李震-数据中心节能关键技术研究

数据中心节能关键技术研究授课教师：李震2目录1.数据中心用能现状及问题2.数据中心排热过程分析3.数据中心能效评价指标及节能途径4.数据中心节能技术应用案例5.结论与展望31.1数据中心数据中心用能现状及问题数据中心是一类特殊建筑，用来集中放置和管理各类IT设备（如服务器、交换机、高性能计算机、工作站等）及其配套设施（电源、照明、空调等），以实现对大量数据的存储、运算、通信、网络服务等功能，为不同需求的用户提供实时高效的信息处理服务。数据中心结构和功能示意图数据中心内部服务器机架41.1数据中心数据中心用能现状及问题不同类型的数据中心由造纸厂改造的芬兰谷歌数据中心俄勒冈州谷歌数据中心冷却塔水蒸汽布法罗地区Yahoo数据中心呼和浩特中国移动数据中心51.2数据中心能耗现状数据中心用能现状及问题世界数据中心耗电量分析[1]我国数据中心耗电量分析[1]数据中心能耗高：单位面积发热密度高，全年连续运行预计到2020年，全球信息技术相关的碳排放量将达到15.4亿吨[2]，占全球总碳排放量5%，已经成为温室气体排放的重大来源之一。2015年我国数据中心耗电量逼近1000亿度[3]。数据来源:[1]ICTresearch；[2]信息产业如何减少碳排放；[3]中国数据中心能效研究报告61.3数据中心的建设及扩张趋势数据中心用能现状及问题发展趋势数据机房投资年增长率25%耗电量年增长率10%~15%服务器功率增长，散热密度急剧增加0100200300400500600700800900100020092010201120122013年份规模（亿元）[1][1]ASHRAETC9.9.数据处理环境热指南.杨国荣,陈巍,王振华,译.2版.北京:中国建筑工业出版社,2010.71.4数据中心能耗结构数据中心用能现状及问题能耗构成主要能耗：信息设备、空调系统其他能耗：电源系统、照明等辅助设备能耗高信息设备（~43%）空调系统（~47%）、供电系统（~8%）辅助设备所占比例过高81.5数据中心能效指标数据中心用能现状及问题PUE=数据中心年总耗电量/信息设备年耗电量北京市数据中心机房PUE情况PUE1.5~2.02.0~2.52.5~3.03.0合计机房数（座）7165937比例18.92%43.24%13.51%24.32%100%国内大部分数据机房PUE2.0有少量PUE在1.70附近的大型数据机房国外欧美国家相当数量的机房PUE≈2.0先进的机房PUE1.70Google的机房(类型特殊)PUE1.2091.6数据中心空调系统现状及问题数据中心用能现状及问题10目录1.数据中心用能现状及问题2.数据中心排热过程分析3.数据中心能效评价指标及节能途径4.数据中心节能技术应用案例5.结论与展望112.1数据中心排热本质数据中心排热过程分析传热过程室内传热过程室外传热过程热量采集热量传递冷源选择典型机房传热过程122.1数据中心排热本质数据中心排热过程分析服务器芯片精密空调冷机冷却塔大气热量采集冷源制备空气气流组织自然冷却水机械制冷热量传递1、换热过程本质分析2、换热温差本质分析设备发热室外大气当前冷却方式温差消耗大传热本质132.1数据中心排热本质数据中心排热过程分析通过循环于室内外之间的工质，实现芯片与室外冷源的换热，来实现利用自然冷源排热根本目标：–维持芯片表面温度不超过给定温度–稳定地排出芯片产生的热量对于确定的排热系统，ΔT＝RXQΔT：芯片表面温度－冷源温度R：系统等效热阻Q：要求的排热量142.1数据中心排热本质数据中心排热过程分析ΔT＝RXQ【驱动温差=热阻X排热量】当芯片温度－室外冷源温度ΔT时，可以用室外冷源排热当芯片温度－室外冷源温度ΔT时，需要运行制冷机，提供不足的ΔT，以满足排热要求ΔT越小，可以利用自然冷源的时间越长；在必须启动冷机时，要求冷机提供的ΔT也越小，从而冷机功耗小怎样减少ΔT？或者是怎样降低排热系统的等效热阻R？是充分用好自然冷源的关键152.2数据中心热量采集过程数据中心排热过程分析典型架空地板送风方式测试机架冷通道温度分布热通道温度分布机柜局部温度分布162.2数据中心热量采集过程数据中心排热过程分析传统数据中心散热形式1.