基于智能化網絡機房的綠色數據中心設計

陳王豐

摘 要：本文主要介紹如何建設一所網絡機房綠色數據中心，讓網絡機房的空調、UPS、服務器等IT設備、管理軟件應用等具備節能環保、高可靠可用性和合理性。

關鍵詞：綠色數據中心；網絡機房；IT系統；一體化

中圖分類號：G717 文獻標識碼：A 文章編號：1005-1422（2016）03-0115-04

一、引言

綠色數據中心（Green Data Center）是指數據中心中的IT系統、機械、照明和電氣等能取得最大化的能源效率和最小化的環境影響。綠色數據中心是數據中心發展的必然，我們主要從建筑節能、運營管理、能源效率等方面來衡量一個數據中心是否為“綠色”。綠色數據中心的“綠色”具體體現在整體的設計規劃以及機房空調、UPS、服務器等IT設備、管理軟件應用等是否具備節能環保功能。

二、綠色數據中心架構

綠色數據中心是數據中心發展的必然。綠色數據中心的“綠色”具體體現在整體的設計規劃以及機房空調、UPS、服務器等IT設備、管理軟件應用上，要具備節能環保、高可靠可用性和合理性。

三、節能一體化解決方案

本項目數據中心的節能設計，我們提出的節能一體化解決方案包括電力系統節能分析、動力環境系統節能控制、IT設備的智能控制、IT設備新型的節能技術的應用、智能管理軟件的應用等，并將這些作為節能重點來設計，在設計過程中需要系統分析和統籌兼顧，以達到綠色、節能、環保的目標。

1.六種節能方案及效果

2.基礎設施及節能措施

（1）機房環境的要求

現代IT設備中的元器件及集成電路極易受到溫濕度、塵埃、有害氣體、電磁、雷電等的干擾，為使其可靠運行，機房必須具備一定的環境條件，根據《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174-2008）的規定，機房環境應達到以下要求：

（2）基礎設施節能措施

數據中心建設中與建筑熱工有關的節能途徑與節能措施主要關注圍護結構、內墻保溫、保溫材料、六方體圍護、熱橋處理、無窗密閉護圍等幾個方面。

3.機房空調與機房空調節能措施

（1）機房對機房空調的要求

機房是數據處理中心，安裝有大量的計算機、磁帶機、磁介質、交換機、路由器等對環境溫濕度、潔凈度要求較高的精密設備，對機房環境有嚴格的要求，其中最重要的是機房溫度、濕度和潔凈度三個指標。

機房專用空調（精密空調）是為計算機機房（包括程控交換機房）專門設計的特殊空調機，精密空調系統的設計是為了進行精確的溫度和濕度控制，精密空調系統具有高可靠性，保證系統終年連續運行，并且具有可維修性、組裝靈活性和冗余性，可以保證數據中心四季空調正常運行。

計算機機房專用空調在設計上與傳統的舒適性空調有著很大區別，二者為不同的目的而設計，無法互換使用。計算機機房內必須使用機房專用空調。

（2）機房專用空調設備類型

機房專用空調設備制冷系統形式很多，可以根據工程項目的特點，選用不同的制冷系統。機房專用空調機組制冷系統主要冷卻形式有風冷式、水冷或乙二醇水冷式、冷凍水式、雙冷源系統等。

（3）機房空調節能措施

在對自控新風冷氣機設備進行選型過程中，機房的熱負荷和換氣次數是最為重要的參數依據，因為這兩項參數決定了機房的溫濕度能否得到恒定以及機房的潔凈度能否得到滿足。所以我們在機房專用空調設備選型時先選定這兩項數據，然后再對選定的新風設備型號進行其它次要數據項的驗證。根據機房熱負荷及換氣次數的計算，可以對機房專用空調設備的設備型號進行選定。

（4）冷氣流組織與節能措施

氣流組織就是將空調機送出的冷風通過預定的風道、風口，按預定的風量與風速送往需要制冷的地點，再把設備產生的熱空氣回收到空調制冷的過程。氣流組織分為三個部分，即冷氣產生、冷氣配送和氣流返回。

（5）機柜內制冷的節能措施

A.機柜布局：機柜按行排列，采用冷熱通道的技術，背靠背布局。

B.安裝盲板：盡管機柜通常被認為只是一種機械支架，但它對于防止設備排除的熱空氣重新進入設備進氣口至關重要。

盡管主要的IT設備制造商均強烈建議使用盲板，但實際上90%或更高比例的機房都忽略了這一點。熱空氣再循環問題可能導致IT設備的溫度上升8℃。安裝盲板是一個極其簡單的過程，可以用非常低的成本應用于幾乎所有的數據中心。

