數(shù)據(jù)中心機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新技術(shù)研究與探索

付曉燕

（甘肅志欣科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

前言

在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行期間，能耗高、傳輸快等是數(shù)據(jù)中心明顯的特征，為了減少高能耗所散發(fā)的熱量，達(dá)到節(jié)能減排的重要目標(biāo)，需要以新技術(shù)的研究與應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能化基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計與建設(shè)。因此，本文從數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的制冷系統(tǒng)與動力系統(tǒng)兩面分析，以目前新技術(shù)的應(yīng)用與研究為主線，對機(jī)房中各種基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)技術(shù)進(jìn)行探討，希望能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)綠色、高效、環(huán)保的數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計提供一些參考。

1 數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)新技術(shù)分析與探索

由于數(shù)據(jù)中心能耗高所產(chǎn)生的熱量不容小覷，其制冷系統(tǒng)所消耗能量約為總能量的31%，需根據(jù)其能耗占比（即PUE 值）來實(shí)現(xiàn)成本最低和能耗最低的新技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用，隨著對PUE 值的減小來降低整個制冷系統(tǒng)的能耗。

1.1 節(jié)能控制技術(shù)

1.1.1 高水溫供冷技術(shù)

根據(jù)部分學(xué)者所提供的理論和計算公式可以明確，冷水機(jī)組的制冷效率和其蒸發(fā)溫度呈現(xiàn)正比，其中每提升1℃的蒸發(fā)溫度，其就會提升3%到4%的制冷效率。所以提升冷凍水的溫度不僅可減少其機(jī)組的能耗，同時也能夠提升機(jī)組的運(yùn)行效率[1]。對冷水溫度的提升，還能夠減少管路傳輸過程中所產(chǎn)生的損耗，防止整個制冷系統(tǒng)的末端設(shè)備出現(xiàn)結(jié)露的問題，從而提升機(jī)組的運(yùn)行效率、減少負(fù)載，提升設(shè)備健康運(yùn)行時間，進(jìn)而減少整個機(jī)組設(shè)備的維修成本。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，需要以全年的制冷為數(shù)據(jù)中心提供可靠的工作環(huán)境，且一般7～21℃或者12～27℃為冷凍水的供回水溫度范圍，所以在整個系統(tǒng)運(yùn)行期間，可利用較高的供回水溫度來提升整個數(shù)據(jù)中心的節(jié)能效果。

1.1.2 人工智能節(jié)能技術(shù)

人工智能在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，可根據(jù)其優(yōu)化算法對整個制冷系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的能耗優(yōu)化。現(xiàn)階段的空調(diào)系統(tǒng)，通常都是人工操作控制，在調(diào)節(jié)與修正參數(shù)的過程中，消耗的時間較長，并且控制模式相對較為傳統(tǒng)。而人工智能節(jié)能技術(shù)主要是根據(jù)人工智能的高速運(yùn)算特點(diǎn)，來找尋最節(jié)能的系統(tǒng)參數(shù)，在科學(xué)參數(shù)的設(shè)置基礎(chǔ)上，最大程度f 減小運(yùn)行能耗，進(jìn)而降低成本支支出的基礎(chǔ)上，對整個資源實(shí)現(xiàn)最佳的利用效果。在降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險的同時，也可減少后續(xù)機(jī)組維修的成本支出。

1.2 冷水機(jī)組與板換串聯(lián)架構(gòu)

該架構(gòu)是指在水冷的位置設(shè)置板式換熱器裝置，需與冷水機(jī)組實(shí)現(xiàn)一對一的設(shè)置與應(yīng)用[2]。且到冬季寒冷的季節(jié)，可實(shí)現(xiàn)自由冷卻，而這種形式的冷卻需要利用換熱器支持；而在過渡季節(jié)時，可利用板式的換熱器來預(yù)冷回水的溫度，根據(jù)冷水機(jī)組的作用，壓縮制冷，充分利用室外冷源，減少內(nèi)部運(yùn)行的成本支出（如圖1 所示的工作原理）。

