全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心業(yè)界的能耗急劇增加，目前約占到全球總耗電量的1.3%。同時，在過去幾十年中，數(shù)據(jù)中心行業(yè)通過在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理(DCIM)中采用更有效的技術(shù)和實踐方案也取得了相當(dāng)顯著的進(jìn)展。2016年，全球數(shù)據(jù)中心行業(yè)市場已經(jīng)達(dá)到1520億美元，同時整個市場將繼續(xù)保持約5%的年增長。當(dāng)前有一種趨勢是建設(shè)容量超過40兆瓦的大型數(shù)據(jù)中心。能源效率顯然是數(shù)據(jù)中心的一個重要問題，可以最大限度地減少對環(huán)境的影響，降低能耗成本，并優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營績效。
現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心有一個大的操作環(huán)境空間，內(nèi)有許多排機(jī)架，里面裝滿了大量的服務(wù)器和其他用于處理、存儲和傳輸數(shù)字信息的IT設(shè)備。這些成千上萬的服務(wù)器和其他IT設(shè)備將會產(chǎn)生大量的散熱。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器和其他IT設(shè)備的可靠運(yùn)行，保持適當(dāng)?shù)牟僮鳝h(huán)境溫度和濕度條件非常重要。下圖1顯示了針對10處數(shù)據(jù)中心進(jìn)行隨機(jī)調(diào)查的結(jié)果。圖中顯示了具有代表性的功耗分布和變化情況，并展示了冷卻數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備所消耗的總能量的30%到55%之間的差異。平均而言，冷卻和通風(fēng)系統(tǒng)的能耗占到數(shù)據(jù)中心總能耗的約40%。因此，在構(gòu)建數(shù)據(jù)中心之前，企業(yè)必須慎重考慮如何降低功耗，電力成本，提高冷卻效率，并最大化可用性。
圖1：數(shù)據(jù)中心功耗分布和變化。
通過垂直氣流實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的通風(fēng)和氣流管理
現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心有一個大的操作環(huán)境空間，內(nèi)有許多排機(jī)架，里面裝滿了大量的服務(wù)器和其他用于處理、存儲和傳輸數(shù)字信息的IT設(shè)備。通常，服務(wù)器和其他IT設(shè)備被安置在機(jī)架中。在具有熱通道/冷通道的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，由冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的冷空氣通過室內(nèi)地板下方的增壓室供應(yīng)。在機(jī)架的兩側(cè)，在地板上安裝了穿孔的氣流板，以便讓冷空氣進(jìn)入。理想情況下，冷空氣將從穿孔的氣流板向上流動，從服務(wù)器的一側(cè)進(jìn)入服務(wù)器之間的微小空間，然后從另一側(cè)流出。因此，來自一側(cè)的冷空氣形成冷通道，另一側(cè)形成一個暖通道，以便將冷熱通道彼此隔離，并消除了從一排機(jī)架排出的熱空氣進(jìn)入另一排機(jī)架的入口。該方法奏效的原因就在于冷空氣在服務(wù)器之間流動時會被加熱。但這種布置有幾個缺點，主要是因為不能很好地控制氣流。特別是，冷空氣和暖空氣將在機(jī)架的上側(cè)混合，因為冷空氣比在服務(wù)器之間流動更容易向上流動，這會使得冷卻效率降低。由于水平流過服務(wù)器并且空氣流過穿孔板的布置，帶來了更高的壓降，這導(dǎo)致了很大的空氣流動阻力，并限制了冷卻空氣和服務(wù)器之間的熱傳遞。因此，會使得冷卻系統(tǒng)的能量消耗更高。
