如何设计配电与空调系统降低数据中心PUE

如何设计配电与空调系统如何设计配电与空调系统降低降低数据中心数据中心PUEPUE曹播[e-mail]13500050240Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开数据中心已经成为电老虎数据中心已经成为电老虎数据中心已经成为电老虎根据美国环保署报告，2006年美国的数据中心累计消耗610亿度电（61billionkWh），占全美当年总耗电量的1.5%，电费约45亿美元，超过美国所有电视机耗电总和，约等于580万个家庭用电量。预计到2011年，美国的数据中心将消耗1000亿度电，占全美总耗电量的2.5%，其电费将达约74亿美元。为满足数据中心耗电需求，美国需要新增10%的发电量才可满足。CHINA:2007年数据中心总能耗达到88.58亿KWH数据来源：计世资讯CCWResearch2008Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开DataCenterEnergyConsumption数据中心能耗路线图DataCenterEnergyConsumptionDataCenterEnergyConsumption数据中心能耗路线图数据中心能耗路线图DataSource:EPAReportFindings(August2007)US:Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开终端通信/IT设备节省的每一瓦电能，可导致系统节省2.84瓦电能处理器15％处理器电源14％其他15％存储4％通信4％制冷38％配电1％电源5％照明1％建筑其他3％计算设备52％数据中心能效逻辑定性分析之能效逻辑数据中心能效逻辑定性分析之能效逻辑数据中心能效逻辑定性分析之能效逻辑Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开数据中心能效定量评价指标数据中心能效定量评价指标数据中心能效定量评价指标为了减少数据中心能量消耗，提高数据中心的能效，全球IT行业的专家们定义了许多数据中心能效模型，其中比较有影响的组织是绿色网格组织（GreenGrid）。2007年2月，绿色网格组织（GreenGrid）制定了数据中心的能效比指标，分别叫PUE（PowerUsageEffectiveness）和DCiE(DataCenterInfrastructureEffectiveness),Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开数据中心效率定量评价指标-PUE数据中心效率定量评价指标数据中心效率定量评价指标--PUEPUE上述PUE模型推测清楚的列出了数据中心的能量消耗三大部分，即：–IT设备的能量消耗–供电系统的能量损耗–制冷系统的能量消耗接下来对上述三个能量消耗部分进行探讨Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开数据中心能效定量评价指标数据中心能效定量评价指标数据中心能效定量评价指标–能量使用效率PUE:PowerUsageEffectiveness–PUE定义•–数据中心总能耗=制冷用电负荷+供配电能耗+IT设备能耗+其他能耗（照明等）–PUE可分解为–DCiE指标数据中心客户广泛关注节能与效率大的客户已经开始在标书中要求采用美国流行的能效评定模型PUE指标设计，如腾讯、招行、平安等新建数据中心设备总能耗）数据中心总能耗）ITtPowerITEquipmenityPowerTotalFacil((Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开数据中心能效定量评价指标数据中心能效定量评价指标数据中心能效定量评价指标PUE的曲线目前运行的数据中心PUE基本在2～2.5范围新设计的数据中心，客户倾向指标为1.8~1.6DCiE的曲线Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开如何打造绿色数据中心如何打造绿色数据中心如何打造绿色数据中心机房节能三定律：•IT设备节能是机房节能的基础，采用低能耗主设备是最重要的机房节能措施•空调设备节能是机房节能的关键，本模型显示：消除274W机房热需要消耗107W的电。采用空调系统节能综合方案是机房节能的关键•供电系统节能是机房节能不可缺的要素。采用高效率的供电系统是机房节能要素Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开LowPowerProcessors低功率处理器LowPowerProcessorsLowPowerProcessors低功率处理器低功率处理器10芯片制造商和分析家们都称，低功率处理器不会影响计算机的处理能力Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开EfficientPowerSupplies高效率电源EfficientPowerSuppliesEfficientPowerSupplies高效率电源高效率电源11传统的服务器电源一般都大于服务器最大需求传统的服务器电源一般都大于服务器最大需求过大的电源造成更高的能耗损失LBNL报告要求电源效率在30％负载时为72~75%新型高效电源的效率在30％负载时为89~91%选择合适型号的电源即使大部分服务器为低Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开EfficientPowerSupplies高效率电源EfficientPowerSuppliesEfficientPowerSupplies高效率电源高效率电源©2007EmersonNetworkPower12©2007EmersonNetworkPower应该选择什么样的电源呢？