数据中心能效提升办法及建议

数据中心能效提升办法及建议摘要在数据中心的总拥有成本(TCO)中，电力使用成本所占比重越来越大。通过合理地设计网络关键物理基础设施以及精心设计IT架构，可以大幅降低典型数据中心的电能消耗。本问阐述如何量化电力节约，并举例说明大幅降低电能消耗的方法。电能的使用不是数据中心的典型设计标准，也没有作为一项开支得到有效管理。在数据中心的生命周期内，尽管电能成本可能会超过包括UPS在内的电源系统的成本，也可能会超过IT设备的成本，但上述情况却是不争的事实。出现这种情况的原因如下：•要缴纳的电费数额是在费用发生后才知道的，与任何特定决策或操作规程没有明确的联系。因此，这些费用被视为是无法避免的。•用于为数据中心的电力成本建模的工具不普及，在数据中心的设计过程中并未广泛使用。•需要缴纳的电费通常不包括在数据中心运营组的责任或预算范围内。•数据中心的电费帐单可能包含在更大的电费帐单之内，而可能无法单独提供。•决策者在进行规划和采购决策的过程中，未获得有关电力成本影响的充足信息。本文将证明上述所有问题均可以并应该得到解决，因为这样可以为一般用户节约大量资金。在设计新设施时可以实现最大程度的节约，但现有的和改造的设施也可以实现某种程度的节约。在设计新数据中心的过程中，只需进行简单且不需成本的决策，便可以节约20-50%的电费；如果系统化进行设计，则可以减少多达90%的电费。能源消耗在什么地方？数据中心使用的能源只有大约一半甚至不足一半消耗在IT负载上。另一半消耗在包括电源设备、冷却设备和照明设施在内的数据中心物理基础设施(DCPI)设备上。图1显示了典型高可用性数据中心中电能的流向。需要注意的是，数据中心消耗的所有能源最终都会以废热的形式排放到室外大气中。图1是根据采用2N电源设备和N+1冷却设备、在大约30%的额定容量下工作的典型数据中心。图1典型数据中心的电能流向根据输入电能中实际消耗在IT负载上的比例，上述数据中心的效率为47%。1.供电设备的效率低UPS、变压器、转换开关和配线等设备在工作时会消耗部分电力（表现为热量）。虽然此类设备标称的效率评级很高（90%或更高），但这些效率值却有误导性，其实不能将其用于计算设备在真实安装环境中损耗的电力。当出于冗余目的成倍配置设备或设备在远远低于其额定功率的情况下运行时，效率会明显降低。而且，供电设备中这部分“浪费”能源产生的热量还必须使用制冷系统制冷，从而致使空调系统使用更多的电力。2.制冷设备的效率低空气处理器、冷水机、冷却塔、冷凝器、水泵和干冷器等设备在执行冷却功能时会消耗部分电力（即，输入功率中会有部分以热量形式散发出去，而不是完全用于冷却的机械功）。事实上，制冷设备的效率低下（废热）通常远远高于供电设备的效率低下（废热）。当出于冗余目的成倍配置设备或设备在远远低于其额度功率运行时，效率会明显降低。因此，提高制冷设备的效率可直接增进整个系统的效率。3.照明系统的电力损耗照明会消耗电力并产生热量，这些热量又必须经制冷系统冷却，并相应地增加空调系统消耗的电力，即使此时室外温度很低。如果数据中心内没有工作人员时或在数据中心的未用区域仍开启照明设备，便会产生无用的功耗。因此，提高照明系统的效率或控制照明系统仅在需要的时间及地点开启，可极大地增进整个系统的效率。4.过度规划过度规划是造成电力浪费的最大动因之一，但却最难以为用户所认知和评估。当供电和制冷系统的设计值高于IT负载时，便会导致供电和制冷设备过度规划。下述因素的任意组合均可造成这种情况：•高估IT负载，并按照超大负载确定供电和制冷系统规模•IT负载分阶段部署，但却按照将来更大的负载确定供电和制冷系统规模•制冷系统设计不当，致使需采用过度规划的制冷设备才能顺利冷却IT负载显然安装过多的供电和制冷设备是一种浪费。过度规划还能极大地降低整体系统的电力效率，并导致过多的持续电力损耗，这一点却并不容易发现。供电和制冷设备过度规划导致数据中心电力效率降低的根本原因在于，负载减少时，许多供电和制冷设备的电力效率会大幅度下降。