前言
云計算與大數(shù)據(jù)時代隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)、智能終端、互聯(lián)網(wǎng)的興起而快速到來，云計算市場迎來了一個發(fā)展的高峰，云計算的實現(xiàn)離不開數(shù)據(jù)中心的支持，而云計算本身又在驅(qū)動著數(shù)據(jù)中心的變革。云計算的精髓在于資源的虛擬化，IT軟硬件架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)相比有很大的不同，特別是硬件的變化，主要表現(xiàn)為IT設(shè)備的高度集中、高發(fā)熱、高耗能，驅(qū)使底層的風(fēng)火水電等配套設(shè)施的作出相應(yīng)改變，如何破解數(shù)據(jù)機房的三大挑戰(zhàn)企業(yè)機房的高效運轉(zhuǎn)是一個非常重要的課題?
企業(yè)數(shù)據(jù)中心中心的耗電
數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施核心保障就是IT設(shè)備，形象的說建設(shè)數(shù)據(jù)中心就是為了解決IT設(shè)備的“吃”、“住”、“舒適”等生活問題，吃的是UPS的不間斷電源，住的是高檔機柜，享受的是精密空調(diào)，當(dāng)然要實現(xiàn)這些就需要付出相應(yīng)的成本，其中數(shù)據(jù)機房的電費是目前企業(yè)級機房最大的營業(yè)成本之一，為了解決耗電問題，我們先分析能耗的組成，才能對癥下藥，一個典型的PUE=2.3的機房耗電組成如下所示：
其中IT設(shè)備用電包括所有的IT設(shè)備的負(fù)載，如服務(wù)器、儲存和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，
數(shù)據(jù)中心總用電包括支持IT設(shè)備負(fù)載條件的用電，如：
?電力系統(tǒng):如UPS、配電及開關(guān)、電池和配電損失。
?空調(diào)系統(tǒng)：如冰水機組、機房空調(diào)機(CRAC,CRAH)、水泵及冷卻水塔等。
?服務(wù)器、儲存設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。
?其他雜項設(shè)備，如數(shù)據(jù)中心照明負(fù)載、監(jiān)控門禁系統(tǒng)及消防系統(tǒng)。
根據(jù)以上耗電系統(tǒng)分析，PUE主要的改善方向如下：
以一個總功率100kW的機房為例，PUE從2.3改善到1.43，一年能節(jié)約30多萬度電，5年就可以節(jié)約165萬元的電費，為企業(yè)更高效的運營提供有力的支持。
采用水平送風(fēng)空調(diào)技術(shù)
傳統(tǒng)氣流組織給數(shù)據(jù)中心帶來的困惑是：
整個架空地板下是個靜壓箱，所以每個機柜所享受到的出風(fēng)量是一致的，無法按需提供冷風(fēng)量;如果機柜的熱密度產(chǎn)生差異，高熱密度機柜就會產(chǎn)生局部熱點;
由于冷風(fēng)從出風(fēng)地板送出，通過機柜前開孔門板送入機柜，在機柜的垂直方向上，自下而上會產(chǎn)生風(fēng)量梯度和穩(wěn)定梯度;
受機柜熱密度的影響，單機柜裝機容量受到限制：
在傳統(tǒng)的機房配置空調(diào)時，通常會注重機房所需的冷量而忽視服務(wù)器機柜所需的風(fēng)量;
IT對風(fēng)量的要求通常是：每1kw熱量，要求提供120CFM(合204m3/hr)的冷風(fēng)，才能滿足IT設(shè)備的冷卻需求;
按傳統(tǒng)的下送風(fēng)空調(diào)制冷方式計算，每個機柜出風(fēng)地板的風(fēng)量為：出風(fēng)口的風(fēng)速≤3m/s，出風(fēng)地板的面積為：0.36m2，地板的開孔率通常為30%，
所以每個機柜前面的總風(fēng)量為：
3m/s×3600s/hr×0.36m2×30%=1166 m3/hr。
