一種節能的新結構數據中心

文/北京北洋華誠新能源科技發展有限公司 陳慶洪

一、數據中心節能形勢

隨著大數據時代的到來，數據中心愈建愈多，愈建愈大。據統計，全球正在服務的服務器多達5500萬臺以上，最大的數據中心總功率達到100萬千瓦以上。節能被提上日程。據2019年工信部、國家能源局和國家機關事務管理局三部委聯合發出24號文件要求，新建大型數據中心PUE值不高于1.4，改造的數據中心PUE值不大于1.8。國際上在積極探索各種降低數據中心PUE值的方法：微軟把服務器扔到海里，說是真正的“水冷”；KOLOS則把全球第二大數據中心建在北極圈以北；聯想為北京大學建了一個水冷數據中心；許多單位把數據中心建在貴陽，利用貴陽的低溫空氣來降低PUE值；阿里云在浙江利用水庫底層的低溫水源做冷源，建造了據說PUE值達到1.1的數據中心。由此可見，節能是當前數據中心面臨的重大問題。

微軟把服務器沉到海里

二、新結構數據中心

我公司經過多年的研究，發明了一種節能的新結構數據中心，起名為“北洋云”，其PUE值可輕易做到1.1以下。如果全國現有數據中心按此方法改造，每年可節電費67億元以上。

下面介紹北洋云數據中心的結構及節能原理。

把成千上萬臺服務器工作時的熱量帶走是機房散熱的具體任務。我們發明的新的數據中心機房結構——北洋云數據中心機房，其原理是：先用密封機箱把服務器保護起來，再用風扇吹風冷卻。自然風到處都有，取之不盡，用之不竭，所以比其他任何方法都節能，做到PUE<1.1。

普通云機房與北洋云機房結構對比圖

普通云的冷卻過程：

① 經過濾冷卻的冷風從進風口進入機房；②經風口進入機箱內帶走熱量，同時留下部分塵土；③流出機箱；④流出機房。

北洋云的冷卻過程：

① 室外空氣經過紗窗被吸入機房；②經風扇吹至密封機箱表面帶走熱量，同時留下部分塵土在機箱表面；③被抽風機排出機房。

從上圖可見：

普通云機房結構：風冷機箱服務器+密封機房。

散熱方式：用空調（熱泵）把服務器熱量泵出去。

北洋云機房結構：密封機箱服務器+風冷機房。

散熱方式：用風扇+自然風把服務器熱量帶走。

三、北洋云PUE值計算

以下圖北洋云的一個機柜為例，其標配是：裝10臺2U服務器，每個機柜標配3臺50W風扇，一個10W功率的LED照明燈。

主機總功率：每臺服務器500W, 主機總功率10X500=5000W。

輔機功率3X50+10=160W。

PUE=5160/5000=1.032。

剩余的0.068（340W）作為機房排風及濕度調節、安保系統用。

全國在使用的服務器有500萬臺，以平均功率500W/臺計，全國服務器總功率為500x0.5=250萬千瓦。如果PUE值從1.4降為1.1，則：250×0.3×8760=65.7億千瓦時。如以工業用電價1元/度計，全年可節省電費65.7億元。

北洋云機房的建設成本要比普通云低，普通云機房建設要100%保供電+100%保供水+空氣過濾。北洋云機房建設只需100%保供電。

四、北洋云實際運營測試數據

自冷密封機箱服務器實際工作的溫度測試：

把1#—6#服務器放在機柜上，每臺服務器都用魯太師測試軟件CPU加100%負載，測試CPU溫度。結果如下表：

運行中的北洋云機柜及冷卻風扇

服務器NO 1# 2# 3# 4# 5# 6# 平均機箱表面溫度 37.4 30.1 35 33.8 37.8 35.7 34.97機箱內氣溫 35.4 31.7 32.8 34.4 35.6 31.8 33.62 CPU溫度 54-55 55-54 58-56 54-55 49-48 53-52室溫(oC) 26 26 26 26 26 26 26開機時間 1:15:00 1:15:00 1:15:00 1:15:00 1:15:00 1:15:00風速（m/s) 2.3 2.4 2.2 2.5 2.2 2.5

1.在2～3m/S風速時，服務器密封機箱散熱已能滿足要求。此時，機箱內空氣溫度在31～36之間，平均33.62oC。機箱外表面平均溫度35oC左右。而所有CPU溫度都在75oC以下（在100%負載條件下）。

2.機箱內空氣平均溫度與室溫之間的溫度梯度約為8oC。這說明，即使在室外空氣溫度35oC的情況下，機箱內空氣溫度亦只有35+8=43oC<50oC，符合CPU的環境溫度要求。

因為自然風隨處可得，使用自然風+風扇的冷卻方式是最經濟的。

但是，這樣做的前提是必須使用具備散熱功能的密封機箱，才能避免塵土對服務器機芯的污染。而這正是北洋云所具有的核心技術。北洋云因為使用了自冷密封機箱技術，確保服務器機芯不會受到自然風中所含塵土的污染，節能效果顯著的自然風冷卻技術才能在數據中心機房中推廣應用。

五、電氣固廢大幅度減少，更加環保

普通云現在流行的使用的各種服務器都是使用風冷機箱，由于空氣塵土污染，5年折舊報廢，產生大量電氣固廢，污染環境。目前全球在用的服務器有6000萬臺以上，5年折舊報廢，平均每年產生1200萬臺服務器固廢。北洋云采用密封機箱結構，服務器工作在超凈環境中，使用壽命可延長至30年以上。（美國1979年發射的旅行者號航天器，到現在已經40年了，它的電腦系統還在工作。）北洋云服務器的折舊可達10年以上。所以，北洋云產生的固廢要比普通云減少一半以上，這是北洋云對環保的另一種貢獻！

六、機房空氣含塵量標準要修改

因此，我們在這里提出修改標準問題。美國通信行業協會 TIA 942數據中心通信設施標準，中國國標GB50174-2008中規定：A級和B級主機房的空氣含塵濃度，在靜態條件下測試，每升空氣中大于或等于0.5μm塵粒數應少于18000粒。現在，這條規定成了推行以自然風冷卻機房節能技術的障礙，所以，建議修改標準。把上述標準從“要求”改為“建議”。或者，干脆取消。這樣，以后設計數據中心機房時，就可以不考慮機房空氣過濾的問題，因而可以節省大量投資。