基于本架構(gòu)的運(yùn)行條件與現(xiàn)狀分析，可以根據(jù)三種模式來調(diào)整其運(yùn)行狀態(tài)，利用室外溫度環(huán)境實(shí)現(xiàn)整體成本的降低。第一種，利用壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)制冷，本方式運(yùn)行期間，換熱器不工作；第二種，使用聯(lián)合制冷的方法，該方法是先利用換熱器進(jìn)行預(yù)冷操作，再利用冷水機(jī)組進(jìn)一步制冷；第三種，使用的是完全的自由冷卻模式，此時由換熱器供冷，而冷水機(jī)組不工作。這三種制冷模式在不同季節(jié)使用，可有效降低整個系統(tǒng)的制冷耗能，從而達(dá)到節(jié)能效果。

1.3 液冷服務(wù)器技術(shù)

該技術(shù)是指在服務(wù)器中注入氟化液，根據(jù)冷熱交換的作用將服務(wù)器中所散發(fā)的熱量帶走，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)常規(guī)風(fēng)冷模式的制冷效果。本方式在實(shí)施期間，由于液冷其本身比熱容會較傳統(tǒng)方式中的偏大，因此其也會有著偏大的熱量吸收量，整個系統(tǒng)的CPU 能夠得到有效的控制，減少服務(wù)的數(shù)量[3]。在使用液冷系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組制冷期間，冷卻液能夠直接導(dǎo)向熱源，減少空調(diào)與風(fēng)扇的使用，利用室外免費(fèi)冷源進(jìn)行制冷；且該制冷方式可實(shí)現(xiàn)“靜音”狀態(tài)運(yùn)行，減少噪音的生成；在整個數(shù)據(jù)中心中，其服務(wù)器功率密度與液冷制冷有著十分密切的關(guān)系，密度越大、液冷越可突破現(xiàn)有的冷卻限制，實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能效果。

1.4 冷源站設(shè)備

冷源站設(shè)備中包含高壓變頻冷水機(jī)組與自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組兩部分。其中高壓變頻式機(jī)組其具備投資少、占地面積小、節(jié)能、簡潔與快速啟動等優(yōu)勢，在目前冷水機(jī)組中有著十分重要的應(yīng)用。而自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組是根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)組上的冷螺桿設(shè)備，將自然冷卻的盤管安裝在上面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自由冷卻的目的。在冬季也可利用室外冷源實(shí)現(xiàn)制冷；夏季可利用壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)制冷作業(yè)；在過渡季節(jié)可利用二者聯(lián)合的方式進(jìn)行制冷。

2 數(shù)據(jù)中心動力系統(tǒng)新技術(shù)分析與探索

除了制冷系統(tǒng)以外，數(shù)據(jù)中心的另一項(xiàng)重要的能耗系統(tǒng)級為動力系統(tǒng)，也是保障整個數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。動力系統(tǒng)的能耗主要源自電源系統(tǒng)運(yùn)作時產(chǎn)生的，因此這也是降低動力系統(tǒng)能耗的重點(diǎn)方向。

2.1 不間斷的電源設(shè)備

2.1.1 微模塊化UPS

目前所使用的模塊化UPS 大多數(shù)都是利用多個模塊并列的效果來完成大功率輸出，且該系統(tǒng)都是由三個部分組成，分別為靜態(tài)開關(guān)、監(jiān)控與功率模塊。在模塊并聯(lián)的工作狀態(tài)下，會對負(fù)載進(jìn)行平均承擔(dān)；如果遭遇一些故障或者問題，模塊化UPS 會自動彈出，由其他功率模塊來完成本次負(fù)載的承擔(dān)工作，具體原理如圖2 所示。這種獨(dú)特的并機(jī)技術(shù)能夠促使設(shè)備不出現(xiàn)任何的單點(diǎn)故障，以此來保障整個電源的最高可靠性，且所有的模塊支持熱拔插，實(shí)現(xiàn)在線更換[4]。且本模塊不僅擁有熱拔插的電池和電源模塊，也具備在線維護(hù)的支持功能，可兼容各種PDU 和機(jī)架，可單獨(dú)設(shè)置也可聯(lián)合IT 設(shè)備一同應(yīng)用，在外接電池的作用下，可以延長其運(yùn)行時間，從而提升整個系統(tǒng)的安全性。該模塊也具備休眠技術(shù)，就算是整個負(fù)載率較低，也可保障系統(tǒng)達(dá)到96%的運(yùn)行效率，這樣可確保整個數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設(shè)備的可靠性與安全性。

