中小型數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造

周福斌，吳 澤，張 鑫

（中國人民解放軍66389部隊(duì)，河南 鄭州 450000）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心具有可靠性高、可用性好、資源利用高效以及運(yùn)維管理便捷等優(yōu)勢，大大提升了信息服務(wù)質(zhì)量效益，為人們應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈以及物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心高速發(fā)展的同時(shí)，其能耗不斷增加。根據(jù)國家能源局調(diào)查數(shù)據(jù)，2020年我國數(shù)據(jù)中心耗電量突破2 000億kW·h，創(chuàng)歷史新高，能耗占全國總用電量的2.7%。據(jù)專家估計(jì)，2025年我國數(shù)據(jù)中心耗電量將超過3 800億kW·h，將占全國總用電量的4.05%?；诖?，降低數(shù)據(jù)中心能耗，建設(shè)和改造綠色數(shù)據(jù)中心勢在必行[1,2]。

1 中小型數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面存在的問題

根據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會技術(shù)委員會的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，數(shù)據(jù)中心各部分用電量主要集中在服務(wù)器、空調(diào)制冷、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）損耗、照明以及其他方面，占比分別達(dá)到46%、31%、8%、4%以及11%。

1.1 UPS損耗較大

UPS作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電源動(dòng)力，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，工作時(shí)，整流器和逆變器都會產(chǎn)生功率損耗，從而造成一定的能源消耗。UPS的功率損耗和UPS效率有直接關(guān)系，UPS負(fù)載率與效率曲線如圖1所示。

圖1 UPS負(fù)載與效率曲線

由圖1可知，UPS的效率與負(fù)載率成正比關(guān)系，負(fù)載率越低，則效率越低，同時(shí)損耗就越高[3]。中小型數(shù)據(jù)中心普遍采用N+1臺UPS所組成的冗余供電系統(tǒng)來向IT設(shè)備供電，所有UPS處于并機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。從實(shí)際應(yīng)用情況看，普遍存在UPS負(fù)載率較低、UPS損耗較大的問題。例如，機(jī)房4臺負(fù)載容量為500 kV·A、12脈沖UPS并機(jī)運(yùn)行，當(dāng)實(shí)際容量只有500 kV·A時(shí)，此時(shí)4臺UPS并機(jī)工作時(shí)每臺UPS的負(fù)載率為25%，查詢負(fù)載效率曲線可知此時(shí)UPS的效率僅為85%，其余15%的電都變成了損耗。

1.2 冷卻系統(tǒng)能耗高

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)是能源消耗的大戶，服務(wù)器、存儲、路由交換等IT設(shè)備運(yùn)行會產(chǎn)生大量的熱量，如果冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障且15 min內(nèi)得不到有效的解決，將面臨大量服務(wù)器宕機(jī)甚至燒毀的危險(xiǎn)。數(shù)據(jù)中心冷卻一般分為水冷和風(fēng)冷兩種方式，其中風(fēng)冷系統(tǒng)因系統(tǒng)簡單、可靠性高以及投資低等優(yōu)點(diǎn)受到中小型數(shù)據(jù)中心的青睞，但普遍存在兩個(gè)問題，即降溫效率低和智能化程度偏低。大多數(shù)送風(fēng)機(jī)房中，空調(diào)送風(fēng)和服務(wù)器排風(fēng)扇形成的氣流是垂直關(guān)系，難以保證空調(diào)送出的冷量有效進(jìn)入服務(wù)器機(jī)柜，造成氣流組織不合理、降溫效率低且能源利用率不高[4]。空氣在整個(gè)機(jī)房的大空間內(nèi)循環(huán)，對不同發(fā)熱量的機(jī)柜和設(shè)備統(tǒng)一冷卻時(shí)，冷量分配不夠科學(xué)，智能化程度不高，尤其對新增的高密度機(jī)柜的冷卻效果不佳，導(dǎo)致局部機(jī)柜過熱，設(shè)備運(yùn)行溫度較高，能耗增加。

1.3 IT設(shè)備能耗居高不下

IT設(shè)備能耗高主要表現(xiàn)在3個(gè)方面，具體如下。

（1）設(shè)備老舊導(dǎo)致能耗高。大部分老舊中小數(shù)據(jù)中心已經(jīng)運(yùn)行近10年，當(dāng)時(shí)采購安裝的計(jì)算設(shè)備、存儲設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中未考慮節(jié)能的問題，部分老舊設(shè)備在性能相同的情況下能耗要高出3～5倍。隨著節(jié)能理念的提出和人們對節(jié)能問題的普遍認(rèn)知，計(jì)算設(shè)備、存儲設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等的高能耗問題逐漸凸顯出來。

