建设节能环保型数据中心机房的解决方案

1 节能降耗是考核数据中心机房建设水平高低的重要指标之一
近年来,随着数据中心机房的能耗的急剧增加和电价的逐渐上涨，机房主管及其营运首管理人员越来越关注他们的能源的营运成本。 实际上，能否提供具有足够大的供电容量(KW)的市电电源、具有足够的高可靠性和运行效率UPS供电系统以及具有足够大的致冷量(KW)和能效比足够高的空调系统已成为制约大型数据中心机房能否被顺利地建设起来的“瓶颈性”的制约因素。在不可再生能源资源日益稀缺和能源成本日益上升的今天，要求我们应尽可能地采取各种必要的技术措施和管理手段来建立具有更加节能、环保型的运行特性“绿色数据中心机房”。为此，有必要调研数据中心机房的能耗结构。数据中心机房的典型能耗分布图被示于图1中。
 
从上图清晰可见：为建设节能环保型的数据中心机房所应该高度重视的节能“三定律”：
(1) 网络设备/IT设备的节能特性的优劣是决定机房能否节能效的技术基础
采用低能耗的IT设备、虚拟化软件设计方案、根据数据处理的流量变化而动态调节CPU的主频工作频率的高低以及“动态休睡”等技术是我们应优先考虑所采取的最重要的机房节能措施。其原因是：如图1所示，对于PUE=2的传统型的IDC机房而言，其IT及网络设备的功耗约占其总功耗的50%左右。对于PUE=1.76的节能型的IDC机房而言，其IT及网络设备的功耗约占总功耗的57%左右。这就意味着：由于在机房中所选用节能型基础设施(例如：选用节能型的空调、照明以及UPS供电系统等)的能耗不断地下降，对机房的主设备的节能降耗的需求将会变得更加迫切和重要。
(2) 空调制冷系统的节能特性的优劣是决定机房能否节能的关键所在
 
采用能充分利用自然冷源的空调机组、选用带EC风机或数码涡旋型的变频压缩机的空调机组、通过优化气流组织来提高“热交换效率”[典型的设计方案有：机柜采用“面对面、背对背型”的冷热通道布局;封闭冷通道;封闭热通道;定向定量的CRV/XD型机柜局部冷却等]以及在大型数数据中心优选冷冻水空调等节能环保空调技术是机房能否获得高效节能特认的关键所在。其原因是：如图1所示，对于PUE=2的传统型IDC机房而言，它的空调系统的功耗约占总功耗的37%左右。对于PUE=1.76的节能型IDC机房而言，它所需空调系统的功耗约占总功耗的34.3%左右。它们所占的能耗比是相当地高的。
 