每個機柜的裝機熱負(fù)荷為：1166 m3/hr÷204m3/hr=5.7kw
通過上述風(fēng)量計算，如果采用傳統(tǒng)的下送風(fēng)空調(diào)制冷解決方案，每個機柜IT設(shè)備的裝機容量無法做大，導(dǎo)致機柜裝機率不高，浪費機柜的空間，同時也浪費機房的空間;
傳統(tǒng)的房間制冷方式，由于送風(fēng)距離遠(yuǎn)，難免在送風(fēng)過程中產(chǎn)生風(fēng)壓、風(fēng)量的衰減，導(dǎo)致遠(yuǎn)端機柜產(chǎn)生局部熱點。
機柜級水平送風(fēng)制冷解決方案能有效的解決傳統(tǒng)房間級制冷方案的困惑：
由于水平送風(fēng)空調(diào)安裝在機柜旁邊，就近送風(fēng)和制冷，解決地板下送風(fēng)風(fēng)阻導(dǎo)致的局部熱點問題;
就近制冷，送風(fēng)距離短，冷量的利用率更高;
空調(diào)可根據(jù)機柜的熱密度，隨時調(diào)整輸出的風(fēng)量和冷量，提供單個機柜的個性化風(fēng)量和冷量需求，制冷更有針對性，效率更高;
對數(shù)據(jù)中心機房建制過程中，是否要建架空地板，無需要求;機房地面的保溫要求也更低;
由于緊貼機柜安裝空調(diào)，可以給單機柜提供足夠的風(fēng)量，所以機柜的IT設(shè)備裝機容量可以大幅提高，如臺達(dá)29kw的空調(diào)，風(fēng)量為4930 m3/hr，那么單機柜的IT熱密度可達(dá)：4930 m3/hr÷204m3/hr=24.2kw。
與傳統(tǒng)的房間制冷方案相比，單機柜的裝機容量可以提高4倍。
圖1-3傳統(tǒng)下送風(fēng)空調(diào)與機柜式空調(diào)適應(yīng)熱密度比較
從圖中，我們可以看出傳統(tǒng)下送風(fēng)空調(diào)，滿足單機柜6kw一下的需求，而水平送風(fēng)空調(diào)可滿足單機柜30kw一下的需求。
經(jīng)過對下送風(fēng)空調(diào)(房間級)與水平送風(fēng)空調(diào)(行級)的比較，水平送風(fēng)空調(diào)更加靠近IT設(shè)備，送風(fēng)距離短，效率更高，更加節(jié)能。
冷熱通道封閉技術(shù)
為了提升制冷效率,提高單機柜制冷能力,結(jié)合現(xiàn)場情況,使用冷熱通道封閉技術(shù)為核心的IT設(shè)備進(jìn)行冷卻.通過改善空氣循環(huán)的管理，提升制冷功率密度.有效減低PUE值，而設(shè)計一套散熱效果好、安全可靠的機柜冷熱池解決方案。主機房機柜采取背對背擺放，網(wǎng)絡(luò)機房采取面對面擺放
A 冷池系統(tǒng)設(shè)計
冷池采用鋁合型材框架+鋼化玻璃，頂部為全封閉鋼化結(jié)構(gòu)，冷池是通過設(shè)置全封閉式冷空氣循環(huán)系統(tǒng)環(huán)境，提高室內(nèi)空調(diào)使用效率，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。冷池的頂部設(shè)置部分開啟扇，開啟面積應(yīng)不少于冷池頂面積的30%。由于機房采用氣體滅火系統(tǒng)，當(dāng)滅火系統(tǒng)啟動時，冷池的頂部開啟扇部分開啟。冷池的地面設(shè)置大面積的帶風(fēng)口的架空地板，作為下送風(fēng)的出風(fēng)口。冷池末端設(shè)置鋼化玻璃門，滿足人員工作進(jìn)出疏散、消防保護(hù)及管理監(jiān)控。開啟扇考慮與消防聯(lián)動，當(dāng)氣體釋放時開啟扇放下。
機房冷通道內(nèi)的玻璃頂板在現(xiàn)場探測器報警后，于氣體噴射前將電磁鐵失電，通道敞開。本系統(tǒng)電磁鐵采用交流電供給，如消防電源可提供本次設(shè)備容量，并現(xiàn)場條件允許的情況下，可由消防電源直接引一回路至控制箱;若消防設(shè)備無法提供電源，為保證電磁鐵不失電，建議由PDU中引一回路至控制箱，并在控制箱中安裝整流設(shè)備，提供磁鐵所需電源。
B系統(tǒng)優(yōu)勢
1) 靈活性
冷通道為單元模塊化設(shè)計，冷通道兩側(cè)的兩臺機柜占用1個單元，每個單元均能獨立安裝。
