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云时代企业数据机房建设节能技术的应用

中达电通股份有限公司
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前言
云计算与大数据时代随着现代信息化技术、智能终端、互联网的兴起而快速到来,云计算市场迎来了一个发展的高峰,云计算的实现离不开数据中心的支持,而云计算本身又在驱动着数据中心的变革。云计算的精髓在于资源的虚拟化,IT软硬件架构与传统架构相比有很大的不同,特别是硬件的变化,主要表现为IT设备的高度集中、高发热、高耗能,驱使底层的风火水电等配套设施的作出相应改变,如何破解数据机房的三大挑战企业机房的高效运转是一个非常重要的课题?

企业数据中心中心的耗电
数据中心的基础设施核心保障就是IT设备,形象的说建设数据中心就是为了解决IT设备的“吃”、“住”、“舒适”等生活问题,吃的是UPS的不间断电源,住的是高档机柜,享受的是精密空调,当然要实现这些就需要付出相应的成本,其中数据机房的电费是目前企业级机房最大的营业成本之一,为了解决耗电问题,我们先分析能耗的组成,才能对症下药,一个典型的PUE=2.3的机房耗电组成如下所示:


其中IT设备用电包括所有的IT设备的负载,如服务器、储存和网络设备, 
数据中心总用电包括支持IT设备负载条件的用电,如:
•电力系统:如UPS、配电及开关、电池和配电损失。
•空调系统:如冰水机组、机房空调机(CRAC,CRAH)、水泵及冷却水塔等。
•服务器、储存设备及网络设备等。
•其他杂项设备,如数据中心照明负载、监控门禁系统及消防系统。
根据以上耗电系统分析,PUE主要的改善方向如下:


以一个总功率100kW的机房为例,PUE2.3改善到1.43,一年能节约30多万度电,5年就可以节约165万元的电费,为企业更高效的运营提供有力的支持。

 

 

 

 

 
 

 

 


传统气流组织给数据中心带来的困惑是:
* 整个架空地板下是个静压箱,所以每个机柜所享受到的出风量是一致的,无法按需提供冷风量;如果机柜的热密度产生差异,高热密度机柜就会产生局部热点;
* 由于冷风从出风地板送出,通过机柜前开孔门板送入机柜,在机柜的垂直方向上,自下而上会产生风量梯度和稳定梯度;
* 受机柜热密度的影响,单机柜装机容量受到限制:
* 在传统的机房配置空调时,通常会注重机房所需的冷量而忽视服务器机柜所需的风量;
* IT对风量的要求通常是:每1kw热量,要求提供120CFM(合204m3/hr)的冷风,才能满足IT设备的冷却需求;
* 按传统的下送风空调制冷方式计算,每个机柜出风地板的风量为:出风口的风速≤3m/s,出风地板的面积为:0.36m2,地板的开孔率通常为30%,
* 所以每个机柜前面的总风量为:
* 3m/s×3600s/hr×0.36m2×30%=1166 m3/hr。
每个机柜的装机热负荷为:1166 m3/hr÷204m3/hr=5.7kw
        通过上述风量计算,如果采用传统的下送风空调制冷解决方案,每个机柜IT设备的装机容量无法做大,导致机柜装机率不高,浪费机柜的空间,同时也浪费机房的空间;
* 传统的房间制冷方式,由于送风距离远,难免在送风过程中产生风压、风量的衰减,导致远端机柜产生局部热点。


    机柜级水平送风制冷解决方案能有效的解决传统房间级制冷方案的困惑:« 由于水平送风空调安装在机柜旁边,就近送风和制冷,解决地板下送风风阻导致的局部热点问题;« 就近制冷,送风距离短,冷量的利用率更高;« 空调可根据机柜的热密度,随时调整输出的风量和冷量,提供单个机柜的个性化风量和冷量需求,制冷更有针对性,效率更高;« 对数据中心机房建制过程中,是否要建架空地板,无需要求;机房地面的保温要求也更低;« 由于紧贴机柜安装空调,可以给单机柜提供足够的风量,所以机柜的IT设备装机容量可以大幅提高,如台达29kw的空调,风量为4930 m3/hr,那么单机柜的IT热密度可达:4930 m3/hr÷204m3/hr=24.2kw。« 与传统的房间制冷方案相比,单机柜的装机容量可以提高4倍。


