綠色節能智慧數據中心解決方案

Green Energy-saving Smart Database Programme

宋俊峰SONG Jun-feng（四川依米康環境科技股份有限公司）(Sichuan Yimikang Environmental Technologies Co., Ltd.)

綠色節能智慧數據中心解決方案

Green Energy-saving Smart Database Programme

宋俊峰
SONG Jun-feng
（四川依米康環境科技股份有限公司）
(Sichuan Yimikang Environmental Technologies Co., Ltd.)

隨著“互聯網+”、大數據的發展，數據中心面臨新的挑戰：熱流密度大、熱島效應、耗能巨大，針對出現的此類問題，論文提出一種新型的綠色節能智慧數據中心解決方案。

1　數據中心現狀

數據中心作為各行業信息化的重要載體，提供著信息數據存儲和信息系統運行平臺支撐，是現代社會所必須的信息化發展的關鍵資源。根據統計，數據中心整體輸入功率的40%是被數據中心內的制冷設備所消耗，同時，隨著虛擬化技術、刀片服務器在數據中心內的廣泛應用，數據中心內的單位面積散熱量越來越大（現代部分云計算數據中心，單機架功耗已達到10kw左右），而在服務器發熱密度非常高的同時，服務器內部也會出現局部熱點問題。傳統的數據中心設計方案已經很難滿足這種高熱密度散熱的需求，而日益增長的能源成本和有限的電力資源推動著機房運營商必須采用具有更高能效的解決方案。

圖1　常規數據中心布局

2　常規數據中心解決方案

2.1常規數據中心機房設備布局

在常規數據中心，機房空調與IT服務器設備的布局如圖1所示，冷卻氣流從機房空調機組下部送出后，經過架空地板下送風空間，再通過冷通道開孔地板，然后流入IT服務器設備的入口，在冷卻服務器設備后流出，回到機房空調機組，完成氣流的循環。

對常規數據中心進行CFD熱仿真，其內部溫度分布如圖2所示。可以看到，機房內溫度分布很不均勻，存在較多溫度較高的區域（即機房熱點），最高溫度可達到30℃，在機房空調近端冷卻效果較好，遠端的冷卻效果則較差。

這種傳統的布局方式為防止機房熱點的出現，滿足近端和遠端服務器達到設定的運行溫度需求，需要加大制冷設備的數量以及能力配置。在運行過程中為滿足遠端服務器的需求，制冷設備需要長期處于滿負荷運行的狀態，需要消耗大量電力資源，造成了能源的浪費。

2.2常規數據中心制冷系統

常規數據中心機房制冷系統多采用房間級的定頻機房空調。定頻機房空調以啟停的方式來控制室內溫度。當室內有制冷需求時，開啟空調對機房進行降溫；當室內無制冷需求時，關閉空調。它具有以下缺點：

1）啟動電流大，對機房電網容易造成沖擊。

2）空調啟停控制導致了機房的溫濕度波動范圍很大，溫度波動范圍通常為：±2℃，濕度波動范圍通常為：±10%。并有可能影響機房服務器的正常運行。

3）全年能效比AEER通常為3.6～4.0，能效比較低，節能效果差。

4）電源適用性較差，頻率允許波動范圍±3Hz。

5）主流產品以R22為制冷劑，不符合綠色環保的政策。根據《蒙特利爾議定書》，在2030年發展中國家將禁止使用此種制冷劑。

2.3常規數據中心監控管理

常規數據中心空調采用單色LCD字符顯示，并采用按鍵方式進行控制（圖3、圖4）。傳統的單色人機交互界面方案存在以下問題：

1）空調控制器操作界面以單色字符顯示，并且大部分為文字，難以通過圖形對需要顯示的信息進行圖形化顯示；

2）顯示界面通常較小，在同一頁中顯示的內容十分有限；

3）空調控制器采用按鍵方式進行控制，操作繁瑣，學習上手時間長；

4）不具備網絡功能，無法使用手機等便攜式終端設備進行監控。

圖2　常規數據中心CFD熱仿真

3　綠色節能智慧數據中心解決方案

針對傳統數據中心存在的種種弊端，四川依米康環境科技股份有限公司提出了綠色節能智慧數據中心解決方案。綠色節能智慧數據中心解決方案由3部分構成:①微模塊單元式機房布局；②節能型直流變頻列間空調制冷系統；③SPAX智能網絡管理系統。

3.1綠色節能智慧數據中心機房設備布局

依米康公司提出綠色節能智慧數據中心機房設備布局方案——Micro Module(微模塊）：整個數據中心可拆分為多個模塊，每個模塊以若干機架為基本單位，包含制冷模塊、供配電模塊、高壓直流以及網絡、布線、監控、消防在內的獨立的運行單位。微模塊全部組件可在工廠定制，可靈活拆卸，快速組裝。設備分兩列放置，進行熱通道封閉或冷通道封閉。微模塊布置如圖5所示。