(3) UPS供电系统的节能特性的优劣是决定机房能否节能的不可或缺的要素
采用输入电流谐波治理+电容性的相移功率因数补偿调节技术、高效率UPS的设计+“动态休睡”技术、UPS输出功率因数与IT设备输入功率因数之间的匹配技术等节能型UPS供电系统的“选用与否”是决定数据中心机房的节能效果的重要因素。如图1所示，对于PUE=2的传统型的IDC机房而言，它的UPS供电系统的功耗约占总功耗的10%左右。对于PUE=1.76节能型的IDC机房而言，其UPS供电系统的功耗约占总功耗的6.16%左右，它们所占的能耗比也不能算低。
(4)照明系统的节能是机房能否节能的不可忽视的因素
采用节能灯+照明能耗动态调控和管理技术是降低机房辅助设备能耗的不可缺少的途径之一。如图1所示，对于PUE=2的传统型的IDC机房而言，它的照明系统的功耗约占总功耗的3%左右。对于PUE=1.76节能型的IDC机房而言，其照明系统的功耗约占总功耗的2.54%左右。因此，它也是不可忽略的节能环节之一。
为了能较客观地评估各种的数据中心机房的节能降耗的效果，目前在IT行业中、常推荐使用“能源利用效率”：PUE(Power Usage Effectiveness)=(数据中心的总用电量)/(IT设备的总用电量)。为讨论方便和便于理解计，此后、我们将这个PUE值称为数据中心机房的“能耗比”。 它代表：为支持IT设备的正常运行、机房所配置的基础设施所可能消耗的功耗(KW)与维持IT设备本身的正常运行所需的功耗(KW)之间相对比值。例如：对于PUE=2的数据中心机房而言，它的基础设施所消耗掉的功耗是IT设备本身的功耗的两倍。
众所周知，数据中心的总能耗= IT设备的能耗+空调制冷系统的能耗+由变压器、UPS为核心所组成的供配电系统能耗+照明等其它辅助设备的能耗。在此条件下，我们可将数据中心机房的“能耗比”分解为：
PUE=(IT设备的能耗/ IT设备的能耗)+(空调制冷系统的能耗/IT设备的能耗)+ (UPS系统的能耗/IT设备的能耗)+ (照明和其它辅助设备的能耗/IT设备的能耗);
即：PUE= 1+CLF+PLF+ALF。
其中的CLF(Cooling Load Factor)为空调制冷系统的“能耗因子”， 它代表为支持功耗为1KW的IT设备的正常运行时，空调系统为此应消耗的能耗的相对比值; PLF(Power Load Factor)为供配电系统的“能耗因子”， 它代表为支持功耗为1KW的IT设备的正常运行时，UPS供电系统为此应消耗的能耗的相对比值; ALF(All other Load Factor)为辅助用电设备的“能耗比”。在这里，我们可以看到：对IT设备而言，它的“能耗比”总是等于1。
在此需说明的是：当我们在衡量一个IDC机房的节能效果是否明显时，不能仅限于只考虑该机房在某一瞬间的PUE值是多大，其原因是：上述的各种能耗并不是一个常数，其大小与IDC机房的运行工况和气象条件等因数密切相关。正确的方法是：应该考虑在这个IDC机房内的所有用电设备、在各种不同工况下运行时所实际产生的功耗大小(Px)及其在此工况下的持续运行时间的长短(Tx)，并在此基础上计算出IDC机房的全年总能耗。类似地，对于所有的IT设备而言，我们可以统计出它们在各种不同工况下运行时所实际产生的功耗大小(Wx)及其在此工况下的持续运行时间的长短(Tx)，并在此基础上计算出IT设备的全年总能耗。这样一来，就需要引入一个全年的平均PUE的概念。在这里，所谓的“全年能耗比”(APUE )=IDC机房内的各种用电设备的全年总能耗/IDC内的所有IT设备的全年总能耗。

2 如何降低数据中心机房中的空调系统的CLF值(空调系统的“能耗比”)
我们可以采取如下的技术措施来提高IDC机房用空调系统何制冷效率，从而达到节能降耗的目的。例如：可以釆取“冷、热通道”设计方案来优化气流组织，使得机房的送风与回风的流通更加通畅。在此基础上，还可通过采取“封闭冷通道”或“封闭热通道”的技术措施来达到进一步提高制冷效率的目的;对IDC机房进行“隔热、隔湿”预处理，尽可能地降低不必要的“漏热、漏湿型”的能耗;对风冷型空调机组的室外机做遮阳处理，降低冷凝温度，以便降低整机的能耗;充分利用亷价的自然冷源：为此我们可以根据IDC机房所处的不同的地理位置和不同气候条件来适时地调节空调机的工况。例如：当室外温度较低时，应该充分地利用室外的自然冷源来进行制冷，从而达到降低空调机组的全年总能耗的目的。
下面，将着重讨论：如何界尽可能地利用亷价的自然冷源来达到节能降耗的目的。对于IDC用的机房专用空调机组而言，我们可以选用如下三种典型的可利用“室外自然冷源”的空调系统的设计方案。
 
1)、 采用带自然冷源的“冷冻水空调”机组的设计方案：此时，在空调系统的前端、配置具备“自然冷却功能”的冷水主机，在空调系统的室内制冷末端、选用“冷冻水”空调机组;
 