 

u 图1-3传统下送风空调与机柜式空调适应热密度比较

 

l 从图中,我们可以看出传统下送风空调,满足单机柜6kw一下的需求,而水平送风空调可满足单机柜30kw一下的需求。


经过对下送风空调(房间级)与水平送风空调(行级)的比较,水平送风空调更加靠近IT设备,送风距离短,效率更高,更加节能。 

 

 

冷热通道封闭技术

热通道封闭                                                                       热通道封闭

    为了提升制冷效率,提高单机柜制冷能力,结合现场情况,使用冷热通道封闭技术为核心的IT设备进行冷却.通过改善空气循环的管理,提升制冷功率密度.有效减低PUE值,而设计一套散热效果好、安全可靠的机柜冷热池解决方案。

主机房机柜采取背对背摆放,网络机房采取面对面摆放

A 冷池系统设计

    冷池采用铝合型材框架+钢化玻璃,顶部为全封闭钢化结构,冷池是通过设置全封闭式冷空气循环系统环境,提高室内空调使用效率,达到节能降耗的效果。冷池的顶部设置部分开启扇,开启面积应不少于冷池顶面积的30%。由于机房采用气体灭火系统,当灭火系统启动时,冷池的顶部开启扇部分开启。冷池的地面设置大面积的带风口的架空地板,作为下送风的出风口。冷池末端设置钢化玻璃门,满足人员工作进出疏散、消防保护及管理监控。开启扇考虑与消防联动,当气体释放时开启扇放下。 

    机房冷通道内的玻璃顶板在现场探测器报警后,于气体喷射前将电磁铁失电,通道敞开。本系统电磁铁采用交流电供给,如消防电源可提供本次设备容量,并现场条件允许的情况下,可由消防电源直接引一回路至控制箱;若消防设备无法提供电源,为保证电磁铁不失电,建议由PDU中引一回路至控制箱,并在控制箱中安装整流设备,提供磁铁所需电源。

B系统优势

1)灵活性

冷通道为单元模块化设计,冷通道两侧的两台机柜占用1个单元,每个单元均能独立安装。

2)智能性

每个顶部密封板均可实现与消防联动。当机房内火灾信号确认后,顶部密封板自动打开,满足消防气体喷放要求。

3)安全性

所有冷通道窗口材料为透明钢化玻璃,机械强度比普通玻璃高,而且不影响冷通道内正常采光。

4)方便性

当需要在冷通道内搬运设备时,通道两端门打开后,下门框可方便拆卸下来,方便小型运输设备在机房地板上进出。

1)灵活性
冷通道为单元模块化设计,冷通道两侧的两台机柜占用1个单元,每个单元均能独立安装。
2)智能性
每个顶部密封板均可实现与消防联动。当机房内火灾信号确认后,顶部密封板自动打开,满足消防气体喷放要求。
3)安全性
所有冷通道窗口材料为透明钢化玻璃,机械强度比普通玻璃高,而且不影响冷通道内正常采光。
4)方便性
当需要在冷通道内搬运设备时,通道两端门打开后,下门框可方便拆卸下来,方便小型运输设备在机房地板上进出。

封闭冷通道,降低冷风损失,提高冷源利用率;

自然冷却技术
  自然冷却技术就是利用免费的自然资源进行热交换,最大限度的降低机房能耗,目前常用的免费冷源主要是冬季或春秋季的室外空气。因此,如果可能的话,数据中心的选址应该在天气比较寒冷或低温时间比较长的地区。在中国,北方地区都是非常适合采用免费制冷技术。采用水冷空调系统,当室外环境温度较低时,在低于15度以下(上海地区每年约有120天)就关闭制冷机组,可以利用冷却塔、冷却水泵、板式换热器组成的系统进行热交换,因系统中没有大功率的压缩机运转,极大的降低了系统的效率,当温度高于15度又切换回冷冻水系统。上述介绍的水冷自然冷却由于只需要增加一台不需要动力的板式换热器,投资和占地都比较少,是我们推荐的企业数据中心最佳免费制冷节能方案,系统的原理图如下。


