下一代綠色數據中心該怎么建?

【編者按】

英特爾在全球建有近百個數據中心，這些數據中心涉及了從芯片設計、內部辦公、產品制造測試到企業管理等多方面的工作。如何讓如此多的數據中心更高效地為自己工作，同時又能順應節能環保的要求?英特爾的相關工作人員進行了大量的研究和摸索，特別是針對數據中心運行中兩大能耗的部分——制冷與配電，英特爾采取了盡可能節能的措施，并進行了大量的前瞻性研究。本報特約來自英特爾的資深工程師，請他與讀者分享在新一代綠色數據中心建設和管理方面的經驗。

隨著IT技術的不斷發展，以及業務與IT日益密切的聯系，當前的數據中心正面臨著成本、整合、能源管理等一系列挑戰，并正在經歷著巨大的轉變。在綠色數據中心建設方面，英特爾公司持續創新，通過多年的積極探索取得了不少成功經驗。

優化數據中心布局降低能耗

傳統的數據中心服務器平均使用率都不高，采用了虛擬化和云計算以后，數據中心整體的IT效率能夠提高很多。除了虛擬化以外，英特爾對于數據中心的建設還進行了其他一些方面的探索。

比如傳統的數據中心的散熱方式是通過使用空調，冷熱空氣的通道通常不會封閉。進入云計算以后，數據中心內的服務器，特別是一些刀片式服務器，密度變得非常高，所以需要針對性地提高散熱效率。而提高散熱效率最好的方法之一就是采用冷熱空氣通道分離，同時封閉冷熱通道。如果為了達到更加有效的散熱效率，還可以更進一步防止冷熱空氣的混合，比如采用煙囪式機柜這樣更嚴密的封閉方式。

封閉冷熱通道以后有會有什么好處?好處在于可以提高空調的整體效率。根據英特爾在自己數據中心的實踐發現，采用了封閉冷熱通道之后，可以盡可能地提高回風溫度，從而實現了冷水機整體能效比系數提高10%。(見附表)

很好地隔離冷熱通道，會取得高的回風溫度，從而增加服務器前后端溫度差，這能在相同熱負荷的情況下減少風量，同時也可以降低風機轉速，從而減少它的功耗。因為當風機轉速降低一半的時候，它的功耗只相當于原來的八分之一。另外一方面，提高回風溫度，可以隨之提高水溫，通過加大進出空調機組的溫度差，可以減少水泵的消耗功率，并能極大地延長自然冷卻的時間。

但是這個方法并不適于風冷型的散熱系統，也即直接蒸發式的系統。因為這種直接蒸發式的系統，提高回風溫度雖然可以適當地提高壓縮機的工作效率，但是由于過高的回風溫度，可能會引起壓縮機長時間的高壓運行，反而容易出故障。

讓大自然成為最好的空調

為了讓數據中心更加節能，英特爾一直在考慮如何盡可能地利用自然冷卻源。研究發現，在全球適合自然冷卻的區域，都可以用自然冷卻源對數據中心進行降溫。比如北京，全年平均氣溫在16℃，適合自然冷卻的時間超過40%。像2010年一直到4月底，北京室外都很冷，完全可以給數據中心進行自然冷卻。

利用室外冷空氣自然冷卻，主要分成間接和直接的兩種形式。

根據英特爾的經驗，采用自然冷卻的方式，在北京每年大概可以達到40%到60%的時間不需要啟動機械制冷。在保障數據中心相對封閉的環境下應用間接的自然冷卻，完全可以避免室外空氣的濕度和潔凈度對于室內的影響。

間接自然冷卻方式，分為三種方式:

第一種方式，是以冷凍水機房專用空調系統，配合適用于冬季自然冷卻的逆流型大冷卻塔(比夏季工況用冷卻塔容量要大3～4倍，以便盡可能延長自然冷卻的時間)，以及隔離冷凍水系統及冷卻水系統的板式熱交換器，英特爾在美國波特蘭的數據中心就是采用的這種設計方式。

以北京為例，屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬夏時間長，且全年大部分時間空氣干燥，濕球溫度遠低于干球溫度，理想的可以使用自然降溫的室外干球溫度，即全年平均12度以下的時間可以達到45%。如果使用冷卻塔加板式熱交換器的方式，更可以利用室外濕球溫度自然冷卻。當冷卻塔設計的容量足夠大時，全年自然冷卻的時間更可以達到60%以上。