2.1.2 旁路UPS

本UPS 是根據(jù)市電的品質(zhì)進(jìn)行使用的一種模塊。在市電品質(zhì)好時，其會直接將電力供應(yīng)到電力中心的IT 負(fù)載中，此時旁路UPS 模塊中的逆變器處于在線的備份狀態(tài)；如果頻率波動的強(qiáng)度加劇，系統(tǒng)會將原有的模式切換到UPS 雙變換的模式實(shí)現(xiàn)負(fù)載的供電。其與傳統(tǒng)的UPS 相比較能夠支持雙變換的供電模式，也可利用旁路實(shí)現(xiàn)供電要求。而使用旁路模式進(jìn)行供電，是由市電直接提供，可達(dá)到接近99%的供電效率，減少模塊運(yùn)行期間的能量消耗。并且企業(yè)是采取市電直供的方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)市電供電的穩(wěn)定性來調(diào)整整個系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.2 智能配電母線

該技術(shù)是結(jié)合軌道式的低壓母線為機(jī)房末端設(shè)備進(jìn)行供電，以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)做法中的配電柜供電方式。通過即插即用的插接箱在母線槽不斷電的情況下，實(shí)現(xiàn)任意位置連接與斷開操作，借助快速部署、隨機(jī)應(yīng)變的特點(diǎn)來提升整個系統(tǒng)操作的便利性。

相較傳統(tǒng)配電方式，智能配電母線既能夠節(jié)省機(jī)柜空間，也可結(jié)合機(jī)房的實(shí)際配置來實(shí)現(xiàn)按需擴(kuò)容，用電需求能夠?qū)崿F(xiàn)在線隨時增加與減少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)電與三相電的靈活轉(zhuǎn)換。除此之外，該母線具備快速安裝、插接位置靈活與接線美觀等優(yōu)勢，在一定程度上能夠降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維成本，提升數(shù)據(jù)中心的用電可靠性。

2.3 鋰電池

數(shù)據(jù)中心運(yùn)行期間，一般都會采用鉛酸蓄電池進(jìn)行供電，但是該電池本身具備放電倍率較低、體積大、重量大等缺點(diǎn)。為了規(guī)避使用鉛酸電池帶來的的弊端，建議使用鋰電池。鋰電池具備更高的輸出功率密度和能量密度，可設(shè)計小體積電池以保障實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行，其占地面積可比鉛酸電池的減少大約50%，重量也可減少80%。除此之外，鋰電池具備更長的生命周期且免維護(hù)，其所適宜的工作溫度在-20～-60℃之間，具有溫度范圍較廣、充電快、自行放電效率高等優(yōu)點(diǎn)，月自動放電率大約為1%左右，在電力中斷期期間發(fā)揮著十分重要的作用。鋰電池采取的是模塊插拔技術(shù)，運(yùn)行與維護(hù)都具有一定的便利性，內(nèi)置的監(jiān)控系統(tǒng)也可隨時關(guān)注電池充放電和溫度的實(shí)時情況。所以鋰電池在安全性方面能夠有效保障整個數(shù)據(jù)中心可靠運(yùn)行，并且可大幅度提升整個數(shù)據(jù)中心機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，降低建設(shè)成本和維護(hù)成本的支出。