原理图

 



 

 

变频节能技术

 

    空调系统为IT数据机房空调,机房采用台达精密空调,冷水系统及冷却系统与IT数据中心精密空调位于同一楼层。 冷冻水泵2台5.5kW,冷却水泵2台5.5kW,冷却水塔1台1.1kw。 水泵及冷却塔当前控制模式均是定频定流量工作;现场有风冷热泵、水冷机组、以及板换,当冬天或者温度较低时,通过冷却塔冷却空调冷冻水温;当温度稍高时,采用风冷热泵机组制冷;当夏天温度很高时采用水冷机组。
    当前对于冷水系统控制采用西门子S7-200PLC控制,含触摸屏。 模拟量包括环境温度2个,冷却塔出回水温度,冷冻水出回水温度各1个。PLC无多余点位余量。
对于室内精密空调,目前采用三通阀的方式,改变空调所需流量时并不改变系统管网阻力,水泵侧流量压力都不改变。


 


    系统采用冬夏过度季节不同冷源切换,尽可能少的减少冷热源方面的能量损失,达到免费利用外气环境冷却的目的,在制冷方面实现了节能,合理且先进。
    但是,大多数系统在初建时都会按实际最大负荷考量,包括冷机,冷却塔,水泵,在冷源上实现了节能的同时,并没有在水泵负荷与制冷量上相互匹配,也就是说当末端空调负荷很低的时候,对于制冷机主而言,实现了冷量的按需分配,电流百分比随着负荷下降而降低,但是对于水泵而言,过多的流量其实是造成能耗浪费的关键。
    实现节能的原理:低流量大温差与热交换能力的关系,对于一个换热器(板换或者精密空调表冷器)来说,其流量与温差的关系见下图,在部分负荷下,其冷量与流量不会同比下降,如图,在50%的流量下,可以提供大约80%的负荷,也就是说系统的冷量与流量不会完全对应,但是每个厂家的换热器性能不一定,故最佳换热流量并不统一,这个最佳流量基本会在30%-70%之间,使得温差最大会高于5℃。

 

 



 


    其次,对于水泵而言,限流变频带来的最大好处是节能,离心式风机水泵都遵循相似定律, 即流量与水泵转速(频率)成正比;杨程与转速的平方成正比;功率与转速的立方成正比。 因此改变频率可以有效的节能。

 


高压微雾加湿技术

 

高压微雾加湿器的工作原理是利用高压柱塞泵将水压提高到7Mpa以上,然后将加压后的水经耐高压输送管线由专业喷嘴将其雾化,产生3—15µm的微雾颗粒,使其能够迅速从空气中吸收热量完成汽化并扩散,从而完成空气加湿、降温的目的。
该系统即可以作为大空间加湿作用,也可以作为降温用途。
实际产生的加湿量是由安装多少喷嘴来决定的。例如,某型号喷嘴的喷雾量是4L/h,总共100个喷嘴,则最大喷雾量是400L/h。
高压微雾用于机房加湿存在很多技术优势:

 

 

 

 