2)、采用带自然冷源的乙二醇型空调机组的设计方案(图2)：此时，在它的室内机组中、配置两套相对独立的盘管。其中的一套为制冷剂系统，另一套为乙二醇水溶液的自然冷盘管。在它的室外机中、选配具有足够换热能力的干冷器。相关的工作经验表明：这种空调机组的“干冷器”的换热能力越强，将该它切换于能利用“室外自然冷源”来制冷的工况下运行的室外温度值就会越高，其节能效果则越显著。推荐的切换温度约为4℃。一般说来，这种空调的购置及营维成本较高，它会直接影响到用户用于釆购设备的初期投资成本。因此，应综合考虑其性价比。
3)、采用带自然冷源的智能型双循环型的节能空调机组的设计方案(图3)：对于这种双循环节能型空调而言，当IDC室外温度较高时，它运行在由压缩机驱动的常规风冷式空调机的制冷工作模式。当IDC室外温度较低时，它会自动关闭功耗最大的压缩机。此时制冷剂在节能模块(ESM)的驱动下，它在空调室外冷凝器中同室外的冷空气进行热交换。这样一来，就能将自然冷源所提供的制冷能量带入到IDC机房内，从而达到节能致冷的目的。由于这两种制冷模式是由该机的智能控制器来实施自动控制的，并在同一套制冷管路上来实施和完成上述的两种制冷循环操作，推荐的切换温度为<10℃。当它工作在“压缩机被关闭”的节能工作模式时，其节能效果十分明显，可达30%--40%。这是因为：对于空调机组而言，它的压缩机的功耗约占空调整机能耗的80%左右。相关的运行实践还表明：IDC机房的室外温度越低，节能效果越明显; 空调机组的制冷量(KW)越大，节能效果越明显。正是基于上述原因，建议：在黄河以北或西北的地区，宜优选这种可利用“自然冷源”的智能型双循环型的节能空调机组。
现以北京地区的一个IDC机房为例来探讨如何为它选配出：具有PUE值最小的节能型的空调系统。该IDC机房的IT设备的设计总功耗为400kW，机房面积500平方米。一般说来，IDC机房的主要热负荷来源于各种IT设备的发热量和环境维护结构的热负荷。在这里，机房的维护结构的热负荷包括：除IT主设备之外的由其它因素所产生的热负荷。例如：机房的照明负荷、补充机房的新风的热负荷、工作人员的散热负荷和机房的维护结构的热负荷等。在实际工作中，它们所产生的总热负荷、可根据机房的面积来进行估算。根据北京市的气候环境数据及机房的实际布局情况，它的平均环境热负荷可按0.16KW/m2进行估算。在此基础上，就能推算出应选配的空调机组的总制冷量(KW)
机房的总热负荷Q=IT设备的热负荷Q1+环境热负荷Q2。
IT设备的热负荷Q1=400kW ; 环境维护结构的热负荷Q2=500m2×0.16KW/M2=80kW
选配的空调机的制冷量=机房的总热负荷Q= Q1 + Q2=480KW。
下面，将分别讨论：釆用上述三种、能带自然冷源的空调系统的“能耗比”CLF值的大小，以便进行空调系统的节能优化选择。对本IDC机房而言，它的IT设备全年的总能耗为：400KW×365×24h=3504000kWh。在此条件下，就可对上述的三种空调制冷系统的全年ACLF值进行估算。
(1) 采用带自然冷源的“冷冻水空调”系统的PCL值
这种“冷冻水空调”系统的配置为：5台100kW的冷冻水空调机组+1台500kW的具备自然冷却功能的冷水主机。对于这种“冷冻水空调”系统而言，当IDC机房的室外温度低于 0℃时，它的冷水主机就会被自动启动、并进入利用“室外自然冷源”的节能工作模式。此时，冷水主机中的功耗最大的压缩机是处于关闭状态的。这就意味着：在全年中约有1700小时的运行期间内，冷水主机都可以运行在“功耗”仅为16KW左右的节能工况下。在此条件下，这种空调系统的全年总耗电量的计算值被列于下表中：
对于冷冻水型空调的室内机部分的能耗而言，它主要来源于空调室内机的风机能耗与平均到每台空调机组上的水泵能耗。对于室内的100KW的冷冻水型空调机组而言，单台机组的平均功耗约为6.9kW。所以5台机组总功耗为： 6.9KW× 5 = 34.5 kW。其全年的总能耗约为： 34.5KW× 8760h = 302220 kWh。因此，这套空调制冷系统的总的总能耗为： 874400+302220 = 1176620 kWh。这样一来，就可计算出这套空调系统的“年平均能耗比”：
ACLF=空调系统全年能耗/IT设备全年能耗= 1176620 kWh / 3504000 kWh
= 0.34
(2)、采用带自然冷源的乙二醇型空调系统的PCL值
这种乙二醇型空调系统的配置为：5台容量为100kW的乙二醇自然冷型空调机组(图2)。对于这种带自然冷源的乙二醇型空调机组而言，当IDC机房的室外温度低于4℃时，就可以进入“关闭”空调机组中的功耗最大的压缩机的节能工况。此时，可利用室外的“低温冷空气”来直接冷却、以乙二醇的水溶液作为“冷却媒介”的冷水循环型的制冷系统。此时的空调系统的主要耗电部分为水泵与空调机组中的室内风机和室外风机。按北京地区的气象统计资料可知，全年约有2500小时，它的室外温度可能低于4℃。在此条件下，每台制冷量为100KW的、带自然冷源的乙二醇空调机组的总耗电量被列于下表中：
 

