一、 引言
隨著當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)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(wù)器的保有量已達(dá)366 萬臺左右，如果以每臺服務(wù)器的平均綜合功耗為800 W（據(jù) EYP 對數(shù)據(jù)中心機(jī)房的能耗調(diào)研分析可知,IT 設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備能耗占總能耗50%，即服務(wù)器用電400 W,制冷等輔助用電400 W）來計算，每年由這些服務(wù)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(shè)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(biāo)PUE（PowerUsage Effectiveness），PUE=數(shù)據(jù)中心總用電消耗/IT設(shè)備能源消耗。
根據(jù)IBM 的相關(guān)理論，PUE＜1.6 視為綠色數(shù)據(jù)中心的標(biāo)志之一。我們知道，數(shù)據(jù)中心總能耗=制冷用電負(fù)荷+供配電能耗+IT設(shè)備能耗，IT設(shè)備能耗是用戶根據(jù)需求選型，選型應(yīng)該充分考慮IT設(shè)備的能效比、IT設(shè)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(fù)荷能耗兩方面分別闡述。
三、 供配電能耗
數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供配電能耗主要集中在輸入變壓器、ATS 開關(guān)所組成的UPS 輸入供電系統(tǒng)、由UPS及其相應(yīng)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(jī)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(guān)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(dá)到0.95。但缺點(diǎn)是設(shè)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(jī)結(jié)構(gòu)UPS，在不加任何外來設(shè)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(jī)結(jié)構(gòu)UPS 大都配有輸出變壓器，在多機(jī)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(diǎn)是存在環(huán)流，環(huán)流的長期存在將導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短。高頻機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)UPS 問世已經(jīng)15 年后的今天，高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS仍沒有得到廣泛應(yīng)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(shè)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(yuǎn)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(shè)備二次電源基本上是一個恒功率設(shè)備。當(dāng)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(dāng)于電壓提高了30%。也就是說,此時的輸入電流下降了30%。設(shè)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(shè)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(dāng)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(xiàng)直流高壓供電技術(shù)已在中國電信江蘇分公司成功應(yīng)用。
3. 使用飛輪技術(shù)
飛輪技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，被視為標(biāo)準(zhǔn)酸性鉛電池或標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(dú)飛輪可支持一個150千伏安UPS，按照75%的載荷連續(xù)運(yùn)行30 s。飛輪儲能作為一種機(jī)械儲能的方式，比傳統(tǒng)化學(xué)蓄電池的效率高8%左右，達(dá)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(dá)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(jī)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(xiàng)目的每兆瓦可節(jié)省電費(fèi)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(fù)荷能耗
空調(diào)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機(jī)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(jī)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(fēng)和回風(fēng)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(wù)是降低空調(diào)系統(tǒng)中各種電機(jī)功耗，并且要充分利用自然冷源。
1. 采用變頻電機(jī)節(jié)約能源
設(shè)計院在設(shè)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(fù)載最大狀況下設(shè)計的，這樣可使空調(diào)系統(tǒng)全年絕大部分時間在負(fù)荷不飽滿狀態(tài)下運(yùn)行。另外，大型數(shù)據(jù)中心的IT 負(fù)荷從零到滿載也需要相當(dāng)長的時間。還有，IT 負(fù)載的能耗與網(wǎng)絡(luò)訪問量或運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。因此，水冷空調(diào)系統(tǒng)中所有電機(jī)（冷水機(jī)組電機(jī)、冷卻塔電機(jī)、水泵電機(jī)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(fēng)機(jī)和水泵類設(shè)備，輸入功率和這些設(shè)備的轉(zhuǎn)速的三次方成正比（由流體傳輸設(shè)備水泵和風(fēng)機(jī)的工作原理可知：水泵和風(fēng)機(jī)的流量與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵和風(fēng)機(jī)的壓力（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比；水泵和風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵和風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比）。降低水泵和風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)的節(jié)能效果特別明顯（P 為電機(jī)軸功率）。
