新型數據中心的節能減排技術研究

王晶++林湧雙++朱坤元++林恩華

摘 要：隨著數據中心規模的迅速增大，服務器設備和制冷設備等消耗的電能急劇攀升，造成數據中心的運營成本增加。針對目前普遍存在的數據中心高能耗問題，該文分別從服務器設備節能、空調設備節能、電源設備節能和模塊化數據中心建設等方面進行了研究，并提出了基于服務器散熱系統定制化的空調節能技術和綠色休眠在線UPS技術方案。實測結果表明，服務器、空調系統和電源系統節能技術方案均能達到良好的節能效果。

關鍵詞：數據中心 節能減排 熱管散熱 ECO模式 模塊化數據中心

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0125-02

互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）是一種擁有完善的設備（包括高速IP接入、超強的網絡安全、安全可靠的機房環境等）、專業化的管理和應用級服務的互聯網數據平臺。與傳統電信機房相比，其主要特點是服務器、存儲和網絡設備眾多且集中，需要大量的集中供電。數據顯示，2009年我國通信行業年電耗量已達290億kWh 以上，而空調耗電則達100億kWh以上，通信行業成為未來節能減排的重要行業。

數據中心能耗主要集中在服務器設備、制冷設備方面，空調用電占機房總用電量的30～50%。數據中心的高能耗不僅帶來運營成本的急劇攀升，而且產生沉重的碳排量負擔[1-2]。如何利用各種管理、技術措施降低數據中心的能耗，已經成為當務之急。

該文針對目前普遍存在的數據中心高密度機房能耗過高問題，結合數據中心節能減排技術，分別從服務器設備節能、空調設備節能、電源設備節能等方面進行研究[3]，以達到機房建設綠色環保、節能減排的目的，同時提高運營商的IT運維水平，以支撐網絡業務的快速增長。

1 服務器節能技術

目前，服務器節能技術方案包括服務器芯片及配件節能、基礎架構級節能和系統級節能。服務器芯片級節能技術主要包括CPU功耗控制、CPU頻率調整、芯片級冷卻技術和專用低功耗部件等。基礎架構級節能主要包括存儲制冷、高效率電源、水冷及液態金屬制冷機柜和智能溫控風扇等。在系統級節能的技術中，可以基于負載情況動態調整系統狀態、實施部分節點或者部件的休眠，根據各進程能耗的不同對CPU任務隊列進行調整，根據能耗進行進程及作業級遷移等。

Performance Level和PowerCap（功耗封頂）是服務器節能方案經常采用的節能技術，其中Performance Level通過設置系統的性能級別，控制CPU的工作狀態，從而實現服務器節能，該技術無需布置BMC網，實施相對簡單，技術適用性極高，能夠有效對所有x86服務器進行節電。PowerCap是服務器BMC（Baseboard Management Controller，基板管理控制器）卡提供的一個功能，通過設置該服務器最高的能耗值來限定整機的功耗，該技術可控制度高且靈活，控制程度更精細，數據精準度達到100%。在實際應用中，服務器節電采用何種控制方式，取決于服務器本身條件。

通過在不同操作系統下針對不同廠家、不同類型的服務器進行實際節能測試，采用Performance Level節能技術，服務器平均可節約功耗87W/h，平均節電比例為16.17%。采用PowerCap節能技術，服務器平均可節約功耗64W/h；平均可節電比例14%。

2 空調系統節能技術

傳統的機房空調節能主要包括采用變頻技術、提高冷水機組運行效率、采用節能環保型制冷劑、充分利用自然冷源（室外新風）等方式[6]。如前所述，服務器是空調或新風系統最終服務的對象，其發熱量降低能夠減少空調及新風的能耗需求。基于此，該文提出一種基于服務器散熱系統定制化的空調節能技術[7]，通過有效減少服務器散發到數據中心的發熱量，達到提升數據中心環境溫度和空調系統節能減排的目的。