虽然某些电气设备（如电气线路）在低负载下效率更高，但大多数重要设备（如风扇、水泵、变压器和变频器）在低负载下的效率会下降（这是由“固定损耗”造成的，它在IT负载为零时依然存在）。制造商的数据表格通常只报告最佳负载（通常为高负载）下的效率，因此很难从该表格中发现这种效率下降。5.配置因素造成的低效率IT设备的物理配置会对制冷系统的能耗产生极大影响。不当的配置不但会迫使制冷系统超过IT设备的实际需要增加空气流动，还会导致制冷系统产生温度低于IT设备实际需要的空气。此外，物理配置可能会导致多种制冷设备发生“冲突”（如某台设备正在减少空气湿度，而另一台却在增加空气湿度），形成会极大降低系统效率但又难以诊断的典型情况。目前新数据中心及现有数据中心内电力密度不断增加的趋势更加剧了这些低效率情况。当前，几乎所有正在运行的数据中心都存在这些配置问题，并由此产生无谓的能源浪费。因此，对物理配置进行系统优化的架构可大大减少能源损耗。数据中心提升能效的具体措施前面的章节介绍了导致数据中心效率低下的五大因素。回顾一下这些因素，就不难发现它们是相互关联的。因此，一个有效的优化方法必须以整体看待数据中心系统—尝试优化个别低效率设备的效果极其有限。如果您仔细分析这些电力损耗（低效率）因素，就会发现基于下述原则制定集成系统可大大提高数据中心的效率：目前用不上的供电和制冷设备不应供电尽量减少系统过度规划的情况，以便设备能够在其效率曲线的最佳范围内运行供电、制冷和照明设备应采用最新技术，以最大限度地减少功耗对于必须低于额定功率（以提供冗余）运行的子系统，应优化该部分负载运行时的效率，而非设备的满负载效率应使用容量管理工具最大限度地减少数据中心内的“搁浅容量”，在所有供电和制冷系统能够承受的情况下安装尽可能多的IT设备，以期使系统在其效率曲线的最高点附近运行最佳的一体式物理配置应来源于数据中心系统，而不与其所安装的房间的特征相关。例如：行级制冷应与IT机柜相集成，而独立于房间级制冷之外。系统应配备监控装置，以便在出现不良功耗时显示和预警，方便工作人员迅速解决问题系统应包含安装和运行工具及规则，以最大限度地提高运行效率，并尽可能减少或消除导致不佳配置或安装的可能性降低IT设备能源消耗降低IT系统能耗主要有下面的2种方法：•运营措施：淘汰某些系统、以高效的方式使用现有系统，以及迁移到更节能的平台•规划措施：虚拟化和标准化降低DCPI设备能源消耗图2显示了除IT设备以外DCPI设施是降低能源消耗的目标图2：DCPI设施是降低能源消耗的目标1、适度规划规模根据负载适度规划DCPI系统的规模，使用高效的DCPI设备，以及设计节能的系统。图3：适度规划DCPI系统所有数据中心的效率均随IT负载的变化而变化。IT负载较低时，效率通常会降低，IT负载为零时，效率亦为零。数据中心的该曲线形状与此描述非常类似。2、优化配电，使用模块化、可扩充的电源通过尽量减少电力转换步骤，您可以将配电损耗降到最小。对于必须进行的转换步骤，请务必使用高效的设备变压器和配电装置（PDU）。数据中心配电过程的最大损耗之一来自不间断电源（UPS），因此选择一个高效的转换模式显得尤为重要。最后，为设备稳定提供尽可能接近供电的电压，以减少输电线路耗损。采用高效率UPS，以提高电源效率。图4显示最新UPS系统的效率在任意IT负载下都要高出很多，且在负载较低时效率提升幅度最大。例如，负载为30%时，最新UPS系统的效率较当前已部署UPS系统的平均效率提高10%以上。图4：UPS电源效率3、提供制冷效率1）行级制冷行级制冷是将制冷装置放置在IT设备列中，而非放置在房间的周边部分。缩短风流路径可减少冷热气流混合的机会，借以提高气流分配的可预测性。预测针对IT设备的气流分配可更精确地控制不断变化的气流速度，实现自动调节，以满足附近IT负载的需求。可变速风扇只以IT负载所需的速度旋转，不会像恒速风扇那样浪费能源。