2. 免費(fèi)冷卻技術(shù)
免費(fèi)冷卻技術(shù)指全部或部分使用自然界的免費(fèi)冷源進(jìn)行制冷，從而減少壓縮機(jī)或冷凍機(jī)消耗的能量。
目前，常用的免費(fèi)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(yīng)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(fèi)制冷技術(shù)。
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(jī)房作為冷源，也能節(jié)省大量能源，稱為風(fēng)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(shè)實(shí)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(jī)房面積約5 000 m2。在進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的前期設(shè)計時，決定采用空調(diào)冷水機(jī)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(diǎn)使用自然冷卻方案，自然冷卻設(shè)計可以充分利用室外天然冷源，節(jié)省冷水機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用。自然冷卻分為部分自然冷卻和完全自然冷卻兩種運(yùn)行模式。設(shè)計冷凍水供回水溫度是11.5℃～17.5℃，當(dāng)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(dāng)冷卻塔的溫度足以產(chǎn)生 10℃ 冷卻水時，冷凍水機(jī)組將關(guān)閉，冷卻塔將通過使用換熱器實(shí)現(xiàn)“自然冷卻”�；谏虾５臍庀髤�(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(xiàng)目設(shè)置兩個相對獨(dú)立的制冷機(jī)房，每個冷凍機(jī)房有三臺4 395 KW 的高壓離心式制冷機(jī)，二用一備。冷凍水供回水溫度設(shè)定為11.5℃～17.5℃。考慮前期負(fù)荷較小，為避免離心式冷水機(jī)組在低負(fù)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(jī)，一臺1 934 KW 的低壓離心式制冷機(jī)。
該數(shù)據(jù)中心工程采用的另一個節(jié)能技術(shù)是冷通道封閉技術(shù)。封閉冷通道技術(shù)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(shè)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(biāo)。冷通道封閉技術(shù)對保證IT 設(shè)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(jī)柜的進(jìn)風(fēng)側(cè)，以提高空調(diào)制冷效率的技術(shù)。封閉冷通道可以給機(jī)柜內(nèi)創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定的、有利于設(shè)備運(yùn)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(diǎn)：一是封閉空間必須符合消防要求；二是通道封閉部分應(yīng)做到嚴(yán)密。機(jī)柜內(nèi)未安裝設(shè)備的位置，應(yīng)安裝盲板；三是根據(jù)機(jī)柜內(nèi)設(shè)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(shù)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(yàn)機(jī)房、建設(shè)銀行武漢災(zāi)備中心數(shù)據(jù)機(jī)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(fēng)機(jī)、精密空調(diào)風(fēng)機(jī)等可采取調(diào)速措施。根據(jù)負(fù)載大小及環(huán)境情況進(jìn)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(shè)現(xiàn)狀及建議
在我國，綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)起步較晚，進(jìn)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(shè)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(jī)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(shè)計時，沒有充分考慮綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)問題。在數(shù)據(jù)中心選址、機(jī)房裝修、空調(diào)制冷、UPS 等影響節(jié)能的因素上存在設(shè)計缺陷，
導(dǎo)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?jǐn)?shù)據(jù)中心的PUE 為1.25 等。
我國綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)水平和國外相比差距較大，原因是多方面的。我認(rèn)為主要為以下幾方面：一是沒有出臺強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)政策，數(shù)據(jù)中心建設(shè)單位對綠色建設(shè)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(shè)單位存在一定的資金壓力；三是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的決策者以安全性和可靠性作為第一要務(wù)，對綠色數(shù)據(jù)中心技術(shù)的可靠性持懷疑態(tài)度；四是綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)勢必會減少某些公司的利潤，技術(shù)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(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。我國相關(guān)職能部門的決策者應(yīng)根據(jù)我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)的實(shí)際情況，盡快制定出綠色數(shù)據(jù)中心的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)并加以實(shí)施。只有這樣，我國的綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)才能獲得長足的發(fā)展。
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本文標(biāo)題：淺談綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)
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