（1）熱管水冷散熱系統。

該方案將熱管技術應用在服務器散熱系統，充分利用熱管的高效導熱性能，將服務器內部器件產生的熱量傳遞到冷水板，在冷水板中與流動的冷水進行換熱，最后由冷水板中的冷水將熱量排出數據中心。本方案可以有效消除服務器的熱島效應，降低數據中心空調系統的制冷壓力。同時，通過與冷卻塔免費供冷、室外新風量冷卻等技術有機結合，能夠充分利用室外自然冷源，從而到達到空調系統節能的目的。

熱管水冷散熱系統應用方案如圖1所示，整套系統包括熱管固定板、熱管、水冷板和管道等。其中，水冷板裝配在服務器機架外，這樣既可以利用冷卻水高效的冷卻性能，又可以使冷卻水不進入服務器機架，保證服務器運行的安全性。

經過實際測試，當數據環境溫度為25℃、水冷板進水溫度為25℃、水冷板進水流量為0.5L/min時，與采用風扇散熱的服務器相比，兩個CPU溫度最高分別降低38℃和31℃。當水溫從25℃提高至30℃時，CPU溫度分別提高了5℃和4℃，但仍比傳統風扇散熱系統的服務器CPU溫度要低很多。

服務器工作溫度降低，能夠有效消除熱島效應，數據中心空調制冷的壓力也大大降低，按照空調機組蒸發溫度每提高 1℃，機組節能2%計算，空調系統能夠達到不錯的節能效果。

（2）冷卻塔免費供冷。

冷卻塔免費供冷技術是室外自然冷源的一種利用方式。在高溫季節時，冷卻塔可以用來制備冷水機組的冷卻水；當室外空氣溫度降低、滿足免費供冷要求的時，可以關閉冷水機組，通過閥門調節讓冷卻塔直接制備冷水送入服務器水冷板，對熱管蒸發端進行制冷。一般地，按照冷卻塔工藝與冷卻效果，冷卻塔的出水溫度比室外空氣的濕球溫度高3℃，即還存在比室外空氣的干球溫度更低的可能，同時考慮水冷空調系統的制冷效果優于風冷空調系統，因此，冷卻塔免費供冷技術有較高的節能效果。

（3）新風冷卻系統。endprint

服務器散熱系統中熱管主要偏重于將服務器CPU產生的熱量以及少部分其他部件產生的熱量帶走，因此，在高溫季節，數據中心仍需開啟機房空調來保持較低的環境溫度。而在冷季或者過渡季節，當室外溫度低于室內機房溫度時，理論上即可將室外較低溫度的新風送至室內，帶走室內負荷后再由排風機排出機房。此時，可以考慮將機房空調直接關閉，盡最大量地利用自然免費冷源，從而達到節能的目的。新風的直接引入會對機房環境造成影響，在做新風直接引入系統的同時需要考慮機房溫度、濕度、潔凈度等問題。

3 服務器電源系統節能技術

傳統數據中心中供電系統構架一般是由市電、變配電系統、柴油發電機組系統、樓層配電系統、交流不間斷電源系統、交流列頭柜和設備機架電源組成[8]。該文在不改變傳統供電系統結構的基礎上，對數據中心的UPS主機運行模式進行調整，將傳統UPS的雙變換在線工作模式更改為ECO經濟運行模式。綠色休眠在線UPS技術（ECO模式）是在市電正常情況下通過靜態旁路給負載供電，只有在市電斷電情況下才切換到電池逆變模式，通過減少UPS主機整流濾波和逆變環節來實現電源系統的節能減排，其技術應用方案如圖2所示，與傳統雙變換在線式UPS系統相比，綠色休眠在線UPS系統節能效果突出。

運行效率高：現有UPS主機采用ECO運行模式，UPS主機效率在98%以上，且UPS主機的運行效率與UPS主機負載率無關。

可靠性高：市電停電時，由蓄電池組通過逆變器為IT設備提供電源，逆變器切換時間小于10ms。

電源質量：靜態旁路正常供電時UPS輸入、輸出電源質量包括：電流、電壓、頻率等均滿足服務器電源模塊輸入要求。

目前，UPS主機ECO運行模式能夠在市電正常時，由UPS主機旁路為IT設備提供交流電。但是，為了保證市電斷電時轉換開關切換時間滿足IT設備需求，UPS主機整流濾波電路和逆變器電路需要時刻處于待機狀態，因此存在電能損耗問題。