圖3　單色LCD顯示屏

圖4　按鍵式控制器

圖5　微模塊布置圖

微模塊采用冷/熱通道封閉，隔離了機房內的熱氣流和冷氣流，杜絕冷熱氣流相互干擾。通過圖6可以看到，列間空調制冷模塊與IT服務器設備之間呈現一種緊密配合的狀態，在數據中心內部形成封閉的冷池，冷卻氣流從列間空調以水平方向直接送入冷池，然后流入IT服務器設備的入口，在冷卻服務器設備后流出，從水平方向回到列間空調，完成氣流的循環。

圖6　微模塊平面布置圖

3.1.1冷通道封閉的微模塊氣流仿真

對綠色節能智慧數據中心進行CFD熱仿真，其內部溫度分布如圖7所示，可以看到，與常規數據中心相比，數據中心內部溫度分布均勻程度大大提高，沒有冷熱不均的現象，也不存在機房熱點，最高溫度僅稍高于24℃，冷卻效果非常理想。

從根本上來說，綠色節能智慧數據中心的冷卻模式是服冷配合的模式（即IT服務器與機房空調之間呈現緊密配合的狀態），這是一種機柜級的冷卻方式，空調的冷量直接作用于服務器設備，冷量得到充分利用，冷卻效率較高；而常規數據中心的冷卻模式是服冷分立模式（即IT服務器與機房空調之間呈現松散狀態），是一種機房級冷卻方式，空調冷量的作用路徑很長，導致冷量分布不均，不能得到充分利用，因而冷卻效率較低。CFD熱仿真和數據中心現場的實際狀態，均顯示了這樣的對比結果。

3.1.2冷通道封閉的微模塊節能分析

以200㎡的機房為例，房間負荷約120kW，通過MATLAB進行數據建模，結合CFD進行整個氣流組織的模擬，分別對常規數據中心和冷熱通道微模塊布局在能源利用率和PUE值進行對比分析，結果見表1、表2。

圖7　微模塊布局CFD仿真

表1　微模塊與常規數據中心能源利用率對比

表2　微模塊與常規數據中心PUE值對比

從上述數據可以看出在采用冷熱通道微模塊布局后，大幅度提高了能源的利用率，全年可節約能耗55 766kW·h，占整個機房能耗的13%。數據中心的PUE值降低至1.52，說明微模塊布局對能源的利用率大大提高。

3.2綠色節能智慧數據中心制冷系統

綠色節能智慧數據中心制冷系統采用依米康公司開發的SCA.IBE系列行級制冷的直流變頻列間空調。SCA.IBE系列直流變頻列間空調與服務器機柜形成冷通道后可實現對服務器機柜的定點冷卻，制冷空間小、冷量流失少、溫度控制迅速、溫度控制精度高。

當微模塊有制冷需求時，直流變頻列間空調開啟；當微模塊制冷需求變大時，直流變頻列間空調通過模糊控制增大EC風機轉速和EC壓縮機轉速，加大冷量輸出；當微模塊制冷需求變小時，直流變頻列間空調通過模糊控制減小EC風機轉速和EC壓縮機轉速，減小冷量輸出。當微模塊無制冷需求時，直流變頻列間空調關閉，EC風機保持最低轉速運行。

SCAL.IBE系列直流變頻列間空調與傳統定頻機房空調相比具有以下優點：

1）空調啟動電流小，對電網沖擊很小。

2) 通過調節EC風機轉速和EC壓縮機轉速來適應室內溫濕度的變化，微模塊內部的溫濕度波動范圍很小，溫度波動范圍通常為：±1℃，濕度波動范圍通常為：±5%。

3）全年能效比高達4.4～4.8。

4）由于提高了回風溫度，機組運行時蒸發溫度高，顯熱比達1.0。

5）機房空調的電源適用性強，頻率波動對其運行無影響。

6）以R410A為制冷劑，符合綠色環保的國家政策。R410A破壞臭氧層潛能值 （ODP）為0，不會對臭氧層造成破壞。

7）控制器為觸摸屏顯示器，人機界面友好。

3.2.1直流變頻列間空調與定頻列間空調能耗對比分析

1）空調型號

SCA401IBEY6定頻列間空調壓縮機型號Danfoss SH140——ARI工況下制冷量38.1kW

SCAL401IBEY6變頻列間空調壓縮機型號Danfoss VZH088——ARI工況下70Hz運行時制冷量38.1kW

2）試驗條件

（1）模擬機組在機房中的年運行狀態；

（2）兩臺機組在相同的制冷需求、氣候、溫濕度設定參數下運行；

（3）除壓縮機外，其他制冷部件一致；

（4）氣候條件設定為北京全年氣候；

（5）假設機房全年制冷需求在6.6～35.0kW之間變化，平均制冷需求為16.2kW。制冷需求占比如圖8所示。

通過計算，年能耗結果見表3。

圖8　制冷需求占比

表3　定頻列間空調與變頻列間空調能耗對比

圖9　長期運行成本對比

數據中心長期運行成本如圖9所示。從上述數據可以看出，采用直流變頻列間空調全年能耗節約率達到了29.0%，節能效果顯著。

3.3SPAX智能網絡管理系統

SPAX智能網絡管理系統是依米康環境科技股份有限公司針對精密機房空調專業定制的集成管理系統，包含了群組內部自組織管理網絡，機房本地監控接口以及遠程云端監控客戶端，可通過多種維度隨時掌握空調設備信息以及運行狀態。