电源负载率效率铭牌上的最佳值并不表明电源的运行能力最佳，要根据负载情况确定电源的最佳值。在负载为10~35%时，电源的效率最高Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开ServerVirtualization虚拟服务器ServerVirtualizationServerVirtualization虚拟服务器虚拟服务器13虚拟服务器通过减弱硬件和软件提高服务器的利用率减少服务器数量实现节能传统服务器（无虚拟）典型的虚拟服务器架构一台物理服务器上的多逻辑服务器典型整合率为8:1，即服务器数量为1/8Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开BladeServers刀片式服务器BladeServersBladeServers刀片式服务器刀片式服务器14硬件上的比较在相同机架上相较于传统服务器，刀片式服务器消耗电能要低10%刀片服务器是高热密度架构机架包括风扇、网卡等公共配件Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开PowerManagementFeatures电源管理特性PowerManagementFeaturesPowerManagementFeatures电源管理特性电源管理特性15即使服务器是空闲的，服务器也会消耗峰值的75~80%关闭典型的电源开启电源管理可降低处理器空闲能源峰值45%部分人关注服务器响应时间问题Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗供电系统指的是从市电变压器、发电机组之后，包括ATS自动切换开关、配电系统、UPS、供电电缆等环节Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗计算供电系统的损耗即为PUE供电因子，计算的数学模型为：供配电因子PowerLoadFactor（PLF）=ATS开关损耗+低压配电系统损耗+UPS系统损耗+供电电缆损耗其中ATS开关损耗、低压配电系统损耗、供电电缆损耗很小，基本上是铜损与接触电阻损耗，统计数据表明为1%～3%左右，取中间值2%即为0.02。供配电因子PowerLoadFactor（PLF）=0.02+UPS系统损耗Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗假设数据中心服务器等计算机类负载为100KW。配置2台UPS组成单机双母线解决方案，UPS选用200KVa/180kw（PF=0.9计算机类负载为100KW，两条母线上每台UPS平分负载，即每台UPS承担负载为50Kw，单台UPS的负载率：K=50/180=27%艾默生HipulseU200Kva/180KwUPS效率表。（注，表中数据为电池浮充电状态）负载率27%，约等于25%，得出损耗率为：Η=9.37%，即0.0937则供电系统总损耗为：供电因子PowerLoadFactor=0.02+UPS系统损耗=0.02+0.0937=0.114Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗供电系统的能量损耗数据中心供电系统节能发展趋势–取消昂贵而耗能的隔离变压器，自市电入户变压器后，所有供电设备与环节不再采用工频隔离变压器。–供电回路上，服务器工作电源是损耗最高节点，效率仅为70%～75%。未来可能采用高压直流技术（如380V直流系统），大大减少供电系统损耗。Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开制冷系统的能量消耗制冷系统的能量消耗制冷系统的能量消耗数据中心机房环境对服务器等IT设备正常稳定运行起着决定性作用。数据中心机房建设的国家标准GB50174-2008《电子信息机房设计规范》对机房开机时的环境的要求：数据中心机房环境服务器等IT设备造成影响：–温度无法保持恒定-造成电子元气件的寿命降低–局部温度过热-设备突然关机–湿度过高-产生冷凝水，短路–湿度过低-产生有破坏性的静电–洁净度不够-机组内部件过热，腐蚀Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开制冷系统的能量消耗制冷系统的能量消耗制冷系统的能量消耗1、机房热负荷计算方法一：各系统累加法以上热源组成了机房的总热负荷。计算复杂，通常是采用工程查表予以确定。但是因为数据中心的规划与设计阶段，非常难以确定，所以实际在数据中心中通常采用设计估算与事后调整法。计算项公式1、外墙和屋面温差传热冷负荷计算Q1=KF⊿t12、外窗温差传热形成的冷负荷Q2=KF⊿t23、外窗太阳辐射的冷负荷计算Q3=FXgXdXzJn4、内维护结构传热的冷负荷计算Q4=KF⊿t45、人体散热的冷负荷计算Q5=NФqnX=06、照明灯具散热得冷负荷计算Q6=1000n1n0NXt7、除湿负荷计算Q7=M1G1X8、空气渗透冷负荷计算Q9=0.28G(i1-i2)9、设备散热的冷负荷Q9=Q0X总计Σ(q1…q9)Allrightsreserved版权所有，仿冒必究CompanyConfidential公司机密，不得公开制冷系统的能量消耗制冷系统的能量消耗制冷系统的能量消耗2、机房热负荷计算方法二：设计估算与事后调整法数据中心机房主要的热负荷来源于设备的发热