根据上表可计算出5台空调机组的全年能耗为： 249714 kWh×5 =1248570 kWh。这样一来，就可计算出这套空调系统的“年平均能耗比”：
ACLF=空调系统全年能耗/IT设备全年能耗= 1248570 kWh / 3504000 kWh
= 0.36
(3)、采用带自然冷源的智能型双循环型的节能空调系统的PCL值
为此，需配置5台制冷量为100KW的智能双循环机组。该空调机组采用的是模块化的设计思路，在同一套机组中增加节能模块(ESM)。当IDC机房的室外温度达到设定值<10℃时、开启节能系统进行制冷循环。此时利用室外的自然冷源对室内进行制冷，在这种自然冷却的模式下、空调机组在“压缩机被关闭”的条件下来进行制冷。此时的主要耗电部件为节能模块、室内风机和室外风机。相关的运行实践表明：室外的温度越低、该机的节能模块所能提供的制冷量则越大。在本案例中，100KW的智能双循环机组设计的方式为：5台带有压缩机和节能模块的空调机组(注：在每台机组中、含有2个节能模块)和5台没有压缩机只有节能模块的机组(注：在每台机组中、含有2个节能模块)。当IDC机房的室外温度较高(>10℃)时，制冷系统利用5台带有压缩机的空调机组来制冷。当室外温度低于10℃时，刚开始时，开启20个节能模块。在此需说明的是，节能模块的开启数量多少是与室外温度的高低密切相关。室外温度越低，所需开启的节能模块数量则越少(图3)。
 

综上所述，针对各种IDC机房地理位置的不同以及气象条件的不同，为了提高空调机组的能效比、往往会有多种可作供选择的技术措施。对于北方及西北地区而言，应优选用能尽可能地利用室外自然冷源的空调系统来降低它的全年的能耗比，以便大幅地提升IDC机房的节能降耗水平。
从上讨论可见：对于带自然冷源的冷冻水型的空调系统而言，它的PCL值=0.34; 对于带自然冷源的乙二醇型的空调系统而言，它的PCL值=0.36; 对于带自然冷源的智能型双循环型的空调而言，它的PCL值=0.32。考虑到初期投资以及运行成本，宜优选智能双循环型的节能空调机组。
3 如何降低数据中心机房中的供电系统的PLF值(供电系统的能耗比)
 
如图4所示，近年来，为尽可能地降低数据中心用UPS供电系统的“能耗比因子”的PLF值，可供选择的技术途径有：
 
1)、提高UPS供电系统的输入功率因数的PF输入值, 使它尽可能地趋于1。在这里，常用的技术措施有：
 
l 选用具有低输入电流谐波含量THDI的UPS产品。例如：选用IGBT整流或12脉冲整流+输入滤波器设计方案的UPS产品。对于这些UPS产品而言，其典型的THDI值<4%;
 
l 利用“电容功率因数补偿柜”将数据中心机房的输入电源的相移性功率因数的Cosф值调节到趋近于1。
 
相关的理论分析及实践表明：当滿足上述的运行条件时，对于IGBT整流型和12脉冲整流+输入滤波器型的两种UPS而言，它们均可将IDC机房用的输入电源的输入功率因数的PF输入值提髙>0.99左右。
 
2) 、提高UPS供电系统的“动态效率”，在这里，常用的技术措施有：
 
l 提髙UPS单机的效率。其典型的效率参数为：高频机型UPS的滿载效率95%; 新型工频机型UPS的滿载效率93.4%; 老式工频机型UPS的滿载效率92.5%；
 
l 提高UPS供电系统中的UPS单机的负载百分比。相关的运行实践显示：对于多数UPS而言，如果能确保UPS单机的负载百分比>35%以上的话，则就能确保UPS的实际运行效率非标接近于它的滿载效率。为此，可供选择的技术途径有：“动态休睡”技术、三总线输出供电系统以及“Catcher Bus”容错型UPS供电系统等。
 
