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绿色催熟机房节能技术

原创 Linux操作系统 作者:Java_simon 时间:2009-06-03 10:38:09 0 删除 编辑

数据中心是现代企业必不可少的IT基础设施之一,也是耗电大户。近几年来,随着信息技术的普及,数据中心的IT设备数量增长加速; 同时,电力价格持续上升并且供应越来越紧张,数据中心面临不断扩容的压力和不断增长的电能消耗,节电成为全球数据中心管理者共同关注的话题。来自全球权威机构Gartner的预测频繁地被引用: 到2010年,企业每年在用电成本上的花费将大于当年在硬件设备上的投资。面对如此严峻的形势,建立一个节电、环保的数据中心自然成为很多数据中心管理者的重点工作之一。

那么,数据中心如何才能变绿,换而言之,对于数据中心管理者而言如何才能打造出一个节能、环保的数据中心?
机房制冷

是节能的关键环节


数据中心通常是用来对信息进行集中处理的地方,计算机设备、网络设备、存储设备、通信设备是处理信息必不可少的IT关键设备,要求这些设备节能也是很自然的想法,而对于那些用来保障IT关键设备运行的基础设备,如UPS、空调,人们往往不太注意,殊不知这些设备也是电能消耗的大户,这其中尤以制冷的电力消耗为最。

根据美国环保署提交给美国国会的一份研究报告称,在数据中心的全部电能消耗中,制冷占到40%左右。而IDC的研究也显示,在数据中心中冷却比服务器本身运行更耗电,当服务器成倍增加的时候,配套用电量将呈指数级上升。IDC曾做过调查,每100台服务器的年平均耗电量为55万度,其中用于制冷的电力为服务器用电量的2.7倍。

应该说,制冷并不是一开始就成为数据中心中的用电大户的,而是随着计算机应用的普及才使得这个问题日渐突出。过去,由于计算机应用并不普及,数据中心的IT关键设备也不多,机房空间相对比较宽裕,机柜中很少有局部热点出现。因此,有的数据中心即使采用普通空调来为机房制冷,也能满足机房要求。事实上,大多数时候,只要保证机房内的温度符合设备正常工作温度即可,机柜内的设备也就能正常运行。

如今,随着IT技术的普及,IT设备的需求量呈现爆炸性的增长,机房日渐拥挤起来。过去宽敞的机房空间逐渐被大大小小的机柜所挤占,与此同时,机柜中的服务器、交换机的数量也大大增加,机房的整体温度和机柜中的温度都迅速升高,特别是近年兴起的刀片服务器更是进一步加重了这一问题的严重性。

单就刀片服务器本身而言,它降低了维护成本,而且省地、节能,但刀片服务器却导致机柜内热密度迅速上升,让制冷问题日益突出。在一些数据中心甚至出现了虽然机房内温度已经降到10多度,而机柜中仍然出现温度报警的尴尬局面。

正是由于这方面的原因,在机房空间日渐宝贵的情况下,机柜里仍然不得不空出许多空间。事实上,机柜的制冷能力已经限制了每个机柜中的刀片服务器的安装数量。
空调系统如何节能


要降低数据中心制冷的能源消耗,最根本的办法是减少外界的热量进入,同时减少内部热量的产生。减少外界的热量就要求作为建筑物的数据中心要符合相关标准,如符合GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》的要求,在数据中心的建筑材料选择以及是否采用无窗的数据中心(数字北京大厦的数据中心就采用了无窗设计)或者窗墙面积比到底多大都要考虑到节能的问题。而减少数据中心的热量产生,则要求选用节能性的IT设备,如节能的服务器、交换机、路由器等。不过,由于大多数数据中心是早就已经建成的,同时,IT设备正常工作必然也产生热量,除此以外,为了保证这些IT设备的正常工作,还需要一些必要的设备(如精密空调)等,它们的运行也必然会产生热量,这些都是必须的。因此,实际操作过程中,比较可行的方法是提高空调的制冷效率,从而降低相应的电能消耗。

提高空调制冷效率的一个有效办法是实现“按需制冷”,将冷媒送到最贴近热源的地方,也就是将制冷方式从房间级制冷转变为机柜级别制冷,最后到芯片级制冷,这也正是机房制冷的发展趋势。

