伊顿EATON浅析数据中心机房建设节能技术方案

目前国内多数情况下是通过改造现有建筑体来构建数据中心，对建筑体本身的“绿色”考虑不足，这也是经常被忽略的一个因素。很显然，绿色数据中心首先应当是绿色建筑。所谓“绿色建筑”实际上是一个宽泛的理念，它既包括了建筑体本身的“绿色”，同时又要求建筑体在其整个生命周期都应该是绿色的，包括废弃阶段。                                

数据中心节能方案

数据中心建设在总体设计中，主要从TCO、总体空间规划、合理气流组织、系统融合构建等方面考虑节能途径与节能措施。数据中心的总体设计更需要关注工程初期设计的合理性和适用性，充分考虑到如何在建设期和运营期内降低数据中心的日常运营成本，即能耗成本，同时降低数据中心的TCO，以提高数据中心的整体经济效用比。

目前，专业化、高等级的数据中心已从一幢建筑体逐渐发展成为建筑群体。例如：灾难备份中心包括数据中心机房主体建筑、动力中心、办公楼、配套研发楼和生活辅助楼等。数据中心合理的总体规划、空间与平面布局是依据建设需求进行总体设计的第一步，也是重要的一步。总体规划确定数据中心的等级规模和系统构成，空间与平面布局确定数据中心机房的场地分隔、工作流程以及建设工艺。现行数据中心采用机房密闭护围、大空间、少隔断、适宜的空间容积、人机区域分离、区域集中监控等，这些都是新一代数据中心空间与平面布局所崇尚的设计理念与节能策略。

1. 建筑围护

数据中心通过精密空调的运行来确保IT设备运行所需的特定温湿度环境。因此，数据中心建筑围护的热工特性是影响精密空调设备能效的重要因素之一。

我国地域广阔，各地气候条件差别非常大，全国划分为五个气候区域，建筑节能对不同气候区域的建筑围护结构的保温隔热要求有着不同的规定。

对于建筑体内的数据中心机房区域，其环境温度和湿度是基于设备环境的要求和机房设计标准而定的，通常需要在符合《公共建筑节能设计标准》的前提下，加强对数据中心机房区域进行建筑热工复合计算和设计处理。同时，根据数据中心所在外部环境、机房区域位置的内外部环境，以及数据中心内各功能区域相邻布局的内部环境，对IT关键设备区域加强措施，合理计算保温隔热的热工参数，选择适宜的围护结构与材料。使用传热系数值小的绝热材料，对顶、地、墙的六方体进行绝热，以减少围护结构四周的传热系数，整体将数据中心的机房区域包裹起来，可以达到较好的密闭保温节能效果。

对数据中心的主机房区域应当采用无窗密闭护围，以避免和减少进入室内的太阳辐射以及窗或透明幕墙的温差传热，是降低空调能耗的主要途径和措施之一。对数据中心的支持区和辅助房间等功能区采用有窗玻璃护围时，应该控制建筑朝向及窗墙面积比，采用双层玻璃窗或low-e玻璃(幕墙)，并辅助采用遮阳设施(外遮阳、内遮阳等)来减少太阳辐射量。

2. 空调系统

数据中心精密空调设备的主要节能途径和节能措施包括制冷负荷计算、合理设定参数、送回风方式、选用高能效比设备、冷热风预处理及动态组合运营等。

计算数据中心制冷负荷包括数据中心机房内设备的散热、建筑围护结构的传热、太阳辐射热、人体散热散湿、照明设备散热和新风负荷等。合理控制数据中心区域内的制冷参数，即设定合理的温湿度。据有关报道，制冷参数变化1℃，可能会产生5%~10%能耗变化。

精密空调系统需要对温湿度进行精确控制，空调机具有四种功能：制冷、电加热、加湿和除湿。目前多数数据中心采用多台空调独立运行模式，可能会产生某些问题：由于产品的非一致特性、参数设置的不合理及机房气流组织的不确定性，可能导致同一机房内多台空调运行在不同的状态，即有些空调在加湿状态而有些空调在除湿状态，白白消耗能源。针对上述情况，现在大多数设备厂家推出了精密空调群控系统，使同一机房内的空调系统工作在相同的状态上，从而避免了能源的无谓消耗。

目前，部分用户取消了精密空调机内的小功率加湿器，转而采用独立大功率的加湿系统，同时根据热负荷的实际情况自动调节空调风机送风的变风量系统。现已有厂家推出了这样的产品，在实际运行中起到了显著的节能效果。虽然在设备采购成本上有所增加，相信在不久的将来，随着技术的发展，产品价格会趋于合理。目前还有一些空调方面的节能方案，已经在节能方面取得了可喜的效果，但由于技术和产品价格等原因，还没有被普遍采用。

3. 机房配电系统

配电系统的节能主要依靠系统设计和产品性能的提高。在系统设计上应当采用适合自身需要的设计，避免过度规划。在系统配置上，应根据数据中心设备负载的特性，对系统谐波进行有效的治理。产品性能的提高则有赖于配电设备生产商的技术进步，在产品的选择上用户需要平衡产品性能和价格的关系。对于机房配电系统的建设应关注以下几个方面。

(1) 合理规划系统冗余度，重点关注设备运行是否处于高效状态。

(2) 关注电力传输电缆运行的经济性选择，在电缆线损与价格上寻找平衡点。不能只关注初期投资成本而忽视长期运行的线损。这是数据中心建设过程中长期被忽视的一个问题。

(3) 应采用损耗低的变压器产品，例如S10型比S9型变压器的空载和负载损耗低10%。

(4) 功率因数补偿。应对配电系统进行功率因数补偿，提高自然功率因数。

(5) 谐波治理。供电系统中的无功功率主要是由相位角和高次谐波造成，治理谐波对提高电能的使用效率至关重要。目前治理的方式主要采用增加无源滤波器、有源吸收滤波器和静止无功发生器等，应根据系统的实际情况合理选择。