4 單元模塊化建設方案

數據中心基礎設施的模塊化建設是近年來一個非常熱門的話題。在新型綠色數據中心建設方面，可以采用單元模塊化建設方案。按照最初的定義，模塊化數據中心（Modular Data Center，MDC）把整個數據中心場地分為若干獨立區域，各區域的規模、功率負載、配置等均按照統一標準進行設計，數據中心的擴展隨著業務需求的不斷增加由一個模塊擴展到另一個模塊[9]。隨著集裝箱數據中心的出現，MDC也用來描述集裝箱數據中心。然而，目前國內的地理環境不具備部署集裝箱的條件，因此，越來越多的客戶開始嘗試采用開放式機架構成模塊化模組，將送風單元、配電單元與機柜整合后構成標準的模塊化數據中心模組，按照業務需求進行分階段部署。

數據中心采用模塊化建設，可以大大提高數據中心的可用性、靈活性以及降低成本，其中降低成本方面包括降低初始投資成本、降低非能源的運營成本和降低能源成本。就節能減排而言，數據中心采用模塊化建設方案，可以按照現有的IT需求規劃基礎設施，并根據IT需求的增長添加新的組件，這種方式使用戶只需為所需的設備提供配電和制冷，因此節約的電力成本非常可觀。此外，模塊化UPS設計使得UPS的容量與負載需求更為匹配，從而提高了UPS的工作效率并減少了實現冗余所需的UPS模塊的容量。

在該文提出的空調節能方案中，由于熱管散熱系統集成在服務器機架上，制冷模塊里主要包含冷卻水系統。為保證水冷系統的長期有效安全運行，在數據中心建設中，冷卻水可以采用二級換熱冷卻技術，即水冷板中的冷卻水采用閉式水循環系統，以保證循環水的水質來保證水冷板的換熱效果。在冷卻水的另一端通過加設板式換熱器，來與冷卻塔中的冷卻水進行“水-水”換熱。

5 結語

該文針對數據中心能耗過高的問題，分別從服務器設備、空調設備、電源設備和模塊化數據中心建設等方面進行了節能性方案研究，并綜合考慮服務器與空調系統和電源系統的聯動效果，提出一種基于服務器散熱系統定制化的空調節能技術和綠色休眠在線UPS技術，通過實測表明，提出的技術方案能夠實現良好的節能效果。隨著數據中心數量的迅速增長和規模的急劇擴大，節能減排仍是未來數據中心的主要研究方向。

參考文獻

[1] 黃森，潘毅群，Peng XU.數據中心節能研究現狀與發展[A].全國暖通空調制冷2010年學術年會，2010.

[2] 曹茂春，齊雄.基于能效模型的數據中心節能研究及其應用[J].技術與工程，2012（6）：101-105.

[3] 王鐵楠.數據中心節能方案分析[J].智能建筑與城市信息，2012（3）：15-20.

[4] 吳甜，劉利祥，虎嵩林.綠色數據中心的服務器節能機制與策略[J].微電子學與計算機，2011，28（8）：108-111.

[5] 毛興江.服務器性能測試與能效研究[D].北京：北京郵電大學，2012.

[6] 錢曉棟，李震.數據中心空調系統節能研究[J].暖通空調，2012，42（3）：91-96.

[7] 周峰，田昕，馬國遠.IDC機房用熱管換熱器節能特性試驗研究[J].土木建筑與環境工程，2011，33（1）：111-117.

[8] 姚波.數據中心電源管理系統方案設計[J].現代建筑電氣，2013（S1）：198-201.

[9] 余宏智，李建棟，席益鋼，等.模塊化數據中心架構與應用[J].智能建筑與城市信息，2013（11）：14-17.endprint