3.3.1功能強大的人機控制

1）空調人機界面采用大屏幕高分辨率真彩觸摸屏，畫面清晰逼真，海量存儲數據，USB2.0高速升級更新支持。

2）強大的數據管理功能，支持操作日志、歷史數據、告警日志、告警配置等。

3）支持U盤導出歷史數據與參數列表導入。多語言(中文，英文，法文，日文，西班牙文，俄文，德語)在線切換。

4）控制器界面、狀態信息采用扁平化設計，界面美觀大方。在主頁面中重要信息一目了然，用戶在主界面即能知曉當前溫濕度狀態、運行模式(制冷/制熱/加濕/除濕) 以及告警信息。控制器界面見圖10。

圖10　SPAX智能網絡管理系統控制器界面

5）空調系統采用了全新的群控方案，支持輪值備用、同向自主、平均分配、按需分配4種針對不同應用場景的群控模式，完全覆蓋數據中心聯機控制需求場景。

6）智能控制系統能夠方便地組成群控網絡，提供合理的空調輪值運行、熱備份管理、避免競爭運行、冷量動態分配以及主控系統備份功能，并且在群控模式下，用戶可從主機或從機的群控狀態頁面中獲取當前群組內所有機組的運行狀態（包括群控網絡中每臺機組的運行模式，主備、在線、故障狀態），如圖11所示。

圖11　SPAX智能網絡管理系統群控界面

3.3.2全面覆蓋的監控系統

1）連通性：控制系統能夠兼容最通用的樓宇管理系統：Modbus，DLL等通過局域監控網絡、因特網或者簡單的瀏覽器界面即可遠程管理機組。授權的用戶能夠隨時確認機組的運行狀態及報警信息，并通過手機短信接收機組信息，能夠通過簡單的界面對機組進行快速診斷。運行方式見圖12。

2）協同性：控制系統能夠方便地通過OPC Server 與樓宇智能系統對接，形成集成性的解決方案。用戶可通過大型智能樓宇管理平臺優化機組的管理及提高整體制冷性能，并實現節能的目的。

3）安全性：系統通過RS485局域控制網絡能夠無風險地傳輸信息和進行數據交換，并且可以為維護人員或監控網絡配置不同的訪問權限，禁止或允許互聯網的設置或關機操作。

3.3.3互聯網+的創新性應用

在保留對傳統modbus工業級監控組網兼容的環境下，增加了WEB以及手機APP監控的方式（見圖13、圖14）。控制系統可通過以下方式連接到網絡。

1）通過控制系統自身的通信卡可以直接選擇BMS所使用的樓宇協議（如MODBUS等）。

2）使用網關，將專用協議轉換為BMS所用的協議（如TCP/IP，HTTP,ProfiBus等）。

3）將專用協議驅動程序集成至用戶的BMS軟件中。

圖12　監控系統的信息傳遞方式

圖13　通過WEB方式監控空調運行界面圖

圖14　通過手機APP監視空調運行狀態的界面圖示

4　結語

依米康環境科技股份有限公司的綠色節能智慧數據中心解決方案，在整體的機房布局上采用了微模塊冷熱通道封閉技術，提高了能源的利用率，減少了無效的冷量損失。在制冷系統上采用國際領先的直流變頻列間冷卻技術，根據使用需求減少了能量的投入，從而大幅度提升了全年的能效系數。SPAX智能網絡管理系統，在人機界面以及更重要的人機互聯上有了突破性的創新。

隨著信息產業的迅猛發展，節能減排國策的實施，人們節能環保意識的不斷加強，依米康綠色節能智慧中心解決方案將在IDC領域發揮其巨大的商業價值和社會效益。

[1]朱利偉. 淺談微模塊技術及實現[J].智能建筑與城市信息， 2013（11）:33-35.

[2]馬強,鄭媛媛,沈立鵬.微模塊數據中心應用技術研究[J].電氣自動化,2015(37-2):35-37.

Along with the great development of Internet Plus and Big Data, Internet Data Centers (IDC) are faced with new challenges such as heavy heat load, hot island effect and huge energy consuming. For solving all those problems, we provide a new solution named Green Energy Saving and Intelligent Data Center, which includes high-efficiency computer room air conditioners (CRAC), intelligent control and monitor system, and so on.

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