C.使用標準寬度機柜（使用超寬機柜將可能使得熱空氣通過設備側面進行短路循環）。

D.使用深度擴展的機柜。

E.使用螺絲固定IT設備（使用托盤安裝IT設備會造成相關位置盲板的無法安裝，從而為熱空氣的短路循環提供了完全開放的條件，應盡量避免）。

F.使用帶有風扇系統的機柜，可將底層空氣輸向機柜前端或從機柜后端主動排除熱空氣。

G.合理的負載分布。

不合理的設備安裝位置，特別是高功率高密度設備的安裝位置，可能明顯增加機房的工作壓力。當高負載密度、高功率服務器被組合成一個或多個機柜時，便會出現高負載密度設備群。這種情況可能導致數據中心出現熱點，并要求操作員采取相應措施，如降低空氣溫度設置點等。

四、供配電系統節能

1.供配電系統節能概述

（1）精確計算供電功率

使用用電管理軟件精確計算用電功率和智能化控制系統用電，提高電源利用率。為機房建設規劃提供更精確的數據，智能控制整體用電量。

（2）供配電系統節約電能的技術方法

主要是配電電壓深入負荷中心、配電變壓器的正確選擇和經濟運行、配電線路的合理選擇和經濟運行、電壓調節和無功補償等技術和方法的采用。

我國現有電力系統中，35kV以上電壓等級輸變電系統主要擔負著遠距離傳輸電能的作用，l0kV及380/220V電壓等級則是配電系統的主體，與用戶關系最為密切。電能通過導線、開關、變壓器等設備進行傳輸的過程中，會產生功率損失（有功、無功功率），并在相應的時間內產生能量損失（有功、無功電量）。配電系統的線損率就是指在一段時間內，配電過程中損失的有功電量和該系統所獲得的總電量之比。

2.UPS節能措施

目前UPS的節能必須從方案、UPS、電池、配電等方面全方位進行。

（1）UPS供電方案設計

根據遠期最大IT負荷800KVA，建議采用輸入輸出一體化模塊化設計UPS供配電系統。為了提高UPS系統的可用性，可以采用模塊化冗余措施。

采用兩模塊化UPS電源，分別給不同的負載進行供電。系統輸出部分采用熱插拔配電模塊，可以節省輸出配電柜的成本。

實際上，模塊化UPS的好處是完全可以按照實際的負載來配置功率模塊，使得UPS的輸出能力和負載之間的配比處于合理的百分比，而不用一次購買龐大的固定功率的UPS系統，使得初期UPS的負載量很低，運行成本高。

（2）UPS在線并機擴容功能

采用單機N+1冗余模塊化熱插拔技術，為機柜式外觀結構。通過了機房的電磁兼容和電磁抑制測試，可直接安裝在機房里面。與服務器機柜并排擺放。

模塊化結構在IT設備上已被廣泛使用（如PC機、服務器、小型機等）。模塊化結構可以使得系統結構更加清晰，降低系統的復雜度，提高系統的可靠性；熱插拔技術可以使得系統的配置隨需要任意調整。模塊化結構大大降低了設備維修時間，不需要UPS廠商專業工程師，就可以及時排除故障，保障系統的連續運行；模塊化結構可以實現單機冗余，且冗余度可以隨負載量的變化自動調整，其可用性要高于兩臺普通UPS并聯；模塊化結構減少了備件的數量，避免購買大量備品備件，浪費資金；模塊化結構還使得電池配置很簡單，降低成本。不用考慮單機60分鐘，還是并機60分鐘。

（3）采用模塊化UPS，實現逐步擴容

目前，模塊化UPS已經開始在國內應用，模塊化UPS特點主要包括：可擴容、平均故障修復時間（MTTR）短、可經濟實現“N+X”冗余并機。

（4）提高UPS自身能效，優化負載效率曲線

目前UPS均為在線式雙變換構架，在其工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個容量為400kVA的UPS為例，每度電按0.95元計算，UPS效率每提高1%，一年節省的電費為400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元。提高UPS的工作效率，可以為數據中心節省一大筆電費，可見提高UPS效率是降低整個機房能耗的最直接方法。因此采購UPS，盡量采購效率更高的UPS。