1.节约能源
    相对电极加湿的等焓方式,高压微雾加湿系统本身的耗电量是极少的。每小时30公斤的加湿量耗电量在300W左右,是电极加湿器的1.4%。在机房环境中使用时,其节能下过尤其显著。
    如果原先机房空调配置了9kg/h的电极式加湿器,我们可以用10kg/h喷雾量的高压微雾加湿器来取代。对于高压微雾加湿器的10kg/h的喷雾量,消耗电能约100W。水雾进入机房后,需要吸收空气热量而气化。每1kg水雾,需要吸收空气中750W热能才能气化。就是说,10kg/h的高压微雾加湿器每小时对空气产生7.5KW的冷量,从而可以大幅度降低空调机的制冷负荷。
    按照每天高压微雾加湿器累计运行12小时计算,其自身耗电量为3300度,电费支出约3300元。但是,其产生的冷负荷约为3万KW,相当于压缩机消耗1万度电产生的冷量,相当于制冷系统节能1万度电,节约电费支出10000元。
    总体来说,使用高压微雾加湿器产生的额节能效应是:40000-3300+10000=46700度电,折合46700元。
    就是说,如果用高压微雾加湿器取代原先内置了9kg/h电极式加湿器的机房空调来说,每年的节电为46700度,约合46700元。
2.使用安全
    由于将水加压到70Bar压力以上,很小的漏点都会导致主机加压端压力的显著下降,系统可以迅速采取关断措施保证安全。所以说,高压微雾系统可以非常容易地实时监控到高压水路中的泄漏情况。而普通低压水路系统则不具备这样的优势,在跑水已经很严重的情况下仍然无法察觉。
    高压管道的内径只有1-2mm,内部容积非常小。高压水路一旦关闭,整个管道中的存水量十分有限,数十米的管线仅仅容纳和残留0.2升水,折合一个茶杯的水,不会对机房产生破坏性地损害。
3.无水垢影响
    高压微雾系统因为无需向外排水,所以没有任何水垢的问题,水的前端处理系统比如纯水机、软化水设备等都可以自动运行,并安装有排水管道的工作间或洗手间内。
4.安装布置方便
    由于高压管路可以传送达数百米乃至上千米,所以对用户来说配置起来相当容易。在不同楼层或相隔甚远的机房可以采用同一套主机系统,通过在吊顶空间布排直径10mm左右的PE管线,不会对原有建筑格局和装修产生任何大的变动,工程量也很小。
5.扩容升级方便
    高压微雾加湿器最小型号的机器的满负荷喷雾量为50kg/h。对于用户来说,新增加一个机房有加湿需求时,只要主机还有空余的流量,连上一条新的高压线路和湿度传感器就完成了。
6.加湿度效率高
    针对其他很多加湿方法,高压微雾的加湿雾化效率非常高,高达98%以上的水雾都会蒸发为水蒸气,这个效率甚至大于电极式蒸汽加湿器,因为电极系统要定时排水以带走水垢。

 

 


 

 

高效率模块化UPS技术

    采用转换效率高的UPS系统。目前,新一代数据中心的设计基本采用新型的高频(IGBT技术)UPS系统,电源转换效率和功率因数都比传统的工频(可控硅技术)UPS系统有非常大的提升,而且重量轻和体积小。由于UPS的电源转换效率和负载率成正向关系,因此在设计和运维时要尽可能提高UPS的负载率。



 

虚拟及灯光控制技术

    主要监控架构为EMS3000, 藉由以太网络(ethernet)架构SNMP协议整合台达设备及监视, 消防等外部组件, 及监视具备IPMI协议内部之服务器之内部风速及温度状态,结合对服务器芯片及灯光控制的管理,实现虚拟化节能及照明节能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

总结:

    本文根据对企业级数据机房耗电的分析,主要集中在制冷、UPS、IT设备、照明及其它,结合现在节能技术的介绍,采用免费自然制冷、替代传统的空调系统、替代传统的UPS系统、变频控制、冷热池系统等降低能耗措施。

■ 采用转换效率高的UPS系统。目前,新一代数据中心的设计基本采用新型的高频(IGBT技术)UPS系统,电源转换效率和功率因数都比传统的工频(可控硅技术)UPS系统有非常大的提升,而且重量轻和体积小。由于UPS的电源转换效率和负载率成正向关系,因此在设计和运维时要尽可能提高UPS的负载率。

■ 采用高效节能的绿色制冷系统。主要是采用水冷空调和自然制冷措施。

■ 采用LED绿色节能光源取代或部分取代传统光源,另外就是运维管理,做到人走灯关

 

 

 

 

 

 


 
 
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