2) 智能性
每個頂部密封板均可實現(xiàn)與消防聯(lián)動。當(dāng)機房內(nèi)火災(zāi)信號確認(rèn)后，頂部密封板自動打開，滿足消防氣體噴放要求。
3) 安全性
所有冷通道窗口材料為透明鋼化玻璃，機械強度比普通玻璃高，而且不影響冷通道內(nèi)正常采光。
4) 方便性
當(dāng)需要在冷通道內(nèi)搬運設(shè)備時，通道兩端門打開后，下門框可方便拆卸下來，方便小型運輸設(shè)備在機房地板上進(jìn)出。
封閉冷通道，降低冷風(fēng)損失，提高冷源利用率;
自然冷卻技術(shù)
自然冷卻技術(shù)就是利用免費的自然資源進(jìn)行熱交換，最大限度的降低機房能耗，目前常用的免費冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，如果可能的話，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)都是非常適合采用免費制冷技術(shù)。采用水冷空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時，在低于15度以下(上海地區(qū)每年約有120天)就關(guān)閉制冷機組，可以利用冷卻塔、冷卻水泵、板式換熱器組成的系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，因系統(tǒng)中沒有大功率的壓縮機運轉(zhuǎn)，極大的降低了系統(tǒng)的效率，當(dāng)溫度高于15度又切換回冷凍水系統(tǒng)。上述介紹的水冷自然冷卻由于只需要增加一臺不需要動力的板式換熱器，投資和占地都比較少，是我們推薦的企業(yè)數(shù)據(jù)中心最佳免費制冷節(jié)能方案，系統(tǒng)的原理圖如下。
變頻節(jié)能技術(shù)
空調(diào)系統(tǒng)為IT數(shù)據(jù)機房空調(diào)，機房采用臺達(dá)精密空調(diào)，冷水系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)與IT數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)位于同一樓層。冷凍水泵2臺5.5kW，冷卻水泵2臺5.5kW，冷卻水塔1臺1.1kw。 水泵及冷卻塔當(dāng)前控制模式均是定頻定流量工作;現(xiàn)場有風(fēng)冷熱泵、水冷機組、以及板換，當(dāng)冬天或者溫度較低時，通過冷卻塔冷卻空調(diào)冷凍水溫;當(dāng)溫度稍高時，采用風(fēng)冷熱泵機組制冷;當(dāng)夏天溫度很高時采用水冷機組。
當(dāng)前對于冷水系統(tǒng)控制采用西門子S7-200PLC控制，含觸摸屏。 模擬量包括環(huán)境溫度2個，冷卻塔出回水溫度，冷凍水出回水溫度各1個。PLC無多余點位余量。
對于室內(nèi)精密空調(diào)，目前采用三通閥的方式，改變空調(diào)所需流量時并不改變系統(tǒng)管網(wǎng)阻力，水泵側(cè)流量壓力都不改變。
系統(tǒng)采用冬夏過度季節(jié)不同冷源切換，盡可能少的減少冷熱源方面的能量損失，達(dá)到免費利用外氣環(huán)境冷卻的目的，在制冷方面實現(xiàn)了節(jié)能，合理且先進(jìn)。
但是，大多數(shù)系統(tǒng)在初建時都會按實際最大負(fù)荷考量，包括冷機，冷卻塔，水泵，在冷源上實現(xiàn)了節(jié)能的同時，并沒有在水泵負(fù)荷與制冷量上相互匹配，也就是說當(dāng)末端空調(diào)負(fù)荷很低的時候，對于制冷機主而言，實現(xiàn)了冷量的按需分配，電流百分比隨著負(fù)荷下降而降低，但是對于水泵而言，過多的流量其實是造成能耗浪費的關(guān)鍵。