(6) 选择高效UPS电源系统。目前常规的UPS电源系统的效率基本可达到93%，有些特殊形式的UPS系统效率高达98%。例如飞轮储能UPS系统，后备电力由高速飞轮提供，省去了蓄电池，在性能提高的同时更加环保，是UPS未来发展的方向之一。但由于后备时间要达到常规系统的相同时间，其产品价格还相当昂贵，目前的使用案例不多。

(7) 选择高效节能照明灯具和智能照明控制系统。在满足眩光和显色要求的前提下，尽量选择高效灯具。智能照明控制系统可以灵活方便的根据需要控制和管理照明系统。

(8) 合理利用自然光源。根据数据中心的地理位置、日照情况进行经济性和技术性比较，合理选择反光及导光系统。目前自然光源导光系统的效率通常在95%，能够充分利用自然光源。由于导光系统的生产厂家还不多，价格相对较高，其推广应用受到一定的限制。

4. 机房管理与节能

能源管理在节能方面有着重要的作用，必须改变“重建设，轻管理”的做法。尽管你可能选用了最新的服务器架构、高效的UPS设备、节能的空调系统，机柜摆放采用了冷热通道布局，但数据中心的效率有时并不能达到预期。其主要原因很可能是由于能源分配管理不到位所造成的。例如：地板出风口的安放没有依据设备机柜的发热量进行调整，致使有些设备风量过大造成冷量浪费，而有些设备风量不足，同时冷热风的混合现象严重，导致空调系统的利用率大大降低。对于数据中心内部空调能源管理，可通过采取下列几种方法进行调整和改进。

(1). 安装地板出线孔密封件

当数据中心采用地板下送风方式，机柜下的高架地板上开有地板出线孔时，由于地板出线孔没有做密封处理，将导致大量的冷风泄漏。由此造成输送到机柜前方的冷风没有能够完全进入服务器机柜之中，有一部分冷风又直接被空调机组吸回，这样实际进入到机柜的有效冷风就会减小，空调送风利用率降低。使用地板出线孔密封件对出线孔进行密封处理，更多的冷风将被利用，这有助于提高空调设备的制冷效率。

(2). 安装盲板

当机柜中存在没有安装服务器的空U空间时，服务器排出的热风会从空U空间返回到服务器的前部进风口，从而造成热点，这将降低机柜的冷却能力。在机柜中所有的空U空间安装盲板，可以有效防止机柜出现热点，提高机柜冷却能力。

(3). 尽量避免局部热点

高发热量机柜与常规发热量机柜混合在同一个机房区域摆放，在机房区域将形成局部热点。应该对高发热设备机柜的制冷采取必要措施，如在风量调节、气流组织上进行调整，否则将影响机房空调整体工作效率。

(4). 定期检测

定期检测机房供电及空调系统的各项工作参数，并做出及时调整，可有效降低系统的能耗。数据中心内的IT设备随着时间的推移会发生较大的变化，供电系统的状况，如谐波分量、供电设备的负载率等均会发生变化，机房内部空调系统的气流组织同样会发生变化。必须随时监控这种变化并做出适当的调整，使各系统工作在高效状态。

数据中心建设

5. IT系统管理与节能

综合采用一些现实可行的IT系统节能措施，在不需要进行重大升级的前提下，使现有数据中心的总体能耗下降30%，这是一个有可能实现的目标。

(1). 找出不起作用的服务器并取消它们的任务

研究显示，数据中心内正在运行的众多服务器中总存在一些“空闲”服务器。这些服务器耗电但是不做任何有用的工作。你还可以让非时间紧要型存储离线工作，待机的磁带和光盘耗电量较少，而旋转的硬盘则耗电较多。寻找能够从本地逻辑转移到离线状态的存储任务，从而不必让更多的硬盘连接到网络。取消“空闲”服务器的任务，取消不必要的冗余存储系统。

(2). 启用服务器电源管理功能

服务器电源管理功能能够将服务器的组件控制成闲置和睡眠状态，这个功能就像笔记本电脑电源管理一样。在启用这种功能时，许多应用程序可以很好地工作，实现IT系统的节能。但是，也有一些应用程序的响应时间要求也许比省电更重要，需要我们根据实现情况确定。

(3). 采用刀片式服务器

采用刀片式服务器等高密度设备取代传统服务器，再配合采用虚拟化技术，从而减少物理服务器的数量。事实上，刀片式服务器使用同样的商用处理器，能源和冷却的要求比目前的机架服务器节省10%。刀片式服务器与机架服务器相比的好处是减少了输入/输出电缆线及设备空间。

未来总是难以预测的，特别是在技术方面。但是可以肯定地说，当管理超过每个机箱8kW的刀片式服务器时，电源和冷却将是一个挑战，需要对极端密度进行成本和收益分析。当然总有一些特殊环境需要使用20～40kW的极端密度，例如高成本的商业地区。但是事实上极端密度的机架对于大部分数据中心来说都是不可行的。

(4). 尽可能减少设备的体积

高密度的设备能够充分发挥出计算的优势，并且可以在很多情况下大幅度地减少应用程序运行所需的占地面积。占地面积的减少相当于运营和维护成本的降低。

(5). 及时更新老化设备

更新服务器的成本实际上远远低于老化设施未来的能源消耗成本。新的服务器和新的技术看似增加了投资成本，但是这部分的成本投入往往比维持现有老旧设施更加廉价。

(6). 采用能充分利用多核处理器运算能力的多线程软件

尽管现在的服务器已经是多核了，但大多数软件并不是针对多核处理器编写的，因而不能充分发挥多核处理器的高效性能。