為解決上述這些問題，數(shù)據(jù)中心業(yè)界轉(zhuǎn)向采用在機(jī)架內(nèi)垂直安置服務(wù)器的方案，如圖2(左)所示。而再不是采用傳統(tǒng)的水平放置服務(wù)器的方案，這使得服務(wù)器之間的空間很小，所有服務(wù)器都垂直放置，服務(wù)器之間的空間優(yōu)化被限制到小于30毫米。該限制考慮了數(shù)據(jù)中心空間利用率以及用于傳熱的冷卻空氣通道。這種服務(wù)器機(jī)架可以放置在封閉的機(jī)柜中或開放空間中。通過垂直氣流管理很好地利用自然對流。服務(wù)器機(jī)架也可以分為兩個部分，以避免機(jī)架底部服務(wù)器和機(jī)架頂部服務(wù)器之間的溫差很大。如圖2(右)所示，冷卻空氣不是通過機(jī)架之間的通道供氣，而是直接從機(jī)架底部供應(yīng)冷卻空氣。因此避免了冷和熱流混合。不再需要穿孔地板瓷磚，這導(dǎo)致了冷卻空氣流動的阻力降低，風(fēng)扇功耗降低。由于空氣密度差異導(dǎo)致的自然重力，通過向上流動的冷卻空氣和增加通風(fēng)來增強(qiáng)熱傳遞。為了實現(xiàn)分布式冷卻控制，提供了多個空氣供應(yīng)管并將其放置在數(shù)據(jù)中心的地板下方，包括每個管道中的入口可調(diào)節(jié)開口。
圖2：數(shù)據(jù)中心垂直服務(wù)器機(jī)架布局，可調(diào)節(jié)入口。(左)具有垂直放置服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心機(jī)架布局。(右)數(shù)據(jù)中心垂直服務(wù)器機(jī)架布局中的氣流圖示。
通風(fēng)系統(tǒng)由主風(fēng)扇和多個子風(fēng)扇組成，具體取決于數(shù)據(jù)中心操作空間的規(guī)模大小，以便為多處安裝了機(jī)架區(qū)域提供冷卻空氣。通過子風(fēng)扇和開放調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)對于空氣流動模式的很好地控制。確定風(fēng)扇速度和供應(yīng)冷卻空氣的入口以最小化用于通風(fēng)的實際總功率，同時滿足服務(wù)器溫度和無熱點需求。冷卻空氣可以是來自室外的新鮮空氣，也可以來自外部的冷卻站或CRAC單元，帶有獨立的控制系統(tǒng)或集成到數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理的控制系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)中心選址的影響
01、CRAC和空氣側(cè)節(jié)能器案例研究方案
典型的數(shù)據(jù)中心冷卻解決方案是通過使用具有空氣處理單元(AHU)、冷卻器和冷卻塔等設(shè)備的計算機(jī)房空調(diào)(CRAC)完成的，這些設(shè)備通過地板下方的壓力通風(fēng)系統(tǒng)向每臺機(jī)架供應(yīng)冷空氣，并再循環(huán)將熱空氣排出到冷卻設(shè)備。當(dāng)外部溫度低于數(shù)據(jù)中心的返回空氣的設(shè)定點溫度時，空氣側(cè)節(jié)能器將直接使用來自外部環(huán)境的低溫空氣來冷卻內(nèi)部服務(wù)器。而當(dāng)室外溫度不適合冷卻服務(wù)器的情況下，則使用計算機(jī)房空氣處理器(CRAH)。由于空氣側(cè)節(jié)能器不包括濕度控制，因此需要借助專用的加濕系統(tǒng)來穩(wěn)定相對濕度(RH)的波動?？諝鈧?cè)節(jié)能器可以提供更長的節(jié)能時間，更節(jié)能，并降低數(shù)據(jù)中心的冷卻負(fù)荷和冷卻成本。