传统的机房空调很少考虑机柜内部的温度,它仅仅能保证机房内温度符合要求。但实际上,由于刀片服务器的使用,机柜内很容易出现局部热点。对此,传统的空调只能靠进一步降低机房温度来解决,由此造成浪费也在所难免。针对这种状况,市场上出现了一种机柜级制冷的空调,APC的InRow制冷系统就是机柜级制冷的典型代表。InRow安装在机柜之间,它把冷风送到各个机柜的正面,然后从机柜的后部抽取热风。由于冷风直接送到热源附近,而不像传统的机房采用底部送风或者天花板送风,因而可以保证机柜内不出现热点。而且,由于InRow可以根据机柜中具体温度情况决定是否送风,因此其效率更高。据统计,与传统的制冷系统相比,InRow制冷系统的电力消耗会节省50%以上。

如果说从传统空调转变为“按需制冷”,还需投入一定资金对机房进行改造因而不具有普遍适用性的话,也有一些不需要很大投入的节能方法,同样能达到很好的节能效果。比如,将机柜两两相对,也就是在送风的冷风道上两排机柜面对面摆放,而回风的热风道上两排机柜背靠背摆放。冷热风道的形式减少了冷热风会合的可能性,从而提高了冷风的利用率。另外,在系统的设计上尽可能采用下送风、上回风的送风方式,对机柜内部的气流组织更细化,如加装阻风盲板和气流分配单元等,对空调统一控制、及时维护,防止有的空调在加湿,而有的空调在除湿的现象,这些都是非常有效的节能技巧。

实际上,在制冷方面,国内和国外都有很多成功的案例,不少数据中心独创了很多高效率的制冷方法,颇值得借鉴。比如,从事互联网基础设施服务的世纪互联就有很多自己的节能秘笈: 以水冷代替风冷,根据分析,仅仅冷媒介质的不同一项,最多就可以达到30%的节能效果; 采用湿膜加湿器代替精密空调加湿,尽管精密空调也可以加湿,但是利用湿膜加湿器的功率消耗仅是精密空调的5%左右; 使用板式换热器,在冬天它能利用室外的冷空气来为机房降温,在冬季长达三个月的北方这是一种非常有效的节能方法。

在国外,借助自然界天然冷空气来为机房降温已经受到重视。据报道,位于美国罗德岛的布莱恩特大学也在借助冰雪天气来降低数据中心的电能消耗。布莱恩特大学的数据中心配有一套封闭的以乙二醇为冷却剂的循环制冷系统,当天气很冷的时候,系统就会利用室外的冷空气给冷却剂降温,仅此一项就降低了20%~30%的电能消耗。

惠普在其新一代数据中心的体验中心展示了一种动态智能冷却技术。该技术的核心是能不断调整数据中心的散热装置,根据散热需求针对性地动态供应冷却气流。比如,它在每台机柜前方的地板下都埋设了排风口,其风量大小可以根据需要随时调节。数据中心的系统通过监控每一个机柜的温度,然后对排风量进行相应的调节。据介绍,该技术可能将数据中心的降温成本降低40%。
UPS也需绿色


在机房的基础设施方面,与UPS相关的电源设备也是节能需要重点考虑的环节。调查显示,尽管机房UPS的购买成本约占整个机房投入的5%左右,但是,其电源消耗可能占机房总电耗的10%以上。因此,降低以上两部分的费用也可以给数据中心带来非常不错的节约效果。

UPS的传统指标有输入功率因素、电流失真度、整机效率等,由于UPS是一种比较成熟的产品,要在这些参数上获得提升是非常困难的,但这并不意味着UPS不能为绿色做贡献。事实上,由于UPS的设计和使用理念上的改变也能带来很大的节约,而且UPS厂商仍然在不断进行技术创新。