（2）設(shè)備資源利用率低導(dǎo)致能耗高。部分中小數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理過程中存在各部門自管軟硬件的情況，臨時(shí)部署設(shè)備和系統(tǒng)、1臺服務(wù)器承載1套系統(tǒng)的情況普遍存在，有的設(shè)備長期CPU利用率只有20%左右，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心存在資源閑置情況，同時(shí)部分服務(wù)器只是周期性運(yùn)行一些應(yīng)用，其余大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，且24 h不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，在資源利用效率低的同時(shí)，造成能耗居高不下。

（3）技術(shù)體制落后。中小數(shù)據(jù)中心普遍缺少虛擬化、云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，沒有對設(shè)備運(yùn)行負(fù)載情況和資源利用情況進(jìn)行有效監(jiān)控，缺少按照時(shí)間、資源利用情況的靈活資源整合調(diào)配和設(shè)備按需休眠等節(jié)能策略，使得能效較低，能耗相對較高。

1.4 其他因素

除以上因素之外，還有一些因素也會對數(shù)據(jù)中心能耗造成一定影響。

（1）照明能耗較大。部分中小型數(shù)據(jù)中心采用傳統(tǒng)的燈具照明和控制方式，燈具本身功率較高、能耗較大，同時(shí)傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方式無法達(dá)到人走燈滅的節(jié)能效果，導(dǎo)致照明能耗偏高。

（2）運(yùn)維人員缺乏節(jié)能理念。部分中小型數(shù)據(jù)中心人員缺乏節(jié)能理念，機(jī)房進(jìn)出隨意，每次進(jìn)出造成多余熱量涌入機(jī)房，導(dǎo)致能耗增加。

（3）機(jī)房隔熱效果差。中小型數(shù)據(jù)中心普遍存在機(jī)房墻面隔熱效果不佳、門窗密閉性不良、墻壁和地板隔熱處理不好等情況，尤其對于南方夏季氣溫較高的地域，造成較大的能源損耗。

2 關(guān)于數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施思考

2.1 UPS節(jié)能改造

針對UPS損耗情況，可以采用UPS新技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和解決。

（1）應(yīng)用綠色休眠技術(shù)。針對UPS損耗較大的情況，在中小數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造過程中可以將老舊的UPS系統(tǒng)替換為具有綠色休眠技術(shù)的UPS系統(tǒng)，即在UPS低負(fù)載的情況下根據(jù)實(shí)時(shí)總負(fù)載情況自動(dòng)計(jì)算應(yīng)投入運(yùn)行的UPS數(shù)量，在保證N+1冗余供電情況下使多余的UPS自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（2）采用模塊化UPS。模塊化UPS具有可擴(kuò)容、平均故障修復(fù)時(shí)間短以及能夠?qū)崿F(xiàn)N+X冗余功能等優(yōu)點(diǎn)，可以按照實(shí)際容量確定機(jī)房UPS模塊應(yīng)用的數(shù)量，從而提升UPS的運(yùn)行效率，在保證數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)行的同時(shí)有效減少UPS損耗[5]。

2.2 冷卻系統(tǒng)節(jié)能改造

針對大部分中小型數(shù)據(jù)中心采用上送風(fēng)或者靜電地板下送風(fēng)等冷卻方式導(dǎo)致部分機(jī)柜過熱、整體能耗持續(xù)較高的情況，可以進(jìn)行冷卻系統(tǒng)節(jié)能改造。

2.2.1 精確送風(fēng)技術(shù)

精確送風(fēng)技術(shù)是一種全封閉冷風(fēng)管道的送風(fēng)方式，可以應(yīng)用于上送風(fēng)和下送風(fēng)等主流冷卻方式中，將空調(diào)機(jī)組送出的冷風(fēng)經(jīng)過靜壓箱、送風(fēng)管或風(fēng)帽、調(diào)節(jié)閥以及支風(fēng)管等裝置直接送入機(jī)柜內(nèi)[6]。其中，調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)機(jī)柜內(nèi)溫度等參數(shù)智能調(diào)節(jié)每個(gè)機(jī)柜的送風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)精確送風(fēng)，按需為IT設(shè)備提供冷量進(jìn)行冷卻，在提高冷卻效果的同時(shí)節(jié)約能耗[7,8]。上送風(fēng)空調(diào)的精確送風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 精確送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

