機場數據中心基礎設施節能探討

文｜艾默生網絡能源有限公司西安設計中心 田 晨

1 引言

隨著我國經濟實力的不斷增長以及近些年來國家對機場交通事業的巨額投資，目前我國機場建設呈現出高速增長的態勢。

據統計，2010年中國民航全行業完成運輸總周轉量、旅客運輸量和貨郵運輸量分別達536億噸公里、2.67億人次和557萬噸，分別增長25.6%、15.8%和25.1%。據估計，2020年我國航空旅客運輸量將達到7億人次，到2030年，旅客運輸量將達到15億人次。這些大大加劇了機場容量限制和旅客吞吐量增長的矛盾，機場設施、流程和服務等方面的要求會越來越高，將帶領機場數據業務的發展進入一個全新的戰略目標。

機場作為航空運輸的重要基礎設施，在推進我國城市化和國民經濟發展、增進國際間交往等方面發揮著舉足輕重的作用。為了更好地建設機場基礎設施，為大眾提供更加優質的運輸服務，當前機場航空業正以IT技術為核心的網絡技術的推廣應用，以信息化手段改變機場的運營方式和流程。

2 國內機場數據中心概述

數據中心作為機場運營的大腦，其業務運行管理能力直接影響機場對廣大乘客的服務質量，更是對國民交通經濟有著深遠的影響。機場數據中心管理者對數據中心的要求包括以下幾點：高可用性、較低的基礎設施成本、低能源消耗、可持續發展的業務。

當前機場信息系統通過IT技術、計算機網絡技術、通信平臺等實現機場綜合信息資源的綜合管理，系統架構如圖1所示。

圖1 機場數據中心系統典型示意圖

機場數據中心信息系統主要由航管系統、機場運營管理系統、事務管理系統、機場專用系統、旅客服務系統、機場弱電系統等組成。

我國制定的《電子信息機房設計規范》（GB 50174-2008中），將電子信息機房定義為A、B、C 三類，其中A 類要求最高，如表1所示。

目前國內機場數據中心大多按照信息系統各子系統業務進行劃分，形成若干獨立的機房。根據承載業務重要性的等級，各個機房的可用性也有著不同的等級區別。如離港管理機房、中央主機房、網絡核心機房等運行機場最重要業務的機房采用A級計算機機房等級要求設計；而培訓中心、測試機房等次重要場地按照B級計算機機房等級要求設計。

隨著IT技術的不斷發展，特別是虛擬化技術的廣泛采用，國內機場對新一代綠色數據中心的探索都已步入實踐階段。目前很多機場數據中心也開始將內部多個業務平臺進行整合，形成從物理到邏輯上的集中數據中心，從而進一步簡化運營管理，更加有效地利用IT設備資源，減少物理場地的要求，提高能源利用效率。

表1 電子信息機房等級要求

3 綠色數據中心節能實踐

當前機場數據中心已經成為耗能大戶，如何建設一個綠色節能的數據中心也成為關注的重點。提高數據中心的節能效果，必須從系統設備和管理的角度實現，兩者缺一不可。以下從這兩個方面提出機場數據中心節能的實踐方法。

3.1 供電系統的節能

經過機場數據中心業務的整合，目前重要業務服務器均采用雙電源服務器承載，供電系統多采用A級機房標準的雙回路供電，圖2采用單機雙總線輸出的UPS冗余系統。

經統計，供配電設備自身能耗占整個數據中心總能耗的10%。供電系統是整個數據中心業務的基礎支撐平臺，如何在不降低可用性的前提下提高數據中心供配電系統的效率，減小供配電設備損耗，成為構建綠色數據中心的關鍵所在。以下介紹兩種創新性數據中心UPS供電系統。

對于數據中心供配電系統，首先系統可用性必須滿足99.99999%的要求；對于系統結構要求，還需滿足總線冗余的基本系統條件，即2N容錯型雙回路供電。

圖2 單機雙總線UPS冗余系統

圖3所示的三總線UPS冗余系統，滿足A級機房供電要求，并將雙總線系統UPS單機帶載率由最高的50%提高到了67%，既提高了UPS轉換效率，也減少了供電系統UPS總容量，達到了節能的目的。

圖3 三總線UPS冗余系統

除此之外，采用N+1臺UPS構建的Catcher Bus冗余系統（如圖4所示），后端采用STS（靜態切換開關）對UPS進行切換，使得UPS使用率提升到N-1/N，提高系統效率，減少能耗。