五、機房動力環境監控與節能措施

1.機房動力設備監控

機房動力設備監控包括電力監控、發電機監控、UPS監控、空調、新風監控。電力監控電源系統的電壓、電流、頻率、視在功率、有效功率等參數；發電機監控轉速、輸出電壓、電流、頻率、油溫等參數；UPS監控UPS狀態、輸入輸出電壓、電流、頻率、電池電壓、電池后備時間等參數；空調監控送回風溫濕度、風量、壓縮機狀態、過濾器狀態參數。

2.機房動力環境監控

機房環境監控包括機房各區域溫濕度、漏水情況、消防監控等。

3.安防監控

安防監控主要是視頻監控、紅外防盜監控、門禁監控。

六、新風系統與節能措施

1.新風量計算

根據《電子計算機機房設計規范》規定，新風量應按下列三項要求合理取值：室內總送風量的5%；按工作人員每人40m3/h；維持室內正壓所需風量。

2.新風凈化處理

進入機房的新風必須經過初效、中效、亞高效三級處理，房間內新風質量要求較高時，還應安裝紫外線滅菌裝置，經過處理的新風送入專用空調回風口，與一次回風混合以后進入專用空調機組，經專用空調機后進入房間。

新風最好經過溫濕度處理至室內工況后同與回風混合，避免夏季壓縮機與電加熱器同時工作，節省電能、減少空調機運轉時間、延長使用壽命。

七、IT設施的節能措施

1.KVM主機切換系統節能

KVM具有節省空間、提高效率、使用簡單、易于管理、節約成本、遠程管理、環保節能等特點。

KVM機房監控管理智能電源管理解決方案，為數據中心的節電增添了又一個好幫手。KVM軟件管理一款綜合電源管理軟件、智能PDU和環境傳感器設備的軟硬件結合的解決方案，能提供遠程電源控制、機架級和設備級監控能力，為數據中心的管理者提供有價值的信息來提高設備的運行時間和容量規劃等。

2.刀片服務器節能

刀片服務器比機架式服務器更節省空間，一般應用于大型的數據中心或者需要大規模計算的領域，如銀行電信金融行業以及互聯網數據中心等。目前，節約空間、便于集中管理、易于擴展和提供不間斷的服務，成為對下一代服務器的新要求，而刀片服務器正好能滿足這一需求，因而刀片服務器市場需求正不斷擴大，具有良好的市場前景。

八、數據中心管理軟件節能

1.電能管理軟件節能

由智能PDU和電能管理軟件組成。智能PDU能通過機柜級和設備端的用電監控管理，精確統計設備一級的耗電量，為用電容量控制和收取電費提供了準確的數據依據。與普通PDU不同之處還在于，智能PDU能在遠程像親臨現場一樣對設備進行電源開、關、重啟等操作，及時修復故障，保障系統持續運行，還能將PDU空閑插座設為無電狀態，消除因人為失誤插入設備導致PDU的過載跳閘及設備宕機，以及通過對PDU插座的來電延時配置，避免因設備同時加電引起的瞬間電流峰值導致的斷電跳閘。智能PDU最大的特點在于，不僅提供了每個端口的用電計量功能，還能對設備所處微環境的溫度和濕度監控。

2.數據中心電源管理系統節能

數據中心的電源管理可分成四個階段，分別是連接（保證電源的可靠供應）、計量（測量電能的消耗）、分析（查找電源低效率的原因）和智能分配（根據需求實現電能的動態分配）。目前的電能管理還處于連接和計量階段，為了邁向更高級的分析和智能分配階段，智能電源管理將是數據中心管理者必不可少的手段，同時達到節能、高效管理的效果。

3.虛擬化管理方案的節能

虛擬化管理通過硬件模擬實現，系統基于VMware或微軟的虛擬服務器。該方式為每個虛擬服務器模擬了物理的服務器硬件，包括了全配置的BIOS這種方法讓每個虛擬服務器好像運行在主機平臺的單個處理器上。硬盤方面，每個虛擬服務器是完全獨立的，在其硬盤上有操作系統和必要的應用。還有一種是通過主機來虛擬分類的。

九、小結

機房建設是一個系統工程，計算機技術的迅猛發展，促進了機房工程建設，對機房的安全性、可用性、靈活性、機架化、節能性等方面提出了更高的要求，綠色數據中心的架設，提高了機房的節能環保、高可靠可用性和合理性。

責任編輯 陳春陽