實現(xiàn)節(jié)能的原理：低流量大溫差與熱交換能力的關(guān)系，對于一個換熱器(板換或者精密空調(diào)表冷器)來說，其流量與溫差的關(guān)系見下圖，在部分負(fù)荷下，其冷量與流量不會同比下降，如圖，在50%的流量下，可以提供大約80%的負(fù)荷，也就是說系統(tǒng)的冷量與流量不會完全對應(yīng)，但是每個廠家的換熱器性能不一定，故最佳換熱流量并不統(tǒng)一，這個最佳流量基本會在30%-70%之間，使得溫差最大會高于5℃。
其次，對于水泵而言，限流變頻帶來的最大好處是節(jié)能，離心式風(fēng)機水泵都遵循相似定律，即流量與水泵轉(zhuǎn)速(頻率)成正比;楊程與轉(zhuǎn)速的平方成正比;功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此改變頻率可以有效的節(jié)能。
高壓微霧加濕技術(shù)
高壓微霧加濕器的工作原理是利用高壓柱塞泵將水壓提高到7Mpa以上,然后將加壓后的水經(jīng)耐高壓輸送管線由專業(yè)噴嘴將其霧化，產(chǎn)生3—15μm的微霧顆粒，使其能夠迅速從空氣中吸收熱量完成汽化并擴(kuò)散，從而完成空氣加濕、降溫的目的。
該系統(tǒng)即可以作為大空間加濕作用，也可以作為降溫用途。
實際產(chǎn)生的加濕量是由安裝多少噴嘴來決定的。例如，某型號噴嘴的噴霧量是4L/h，總共100個噴嘴，則最大噴霧量是400L/h。
高壓微霧用于機房加濕存在很多技術(shù)優(yōu)勢：
1. 節(jié)約能源
相對電極加濕的等焓方式，高壓微霧加濕系統(tǒng)本身的耗電量是極少的。每小時30公斤的加濕量耗電量在300W左右，是電極加濕器的1.4%。在機房環(huán)境中使用時，其節(jié)能下過尤其顯著。
如果原先機房空調(diào)配置了9kg/h的電極式加濕器，我們可以用10kg/h噴霧量的高壓微霧加濕器來取代。對于高壓微霧加濕器的10kg/h的噴霧量，消耗電能約100W。水霧進(jìn)入機房后，需要吸收空氣熱量而氣化。每1kg水霧，需要吸收空氣中750W熱能才能氣化。就是說，10kg/h的高壓微霧加濕器每小時對空氣產(chǎn)生7.5KW的冷量，從而可以大幅度降低空調(diào)機的制冷負(fù)荷。
按照每天高壓微霧加濕器累計運行12小時計算，其自身耗電量為3300度，電費支出約3300元。但是，其產(chǎn)生的冷負(fù)荷約為3萬KW，相當(dāng)于壓縮機消耗1萬度電產(chǎn)生的冷量，相當(dāng)于制冷系統(tǒng)節(jié)能1萬度電，節(jié)約電費支出10000元。
總體來說，使用高壓微霧加濕器產(chǎn)生的額節(jié)能效應(yīng)是：40000-3300+10000=46700度電，折合46700元。
就是說，如果用高壓微霧加濕器取代原先內(nèi)置了9kg/h電極式加濕器的機房空調(diào)來說，每年的節(jié)電為46700度，約合46700元。
2. 使用安全
由于將水加壓到70Bar壓力以上，很小的漏點都會導(dǎo)致主機加壓端壓力的顯著下降，系統(tǒng)可以迅速采取關(guān)斷措施保證安全。所以說，高壓微霧系統(tǒng)可以非常容易地實時監(jiān)控到高壓水路中的泄漏情況。而普通低壓水路系統(tǒng)則不具備這樣的優(yōu)勢，在跑水已經(jīng)很嚴(yán)重的情況下仍然無法察覺。
高壓管道的內(nèi)徑只有1-2mm，內(nèi)部容積非常小。高壓水路一旦關(guān)閉，整個管道中的存水量十分有限，數(shù)十米的管線僅僅容納和殘留0.2升水，折合一個茶杯的水，不會對機房產(chǎn)生破壞性地?fù)p害。
3. 無水垢影響
高壓微霧系統(tǒng)因為無需向外排水，所以沒有任何水垢的問題，水的前端處理系統(tǒng)比如純水機、軟化水設(shè)備等都可以自動運行，并安裝有排水管道的工作間或洗手間內(nèi)。
4. 安裝布置方便
由于高壓管路可以傳送達(dá)數(shù)百米乃至上千米，所以對用戶來說配置起來相當(dāng)容易。在不同樓層或相隔甚遠(yuǎn)的機房可以采用同一套主機系統(tǒng)，通過在吊頂空間布排直徑10mm左右的PE管線，不會對原有建筑格局和裝修產(chǎn)生任何大的變動，工程量也很小。
5. 擴(kuò)容升級方便
高壓微霧加濕器最小型號的機器的滿負(fù)荷噴霧量為50kg/h。對于用戶來說，新增加一個機房有加濕需求時，只要主機還有空余的流量，連上一條新的高壓線路和濕度傳感器就完成了。