這項工作包括三種方案：基準(zhǔn)方案;COP為2.1的空氣側(cè)節(jié)能器方案;COP為4.0的空氣側(cè)節(jié)能器方案。一處位于美國的具有傳統(tǒng)CRAC冷卻方案的數(shù)據(jù)中心案例被定義為基準(zhǔn)的冷卻解決方案。該數(shù)據(jù)中心通風(fēng)布局使用傳統(tǒng)的熱通道/冷通道布置。而在采用空氣側(cè)節(jié)能器的情況下，COP被分別假定為2.1和4.0兩種情況。由于外部空氣溫度通常高于CRAC冷卻空氣溫度，因此基準(zhǔn)CRAC風(fēng)扇的功率為232 kW，ASE風(fēng)扇功率為410 kW。為了保持足夠的熱傳遞，ASE需要更多的風(fēng)扇功率。為此，我們選擇了四處氣候條件差異很大的城市作為數(shù)據(jù)中心選址進(jìn)行比較。
02、冷凍機(jī)小時，節(jié)能器小時和濕度的分析
每當(dāng)需要機(jī)械冷卻以維持最大允許的IT進(jìn)氣溫度時，就需要記錄冷卻器采用的時長。收集節(jié)能器的采用時長以確定外部空氣條件滿足所需數(shù)據(jù)中心條件的小時數(shù)。冷卻器采用的時長和節(jié)能器采用的時長都適用于兩個區(qū)域，即數(shù)據(jù)中心完全由冷卻器冷卻的區(qū)域和過渡區(qū)域，其中一些冷卻負(fù)載由免費的自然冷卻系統(tǒng)滿足，其余部分由冷卻器滿足。
對于基準(zhǔn)情況，冷卻器運(yùn)行小時數(shù)等于數(shù)據(jù)中心年度運(yùn)行小時數(shù)，因為該運(yùn)行實際上可以不利用室外氣候條件，因此意味著數(shù)據(jù)中心全年都由冷卻器系統(tǒng)實施冷卻。根據(jù)ASHRAE熱環(huán)境推薦的數(shù)據(jù)中心范圍和四個城市10年氣候統(tǒng)計溫度和濕度數(shù)據(jù)的分析，我們計算了ASE場景設(shè)計下每處數(shù)據(jù)中心的節(jié)能器使用小時數(shù)和冷卻器使用小時數(shù)(如下表1和表2所示)。其中瑞典的呂勒奧具有零冷卻器運(yùn)行時長的特殊優(yōu)勢。這意味著在該地區(qū)的數(shù)據(jù)中心不需要采用機(jī)械冷卻設(shè)備。而美國西雅圖是空氣側(cè)節(jié)能器最受歡迎的城市，因為那里所需要的冷卻器運(yùn)行時長較短(僅62小時)。
濕度控制是數(shù)據(jù)中心運(yùn)營中的另一大問題。濕度應(yīng)根據(jù)ASHRAE所推薦的最嚴(yán)格的范圍進(jìn)行控制，即5.5°C露點溫度至60%相對濕度和15°C露點溫度?；鶞?zhǔn)情況使用水冷式冷卻機(jī)組通過熱交換器冷卻水，從而在數(shù)據(jù)中心保持更恒定的濕度水平。空氣側(cè)節(jié)能器的主要缺點是缺乏濕度控制。用于加濕的額外能量可以抵消ASE的一部分節(jié)能，并且在ASE效益評估中必須考慮額外的加濕成本。
表1、在四不同城市數(shù)據(jù)中心空氣側(cè)節(jié)能器和冷卻器采用時長小時數(shù)的比較
表2：ASE系統(tǒng)的加濕成本
03、三種冷卻方案的能耗比較
如下圖3和圖4所示，是根據(jù)冷卻器的運(yùn)行小時數(shù)和PUE所計算得出的三種不同的冷卻設(shè)計方案各自的冷卻功耗和年度運(yùn)行成本。其中已考慮了四個城市不同的能源價格。與紐約和西雅圖的每千瓦時0.08美元的能源價格相比，休斯頓和呂勒奧的每千瓦時0.05美元的低能源價格顯示出了優(yōu)勢。在基準(zhǔn)情況下，總設(shè)施能耗與服務(wù)器能耗的性能比為1.55，這對于所有四處數(shù)據(jù)中心都是相同的。采用空氣側(cè)節(jié)能器情況下的PUE比率低于基準(zhǔn)情況，這表明空氣側(cè)節(jié)能器在大多數(shù)情況下可以降低能耗。