前列，如雅虎“鸡窝”式数据中心的PUE 为1.08，Face book数据中心的PUE 为1.15，谷歌比利时数据中心的PUE为1.16，惠普英国温耶德数据中心的PUE 为1.16，微软都柏林数据中心的PUE 为1.25 等。
我国绿色数据中心建设水平和国外相比差距较大，原因是多方面的。我认为主要为以下几方面：一是没有出台强制标准的相关政策，数据中心建设单位对绿色建设的积极性不高；二是绿色数据中心前期投资较大，数据中心建设单位存在一定的资金压力；三是数据中心建设的决策者以安全性和可靠性作为第一要务，对绿色数据中心技术的可靠性持怀疑态度；四是绿色数据中心的建设势必会减少某些公司的利润，技术创新动力不足。其中，最重要的还是绿色数据中心的强制标准。我国相关职能部门的决策者应根据我国数据中心建设的实际情况，尽快制定出绿色数据中心的强制标准并加以实施。只有这样，我国的绿色数据中心建设才能获得长足的发展。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：浅谈绿色数据中心建设
相关文章