运行时间长（全年不间断供冷）2.送风参数相对稳定3.高显热潜热比（显热负荷与潜热负荷之比通常大于0.95）4.大风量，小焓差模式5.耗电量大6.气流组织复杂传统集中式送回风方式存在的弊端172.3冷源过程数据中心排热过程分析选择合适的冷源形式风冷：干球温度蒸发冷却：湿球温度间接蒸发冷却：露点温度风冷（冷源为室外干球温度）蒸发式冷却（冷源接近室外湿球温度）间接蒸发式冷却（冷源接近室外露点温度）18目录1.数据中心用能现状及问题2.数据中心排热过程分析3.数据中心能效评价指标及节能途径4.数据中心节能技术应用案例5.结论与展望193.1数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径气候类型、制冷形式影响数据中心制冷系统能耗IT负荷率、规模、安全等级影响数据中心整体能耗各影响因素带来的数据中心能效差异如何评价？203.1数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径GB50178-1993《建筑气候区划标准》能效如何比较？规模不同安全等级不同气候类型不同制冷形式不同解决方案将各因素对PUE的影响进行精细化考量分析不同条件给各个分系统带来的PUE变化将条件变化对各分系统的影响叠加后，作用于整体的基准PUE213.1数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径1寒冷地区、空气冷却式、安全等级B、负荷率100%、中等规模数据中心设定评价基准：PUE=22单一系统因不同条件引起的PUE差值累加例：将气候条件、安全等级、负荷率等的变化对制冷系统、UPS等能耗的影响分别进行计算3不同系统PUE差值累加例：将制冷系统、UPS、照明等的PUE变化差值进行累加，并作用于基准PUE值4条件变化后的PUE评价指标例：严寒地区、空气冷却式、安全等级A、负荷率25%、小规模数据中心223.1数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径100%25%50%75%负荷率负荷率直接影响IT设备能耗，制冷负荷的改变又会影响压缩机及输配系统能耗233.1数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径安全等级B级C级A级安全等级涉及冗余设施的配备，对安防设备等的要求243.1数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径不同地区数据中心空调系统全年能效比AEER253.1数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径25数据中心能效综合评价指标修正值单一条件变化的能耗要求修正量压缩机加湿新风IT设备UPS供电照明其他辅助用房安全等级A000.02000.140000.02000.180B0000000000C0-0.020-0.0600-0.023-0.0040-0.0100-0.117气候条件（水冷）严寒-0.145000000-0.145寒冷-0.124000000-0.124夏热冬冷-0.058000000-0.058夏热冬暖0.0180000000.018温和-0.069000000-0.069气候条件（风冷）严寒-0.018000000-0.018寒冷00000000夏热冬冷0.0240000000.024夏热冬暖0.0510000000.051温和0.0120000000.012负荷率2500.1200.24000.3180.0360.0600.0600.1300.9645000.0400.08000.1090.0200.0200.0200.0500.3397500.0130.02700.0010.0070.0070.0070.0230.0841000000000000其他0000000000根据安全等级、气候条件以及负荷率对PUE指标进行修正。