6. 加濕度效率高
針對其他很多加濕方法，高壓微霧的加濕霧化效率非常高，高達(dá)98%以上的水霧都會蒸發(fā)為水蒸氣，這個效率甚至大于電極式蒸汽加濕器，因為電極系統(tǒng)要定時排水以帶走水垢。
高效率模塊化UPS技術(shù)
采用轉(zhuǎn)換效率高的UPS系統(tǒng)。目前，新一代數(shù)據(jù)中心的設(shè)計基本采用新型的高頻(IGBT技術(shù))UPS系統(tǒng)，電源轉(zhuǎn)換效率和功率因數(shù)都比傳統(tǒng)的工頻(可控硅技術(shù))UPS系統(tǒng)有非常大的提升，而且重量輕和體積小。由于UPS的電源轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率成正向關(guān)系，因此在設(shè)計和運維時要盡可能提高UPS的負(fù)載率。
虛擬及燈光控制技術(shù)
主要監(jiān)控架構(gòu)為EMS3000, 藉由以太網(wǎng)絡(luò)(ethernet)架構(gòu)SNMP協(xié)議整合臺達(dá)設(shè)備及監(jiān)視, 消防等外部組件, 及監(jiān)視具備IPMI協(xié)議內(nèi)部之服務(wù)器之內(nèi)部風(fēng)速及溫度狀態(tài)，結(jié)合對服務(wù)器芯片及燈光控制的管理，實現(xiàn)虛擬化節(jié)能及照明節(jié)能。
總結(jié)：
本文根據(jù)對企業(yè)級數(shù)據(jù)機房耗電的分析，主要集中在制冷、UPS、IT設(shè)備、照明及其它，結(jié)合現(xiàn)在節(jié)能技術(shù)的介紹，采用免費自然制冷、替代傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)、替代傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)、變頻控制、冷熱池系統(tǒng)等降低能耗措施。
■ 采用轉(zhuǎn)換效率高的UPS系統(tǒng)。目前，新一代數(shù)據(jù)中心的設(shè)計基本采用新型的高頻(IGBT技術(shù))UPS系統(tǒng)，電源轉(zhuǎn)換效率和功率因數(shù)都比傳統(tǒng)的工頻(可控硅技術(shù))UPS系統(tǒng)有非常大的提升，而且重量輕和體積小。由于UPS的電源轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率成正向關(guān)系，因此在設(shè)計和運維時要盡可能提高UPS的負(fù)載率。
■ 采用高效節(jié)能的綠色制冷系統(tǒng)。主要是采用水冷空調(diào)和自然制冷措施。
■ 采用LED綠色節(jié)能光源取代或部分取代傳統(tǒng)光源，另外就是運維管理，做到人走燈關(guān)
采用先進(jìn)的冷凍水平送風(fēng)空調(diào)、冷池封閉技術(shù)、高效率UPS來整體實現(xiàn)高效節(jié)能，使得機房的整體運行成本降低，實現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃。計算機機房應(yīng)充分體現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的意識，加強環(huán)保措施，采用綠色材料，使其真正體現(xiàn)現(xiàn)代化綠色計算機房的風(fēng)范。
結(jié)合臺達(dá)對數(shù)據(jù)機房的經(jīng)驗，提供系統(tǒng)方案中供配電系統(tǒng)、交流不間斷系統(tǒng)、精密配電系統(tǒng)、機柜系統(tǒng)、精密空調(diào)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。
我們以臺達(dá)InfraSuite集成一體化架構(gòu)，系統(tǒng)模塊化設(shè)計來達(dá)到五大價值理念設(shè)計新一代機房：
（轉(zhuǎn)載）