第二種方式，就是用帶有自然冷卻盤管的干冷氣乙二醇方式。它的工作原理是為室內機設計了兩套盤管，一個盤管是氟利昂的，一套盤管是可以走冷凍水的。

這套系統有什么特點呢?就是有利于水冷系統的應用。過去，只有當數據中心規模足夠大，才可以有條件去設計水冷機組。但是如果數據中心的規模沒有那么大的話，水冷系統對于整個數據中心的投資造價就太高了。

通過采用這種方法可以很好地解決上述問題，到了夏天的時候，它的干式冷卻器能起到冷卻水的作用，到了冬季的時候，它的干冷器就變成產生冷凍水的作用，然后通過兩套兩通閥來調節水是經過板式熱交換器的冷凝器還是經過冷凍水盤管，這樣的話也可以實現自然冷卻。這種自然冷卻方式有一個很大的優勢就是它可以混合制冷，當室外溫度低于數據中心機房回風溫度的時候，也可以進行自然冷卻。也就是說，從室外回來的水，可以先經過冷凍水盤管，然后再進行機械冷卻，這樣，每年的自然冷卻時間可以非常長。以北京地區為例，可以達到50%甚至于更長的時間。

第三種方式，使用轉輪式熱交換器。這種方式是利用轉輪內填料的儲能功能，讓轉輪在兩個封閉的風道內緩慢旋轉，被室外空氣冷卻的填料冷卻室內空氣。英特爾協助KPN在歐洲設計了世界上第一個采用這種冷卻方式的數據中心，相比傳統方式，它每年可以節省800萬歐元的數據中心運營費用，并減少了大量的CO2排放。

除了上述這些間接自然冷卻方式外，還有一種是直接采用室外空氣的自然冷卻方式，英特爾在美國新墨西哥州建的數據中心，就是用的這種方式。

這種方式直接利用了室外空氣，可以在24℃以下的環境進行自然冷卻。但是這種方式對空氣含塵量要求比較高，需要復雜的除塵處理，并需要專用的空氣處理機來保證足夠的風量供應，所以通常不能使用傳統的機房專用空調。同時，采用這種方式會使機房內相對濕度很難控制在數據中心要求范圍內，因此對服務器的品質有很高的要求，不適于對數據中心可靠性要求特別高的用戶。

無論設計采用何種自然冷卻方式，對于用戶來說投資都會增加70%到100%，但是它的運營成本相對會比較低，每年TCO增長也會低于傳統的數據中心。按照英特爾現有數據中心建設的經驗: 如果多投入的成本能在3～5年左右的時間內通過降低能耗及相關費用的方法來收回的話，那么這些投入還是非常值得的。

在數據中心采用自然冷卻方面，目前英特爾還在做一些新的探索。比如英特爾在美國設計了一個實驗機房模型——雞舍式數據中心。雞舍式數據中心的設計靈感來自于養雞場，雞舍里大量的雞自身身體發出熱量，使得雞舍中空氣膨脹，空氣膨脹以后產生向上的動力，驅動整個雞舍中的空氣自然流動，而不需要任何機械的幫助。通過這樣一個原理，把服務器機柜中服務器散發的熱量收集起來，讓進入數據中心的空氣被服務器散發的熱量加熱后自然上升，此時只要建一個足夠高的煙囪讓熱空氣往上升，就可以帶動空氣流動，從而完成散熱循環。用這種方式數據中心可以在全年的大部分時間內，直接靠服務器散發的熱能產生動力自然散熱，這種散熱方式特別適合我國東北這樣的地區。不過，采用這種方式，同時也要注意處理好除塵，維持數據中心內部含濕量的最低要求。

配電環節再省電

除了在上述兩方面以外，英特爾在數據中心的配電節能方面也進行了一些探索。比如英特爾現在正在探索用一些智能技術給服務器供電。例如在數據中心里會大量使用UPS供電，UPS每次轉換都有能耗。英特爾采用高壓直流的設計，把UPS轉換次數節省到一次，節省轉換的能耗。在國內英特爾與一些用戶已經在做一些相關的測試和應用。一些國內的通信運營商也在做一些相關的實驗和測試，甚至已經制訂了數據中心直流供電的標準。

采用高壓直流供電可以節省7%左右的配電部分能耗，考慮到這部分能耗還要散熱到數據中心內，如果節省下來，將帶來的綜合節能效果可以達到12%～15%以上，而且還能夠節省數據中心的占地面積，提高場地利用率。這種技術目前面臨的主要問題是缺少成熟的產業鏈支持，建設成本還比較高。