修正值查表算例：严寒地区A等级水冷式75%负荷数据中心263.2分离式热管数据中心能效评价指标及节能途径热管技术热管技术是利用工质相变可实现远距离传热、装置适应性和密封性好等诸多优点数据机房热管排热系统基于分离式热管的数据机房自然冷源利用设备通过室内外的自然温差实现循环排热传热能力强、能耗低、可靠性高、环境适应性强273.2分离式热管数据中心能效评价指标及节能途径列间热管参数：风机N+1配置。即插式风机，便于维护。列间热管安装于机架旁，占用机房空间（300mm）。风机具有调速功能。采用高温冷冻水（12℃以上），无凝结水。制冷冷媒为R22、R134a、R407c。283.2分离式热管数据中心能效评价指标及节能途径顶置式热管参数：吊顶式热管安装于机房的冷通道上方，不占用地面空间。风机具有调速功能。采用高温冷冻水（12℃以上），无凝结水。制冷冷媒为R22、R134a、R407c。293.3机柜级冷却数据中心能效评价指标及节能途径以机柜为单位进行冷却：换热器安装在机柜内，就近带走热量避免局部热点，增强散热能力可实现冷量按需分配换热器安装位置灵活：侧背板机柜前后双背板机柜后背板机柜工质选择：水（存在安全隐患）氟利昂303.3机柜级冷却数据中心能效评价指标及节能途径理论方法运用热管分布式冷却方法定量描述了系统各环节耗散成功解决了掺混和发热不均匀的问题313.3机柜级冷却数据中心能效评价指标及节能途径运行原理示意图产品外观图供冷量：3~15kW优点不占用机房原地面空间机房按需供冷，机房无局部热点风机功耗小提供100kW冷量，风机功率＜2kW100kW精密空调的室内风机功率为6~7kW323.4芯片级冷却数据中心能效评价指标及节能途径热管接入服务器带走cpu所占的60%的热量。其余40%热量由机柜前后两个背板换热器散出。无水，无泵，维护方便，造价与能效比水冷的方案更优。换热器双级回路热管系统333.4芯片级冷却数据中心能效评价指标及节能途径双级回路热管系统343.5自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径直接自然冷源利用优点：直接利用自然冷源，结构简单缺点：灰尘、湿度、滤网维护、空气中微量硫氧化物对IT原件腐蚀直接通风带来对IT元件的腐蚀（微量SO2腐蚀）353.5自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径间接自然冷源利用优点：通过换热器换热，避免了直接引入室外空气而给室内环境带来的影响缺点：风阻大，风机能耗过高体积相对较大，与室外联系过多换热器容易堵塞，需经常更换过滤网，增加了机房的维护量363.5自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径自然冷源与蒸气压缩循环结合系统运行模式示意图优势：1.风机数量无需增加，模式切换无需阀门2.两循环相对独立，杜绝润滑油掺混3.管路简洁，加工方便4.过渡季两循环共同运行两循环并联，三种运行模式：分离式热管模式蒸汽压缩制冷模式双循环模式373.5自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径自然冷源与蒸气压缩循环结合系统性能年运行时长计算结果北京地区数据中心传统与复合型制冷系统能耗指标CLF全年对比图（黑：传统蒸汽压缩制冷空调红：复合空调）383.6分布式系统数据中心能效评价指标及节能途径分布式冷却系统：减小温差损失，提高冷源温度⁻分离式热管将机架和冷水直接连接，温差损失小，冷源温度高均匀分配冷量，消除局部热点⁻热量传递和冷量输配由空气改为热管（输配能耗小）⁻通过支管将制冷剂“按需分配”给末端换热器⁻避免大风量送风不均匀，消除局部热点温湿度独立控制⁻热负荷：利用工质相变带走服务器散发的热量⁻湿负荷：实时监测机房环境湿度，根据机房要求判断加湿或除湿393.6分布式系统数据中心能效评价指标及节能途径温度控制采用分离式热管解决机房显热排放问题，将蒸发端直接安装在机柜内部，就近排走机柜发热量，通过流量调节，可达到按需分配，适应机房发热不均一的特点。系统特点•热管排