精確送風(fēng)技術(shù)能對傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式進(jìn)行有效改進(jìn)和優(yōu)化，通過隔離冷熱氣流達(dá)到精確送風(fēng)的目的，能夠解決局部過熱、空調(diào)制冷效率低下等問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

2.2.2 熱管背板空調(diào)技術(shù)

背板空調(diào)技術(shù)的原理是將冷空氣吸入機(jī)柜對設(shè)備進(jìn)行降溫，吸熱后的空氣流向安裝在機(jī)柜背部的冷卻盤管，熱空氣與冷卻盤管進(jìn)行熱交換，將熱量傳遞給換熱器內(nèi)的制冷劑，溫度降低后的冷空氣從背板吹出，從而完成機(jī)房空氣循環(huán)。熱管背板空調(diào)能夠大幅降低機(jī)房能耗，顯著提高綜合節(jié)能效率，能使電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）從2.2～2.4降低至1.5以下[9]。

2.3 IT設(shè)備運(yùn)行節(jié)能改造

針對IT設(shè)備能耗高的問題，可以采用以下3種方式進(jìn)行節(jié)能改造。

（1）逐步優(yōu)化機(jī)房空間。對機(jī)房機(jī)架空間進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，將現(xiàn)有計(jì)算設(shè)備、存儲設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等進(jìn)行分門別類，合理規(guī)劃機(jī)架空間并進(jìn)行科學(xué)部署，逐步優(yōu)化機(jī)房布局和設(shè)備安裝方式，確保氣流運(yùn)動(dòng)通暢。

（2）逐步更新?lián)Q代設(shè)備。針對部分老舊、能耗較高的設(shè)備進(jìn)行逐步更新?lián)Q代，將其替換為采用節(jié)能技術(shù)且能耗較低的節(jié)能設(shè)備，同時(shí)將占用空間較大、能源消耗較高的塔式服務(wù)器更換為刀片式服務(wù)器。

（3）加強(qiáng)高新技術(shù)應(yīng)用。注重應(yīng)用虛擬化和云計(jì)算等高新技術(shù)，通過虛擬化建立計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源池并搭建云平臺，應(yīng)用容器和虛擬機(jī)按需調(diào)配資源，通過策略配置進(jìn)行智能管理。在夜間大部分系統(tǒng)運(yùn)行不頻繁或者不運(yùn)行等資源利用較低的情況下，通過虛擬機(jī)自動(dòng)遷移技術(shù)將系統(tǒng)集中運(yùn)行到部分服務(wù)器的虛擬機(jī)上，從而使部分服務(wù)器自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在提高資源利用率的同時(shí)，大大降低設(shè)備能耗[10]。

2.4 其他節(jié)能措施

針對其他因素對數(shù)據(jù)中心能耗造成的影響，可以采用以下3種方式進(jìn)行節(jié)能改造。

（1）改造傳統(tǒng)照明系統(tǒng)。采用新型節(jié)能燈具代替能耗較高的傳統(tǒng)燈具，用聲控、光控等智能控制方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)控制方式，有效解決“長明燈”等問題，從技術(shù)手段上減少數(shù)據(jù)中心照明能耗。

（2）規(guī)范機(jī)房管理。制定和完善數(shù)據(jù)中心機(jī)房管理規(guī)定，細(xì)化機(jī)房進(jìn)出流程，降低人員進(jìn)出機(jī)房頻次，減少多余熱量涌入導(dǎo)致的制冷能耗增加情況。此外，制定節(jié)能效果與運(yùn)維指標(biāo)掛鉤機(jī)制，使節(jié)能理念深入人心，增強(qiáng)節(jié)能效果。

（3）做好隔熱處理。對機(jī)房墻體采用保溫、隔熱、防潮材料進(jìn)行處理，同時(shí)將密閉和隔熱性不良的門窗更換為具有良好密閉性和隔熱性的門窗，并對地板和天花板等進(jìn)行隔熱處理，減少熱交換，降低能耗。

3 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心能耗問題日益突出，中小型數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造是大勢所趨。本文從UPS、冷卻系統(tǒng)以及IT設(shè)備等方面對中小型數(shù)據(jù)中心能耗較高的問題進(jìn)行了分析，對其節(jié)能改造進(jìn)行了探討和思考。通過綜合分析節(jié)能措施，從而推動(dòng)數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)發(fā)展。