“边成长边投资”就是近几年来颇为流行的观点。“边成长边投资”的核心是让数据中心不必一次性投资,而是根据数据中心业务的成长逐步增加投资。过去,在数据中心的建设中,UPS及其相关电源设备的部署往往会按照最大负载一次性采购到位,由于数据中心都有一个成长过程,而一般不会马上达到最大负载,因此,这部分投资会闲置下来。然而,不管IT负载有多大,这些设备都存在一定电力损耗。在IT负载很小时,这些设备的电能消耗甚至会超过IT负载。而另一方面,为了保证不必要的电源部分的正常工作,空调也需要耗费电力。统计显示,大多数数据中心的UPS负载率只有30%左右。因此,这种一步到位的建设方式会造成很大浪费。近几年,由于UPS技术的不断进步,特别是模块化UPS的产生以及UPS的标准化等,使得“边成长边投资”不再只是一个理念。事实上,越来越多的UPS厂商支持这一理念,如APC、艾默生、科华、科士达、伊顿等公司的产品和方案都支持“边成长边投资”。

另外,UPS厂商们也一直在努力提高UPS的效率。不久前,科华就有一种高效率的节能UPS问世,这款名为FR-UK-P的UPS比传统UPS节能70%以上,独特的散热设计无需单独配置空调冷却系统,大大节省投资和运行成本。而科士达最新推出一款模块化三进三出的RP系列UPS,打的同样也是绿色节能牌。

值得注意的是,UPS设备本身的大小也是绿色的一个指标。因为在日益拥挤的机房里,设备的大小关系到空间的利用率,也会直接影响整个节能和散热效果。因此,在满足高效率的前提下,尽可能小的体积也是UPS的发展方向。伊顿爱克赛的“尖锋”系列刀片式UPS在这方面做出了有益的尝试。这是一种专为刀片式服务器提供电力保护的系统,其每台刀片式UPS模块均是一台完整的UPS系统,可以作为一台UPS单独使用,同时也可以在标准的19英寸机柜中堆叠多台UPS。由于采用了内部模块化紧凑型设计,使产品具有体积小、重量轻等特点,更贴近用户真实的使用环境。

当然,对UPS的要求不仅在节能方面,也有环保方面的指标要求。因为与空调系统不一样的地方是,UPS除了电能的消耗,还会对电源形成污染,也就是由于UPS系统存在谐波源,它会对电网形成干扰,因而降低UPS对电网的污染也是对绿色UPS产品的一个要求。另外,尽量减少电池的用量也是UPS的一个发展方向,减少电池用量不仅可以减少对环境的污染,还可以节省企业的投资和维护成本。

总体上来说,对UPS厂商而言,如今竞争的焦点已经不是谁有能力生产大功率的产品或者某个指标有多好,而是要求同时符合节能和环保两方面要求的真正绿色的产品。
绿色数据中心的建设是一个全面的、整体的过程,要取得好的节能效果,需要把“绿色”贯彻到数据中心的规划、建设、维护的整个过程中,每个环节都不能忽视。比如,良好的规划可以防止过度规划的出现,从而为后期的节能打下良好的基础。

值得高兴的是,在目前节能已成为一个全社会共同关注的问题这个大背景下,厂商们也推出了不少辅助工具可以帮助数据中心的管理者实现节能,利用这些工具可以更有针对性地指导数据中心管理者的工作。比如,APC公司就有一种评估数据中心各种基础设施以及IT设备的电力消耗的计算工具—APC权衡工具,可以帮助数据中心的管理者计算可能需要的电力消耗,用以选择相应的制冷设备,或者对当前的制冷效率进行评估。惠普实验室也开发出一种热评估服务,能通过一个三维模型,向客户准确显示数据中心空调的散热力度和散热区域,客户可以据此对数据中心的空调系统进行控制和管理,以达到最佳的散热效果。

另外,绿色数据中心也是个长期过程,需要不断评估、持续改进。比如,不少数据中心都部署有设备监控系统,用于对环境及空调设备、电器设备、照明设备的运行情况等进行显示、记录、报警,特别是趋势分析功能对于帮助实现动态监管和调节非常有用。

从某种程度上说,数据中心的建设正在酝酿一场革命,这就是人们所说的“下一代数据中心”。尽管“下一代数据中心”究竟应该是什么样还没有定论,但人们公认的是,它一定会具备安全、简单、节能、自动化等特点,所以从这个意义上说,今天我们倡导的绿色数据中心也是在向“下一代数据中心”迈进。

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