此外，行级制冷可捕获IT负载刚刚释放出热空气，减少其与周围空气混合的机会。上述作用加在一起可极大提高机房内空气处理设备的效率。行级制冷的基本布置如图5所示。图6显示了相对于传统机房内的空调系统，行级制冷架构在效率方面的提升。图5：行级制冷的基本布置图6：行级制冷架构在效率方面的提升2）自然冷却节能冷却模式有时也被称作“自然冷却”。这个术语可以用来说明节能冷却模式的一般情况，但应注意以下几点。节能冷却模式下，制冷机组的压缩机会部分或完全转为旁通运行。大多数使用节能冷却模式的系统大部分时间是将压缩机部分转为旁通运行，因此节省了部分能源，但是制冷并不是“免费”的。此外，即使节能冷却模式将压缩机完全转为旁通运行，在利用风机或泵排放热量时还是会有所耗能，并且很可能还会用到其它需要耗能的功能，比如加湿。也就是说即使在完全节能冷却模式下，制冷也并不是“免费”的。而实际上“节能冷却”不是指一个物体，而是指一种运行模式。“风侧节能冷却”和“水侧节能冷却”术语常常被用来形容包含节能冷却模式的制冷系统。表1：不同节能冷却模式的量化比较(蓝色标注表明其在该特性上表现最佳)风侧节能冷却模式水侧节能冷却模式-节能冷却模式特征采用次级盘管作为CRAC压缩机的旁通（带蒸发辅助）采用新风作为空调的旁通（带蒸发辅助）采用空气换热器作为空调的旁通（带蒸发辅助）采用热轮换热器作为空调的旁通（带蒸发辅助）采用热交换器作为冷水机组的旁通采用蒸发冷却器作为风冷冷水机的旁通建筑外壁兼容性可能需要修改建筑外壁可能需要修改建筑外壁可能需要修改建筑外壁不会影响建筑外壁不会影响建筑外壁不会影响建筑外壁可改造性不可在现有系统基础上改造不可在现有系统基础上改造不可在现有系统基础上改造如果空间许，可以改造如果空间允许，可以改造需要更换CRAC机组控制的复杂程度少数装置需要控制少数装置需要控制少数装置需要控制大部分装置都需要控制中等数量的装置需要控制中等数量的装置需要控制依赖于室外湿度独立于室外湿度独立于室外湿度独立于室外湿度独立于室外湿度数据中心湿度控制独立于室外湿度平均寿命热交换器寿命20-40年热交换器寿命20-40年热交换器寿命20-40年板式换热器寿命10-15年蒸发冷却器寿命10-20年制冷机组寿命10-20年可用性风险-冷却水损失-空气质量差-消防易受室外空气质量影响。使用气体灭火剂灭火时需要关机失水造成的宕机风险较低。无因空气质量差或消防造成的风险失水造成的宕机风险较低。无因空气质量差或消防造成的风险冷却塔补给水损失可能造成宕机失水、空气质量差、消防不会造成宕机失水、空气质量差、消防不会造成宕机占地面积0.41ft2/kW0.038m2/kW0.788ft2/kW0.073m2/kW1.72ft2/kW0.16m2/kW1.94ft2/kW0.18m2/kW3.34ft2/kW0.31m2/kW2.02ft2/kW0.19m2/kW是否需要制冷剂模式作为后备如果空气质量差，应作完全后备极端天气时作部分后备极端天气时作部分后备极端天气时作部分后备极端天气时作部分后备极端天气时作部分后备3）水泵和冷水机内的变速驱动器以前，数据中心冷站中的水泵和冷水机均为定速驱动。在这种方案中，必须按照最高预期负载和最差（最热）的室外环境条件配置马达。但是，数据中心运行时通常只能达到其部分设计容量，而且其运行寿命的大部分时间都是在室外较凉爽的情况下度过的。因此，就采用定速马达驱动的冷水机和水泵而言，其马达将在大部分运行时间里以高于所需的速度运转。配备变速驱动装置(VFD)和相应控制装置的水泵和冷水机能够降低其运转速度和能源消耗，以适应当前的IT负载和室外条件。这种能效提升随运行状况而变化，但可达到10%或更高，特别是数据中心不在满负载条件下运行时，或在数据中心中的水泵或冷水机采用冗余设计配置。水泵和冷水机内的变速驱动器可以看作是一种“自动容量优化”形式。4）管理气流良好的气流管理对于提高数据中心的运营能效是至关重要的。您可以利用精心设计的防泄露系统将冷热气体混合