此外，PUE的微小變化則能夠帶來非常顯著的節(jié)能效果。由于假設(shè)基準(zhǔn)情景中的冷卻系統(tǒng)操作與氣候條件無關(guān)，因此所有四處數(shù)據(jù)中心的冷卻功率消耗相同，這相當(dāng)于全年冷卻系統(tǒng)運(yùn)行所使用的電功率。假設(shè)冷卻能耗與冷卻機(jī)和節(jié)能器采用時長成比例相關(guān)。冷卻的總耗電量使用冷卻的全功率負(fù)載和每年8760小時計算。運(yùn)營中未考慮冷卻設(shè)備折舊和IT停機(jī)時間。圖4(左)中的結(jié)果表明，空氣側(cè)節(jié)能比基準(zhǔn)情景中消耗的電能少。由于氣候寒冷，呂勒奧的空氣側(cè)節(jié)能提供了最大的節(jié)能效果，而休斯頓的空氣側(cè)節(jié)能所實現(xiàn)的能源節(jié)約最少。上表2中還顯示，呂勒奧的冷卻器采用時長為零，而空氣側(cè)節(jié)能器的采用時間最長，而休斯頓的冷卻器采用時長最長，空氣側(cè)節(jié)能器的采用時間最短。因此，四處數(shù)據(jù)中心的冷卻能耗與不同的氣候條件有關(guān)。
圖3、數(shù)據(jù)中心PUE的案例研究。
ASE系統(tǒng)利用涼爽的室外空氣來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中心的室內(nèi)操作運(yùn)營空間，從而降低冷卻成本。在三種冷卻設(shè)計方案中，空氣側(cè)節(jié)能器與基準(zhǔn)情況相比可以節(jié)省能源;具有較高COP和較低PUE的ASE 2場景比ASE 1節(jié)省了更多的能量。與基準(zhǔn)情況相比，ASE可以節(jié)省高達(dá)35%的電力成本。
但是，有許多因素會影響數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本，特別是數(shù)據(jù)中心所在當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、當(dāng)?shù)氐碾妰r和運(yùn)營政策。在呂勒奧，涼爽的氣候可能有助于ASE系統(tǒng)在一年中的所有時間順利使用。此外，由于呂勒奧享有最低的能源價格和最低的工業(yè)稅率，因此該城市顯然是運(yùn)營數(shù)據(jù)中心的最具冷卻效率的選址地。由于ASE的使用帶來了與濕度相關(guān)的水分問題，因此加濕成本也是不容忽視的問題之一。盡管加濕成本是一筆巨大的費用，但瑞典呂勒奧的ASE方案的結(jié)果表明，加濕成本是總冷卻節(jié)能的27%。
圖4：(左)冷卻功耗。(右)業(yè)務(wù)費用。數(shù)據(jù)中心冷卻功耗和年運(yùn)營成本的案例研究。
結(jié)論
采用垂直方式放置的服務(wù)器機(jī)架進(jìn)行數(shù)據(jù)中心通風(fēng)和氣流管理，可提供有效的熱傳遞，減少氣流壓降，有助于數(shù)據(jù)中心節(jié)能。
影響數(shù)據(jù)中心總能耗和成本的因素有很多，特別是數(shù)據(jù)中心所在當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、當(dāng)?shù)氐碾妰r和運(yùn)營政策以及冷卻解決方案設(shè)計。對于空氣側(cè)節(jié)能器系統(tǒng)，主要因素是氣候條件或數(shù)據(jù)中心選址地的選擇。數(shù)據(jù)中心管理運(yùn)營人員還必須考慮溫度和濕度情況。盡管加濕成本是一筆巨大的費用，但目前的研究表明，寒冷氣候條件所帶來的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濕度調(diào)節(jié)的成本。
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