圖4 Catcher Bus UPS冗余系統

3.2 制冷系統的節能

數據中心中除IT負載以外，制冷設備是數據中心中能源消耗最多的系統（占25%以上），為解決這一難題，需要有既保證可靠性和靈活增長，又能保持最低總擁有成本的方法。

以下提出四種方法提高數據中心制冷系統效率（如圖5所示）。

圖5 機柜冷/熱通道排列方式

（1）熱通道/冷通道

數據中心采用“面對面/背靠背”的方式布置機柜列。將靜電地板出風口放置于冷通道上，并把冷通道和熱通道物理隔離，從而達到優化制冷容量和提高能效的效果。

制冷設備的放置不應與機柜排列平行，平行放置可能導致熱通道空氣由機架上部抽出，與冷空氣混合，導致機架頂端設備制冷不足，降低了總體能效。

（2）電纜管理

對于電纜的布放，建議采用熱通道/冷通道分開的方法，可改善電纜管理且提高效率。將電纜盡可能放置在地板的熱通道下方，這樣便不會阻擋氣流通路。此外，一些機架有擴展通道功能，該功能可優化電纜管理并幫助散熱。在機架頂部或中間走線，可減少地板下電纜的數量。另外通過采用先進的機架PDU、靠近負載放置，可大量減少機架內的電纜走線。

（3）密封

隨著設備密度的增加，采用密封方法可以將受控環境和建筑物環境隔離。有效的密封可以防止外部濕空氣進入數據中心或防止濕空氣從數據中心散出，從而降低了機房空調除濕和加濕的能耗。

可使用塑料薄膜、防蒸汽油漆、乙烯基墻壁涂層和乙烯基地板方法進行蒸汽密封。密封破損或不當密封會讓室外的濕氣進入數據中心，使數據中心制冷更為困難。此外，劣質的密封會通過地面、墻壁和天花導致制冷損失，從而降低制冷效率。

（4）優化傳統地板下送風制冷系統

隨著需求的增長，傳統的地板下送風制冷系統也在持續優化，以更好地適應新的需求。優化系統能夠提供最高可靠性、最佳效率以及最低的TCO，具體特性如下：

◆ 可變容量

根據ASHRAE的統計，由于空調設備運行在最大制冷負荷的時間少于總運行時間的5%，故制冷系統應該能有效地運行在不斷變化的負荷下。設備壓縮機應該能夠進行逐步卸載，從而不用頻繁開關壓縮機就能提供精確的制冷。例如，運行于“卸載”狀態下的雙壓縮機系統，能耗約為滿載系統能耗的50%，但卻可產生76%的制冷量，這是因為，此狀態下冷凝器和蒸發器均為滿載運行。

◆ 制冷設備的群控

對設備進行群控也可提高制冷效率，這在高密度負荷機房中尤其重要。由于數據中心中的一些區域溫度明顯比其他區域高，采用設備群控可確保不同設備之間不會以相反的模式競爭運行。另外，還可針對高熱密度區域提供直接制冷，從而提高能源效率。

◆ 增加輔助制冷

為應對高熱密度區域的制冷需求，有效地彌補了傳統制冷方法的不足，制冷源必須靠近熱源，有效解決高熱密度機柜發熱問題（如圖6所示）。

圖6 高熱密度制冷方案

3.3 數據中心基礎設施管理

隨著機場數據中心業務的不斷擴展，計算性能、存儲空間不斷增長，使得數據中心的運行管理面臨著更大的挑戰，管理者缺乏行之有效的工具來規劃業務的增長。

通常來說，網絡管理系統和動力環境監控系統是完全孤立的兩個系統，分別對IT設備和基礎設施設備進行被動式的監控，缺乏有效的聯系和互動，這大大降低了數據中心管理系統的效率。現代的數據中心需要一種有效的系統對基礎設施進行管理、優化數據中心資源，從而提高效率和可用性。而這樣一個系統需要從數據中心基礎設施的三個層級（如圖7所示）進行管理：數據中心基礎設施層、IT基礎設施層、以上兩層的聯系。

由此，數據中心管理者就可以方便準確的查看IT設備和基礎設施設備真實的容量，使數據中心設備的規劃更貼近于真實的負載情況，有效的利用所有設備的容量而不至于預留一定的容量以作緩沖。具體方法如下：

（1）監控：對數據中心潛在問題做出快速反應，改善管理流程。利用監控系統，數據中心管理人員可隨時查看設備運行狀態、實時接收告警，并做出有效的措施應對。

（2）數據采集和規劃：自動收集數據中心各項數據，利用收集來的數據進行對物理空間、電力和制冷等各個方面的規劃，決策是否需要部署新設備或是移除無效設備。

圖7 數據中心基礎設施管理系統

（3）分析和診斷：數據中心管理人員可以對基礎設施的變化迅速做出應對措施和更有效的管理，從而延長數據中心的生命周期，減少MTTR（平均故障修復時間）等。

（4）建議和自動實施：在這個階段，數據中心管理由被動變為主動，管理人員可有效預測潛在的設備失效風險，自動將計算和物理資源及時轉移，規避宕機風險。

利用數據中心基礎設施管理系統這四個步驟，在有效的規劃數據中心從現在到未來發展的同時，也提高了整個系統的可用性、資源利用率和效率。

4 結束語

數據中心基礎設施的能耗比重逐漸增長，給機場整體業務的運行帶來了越來越大的挑戰，如何建立新一代綠色數據中心，對提高機場管理運營水平和服務質量有著重要意義。

為此，本文著重從系統設備和管理的兩個方面對數據中心節能實踐進行了探討，期望能夠為新一代機場數據中心基礎設施建設提供一些參考與建議。