3)、提髙UPS的输出功率因数的PF输出值，使得它尽可能地与IT设备的输入功率因数的PFIT值相匹配。鉴于在当今IDC机房中常用的服务器、存储器及网络设备的输入PFIT值已从原来的0.8提高到0.91∽0.96的现实。期望：直选用输出功率因数为0.9的UPS产品。
 
为便于比较，下面将分别选择如下三种典型的UPS产品来探讨如何降低数据中心用UPS供电系统的“能耗比因子”的PLF值的问题。这些UPS产品的相关技术参数   l 老式6脉冲整流型UPS(旧“工频机”型UPS)：输入电流谐波含量的THDI=32%, 整机的滿载效率92.5%;
 
l 新型12脉冲整流+输入滤波型UPS(新“工频机”型UPS)：输入电流谐波含量的THDI=4%, 整机的滿载效率93.4%;
 
l 新型IGBT整流UPS(新“高频机”型UPS)：输入电流谐波含量的THDI=3%, 整机的滿载效率95%。
 

 下面以北京地区的一座IT设备的总能耗为400kW机房为例来分析上述三种UPS供电系统的PLF值的变化趋势：
 

  注：PLF-1反映由于输入功率因数≠1所产生的功耗; PLF-2反映由于UPS的效率≠1所产生的功耗; PLF-3反映由变压器、电力电缆和开关等供配电系统的损耗≠0所产生的功耗。
 
从上表可见：对于旧“工频机”型UPS系统而言，它的PLF值=0.179左右;对于新“工频机”型UPS系统而言，它的PLF值=0.117左右;对于新“高频机”型UPS系统而言，它的PLF值=0.101左右。如果仅从节能降耗和减小机房占地面积作为IDC机房设计的优先考虑从发，宜选用由高频机型的UPS供电系统。然而，从确保UPS供电系统能获得最高的可靠性作为设计优先考虑从发，则宜选用由工频机型的UPS供电系统。其原因是，同高频机型UPS相比，它PLF的下降值仅为0.0185，它们之间的差值相差极小。众所周知：确保可靠性第1，应是IDC设计的第一要务。
 
4 数据中心机房供电系统的PUE值的抉择
如上所述，由于数据中心机房的能耗比PUE= 1+CLF+PLF+ALF。如果我们能将各种IDC机房的ALF值都控制在0.04左右的话，则可得到如下表所示的不同的PUE值。
从上表可见：
1)、同传统的PUE=2-2.4左右的IDC机房相比，对于所有能利用室外自然冷源的空调系统而言，都能将IDC机房的PUE值控制在<1.6左右，其节能效果明显。
2)、如果我们选择PUE值最低的设计方案。即：选用由带自然冷源的双循环型的节能空调系统(它的CLF=0.32)+ 新型工频机型UPS供电系统(它的PLF=0.101)+节能照明系统所组成的IDC机房的动力保障系统的话，则可将该机房的能耗比从传统IDC机房的PUE=2左右降低到1.46左右。对于这种高效、环保、节能型数据中心的各种设备耗电量的相对变化趋势图被显示图5中。
 
从上图清晰可见：同PUE=2的传统数据中心机房相比，空调系统的耗电量从原来的37%下降到现在的21.94%; UPS供电系统的耗电量从原来的10%下降到现在的6.93%; 照明和其它辅助设备的耗电量从原来的3%下降到现在的2.71%。与此形式鲜明对比的是：可供IT设备及网络设备使用的用电量，则可从原来的50%上升到现在的68.42%，其节能效果相当明显。
5 数据中心机房的PUE动态监测系统
 
为了能对从数据中心机房用的各种用电设备上所检测到的各种实时运行参数和历史数据(电压、电流、频率、KW、KVA、PF、KWh等)进行在线检测、统计和分析的基础上，对IDC机房的总PUE值以及它所用的空调系统的“能耗比因子”[CLF]、UPS供电系统的的“能耗比因子”[PLF] 以及照明和其它辅助用电设备的“能耗比因子”[ALF]进行动态管理和监视，需要建立一套如图6所示的数据中心用电源工作特性及其PUE值的在线监测系统。在此条件下，作为数据中心机房的管理者/营维人员不仅可以隨时了解位于机房中的各种用电设备的能耗。而且，还可根据从该监控系统所获得到的各种分析图表，制定出切实可行的节能降耗的管理策略和规章，从而确保IDC机房始终处于PUE值尽可能低的节能环保的工作状态之下。