數據中心機房節能降耗技術的應用研究

摘 要：隨著數據中心機房承載業務的不斷擴容，機房中的各類服務器設備的數量逐漸增多，配備的精密空調制冷消耗的能源也在不斷攀升。通過分析能耗增加產生的原因，研究如何在不影響到其中裝載的各類業務系統正常運行的前提下，采取合理的技術有效降低機房的能耗，以實現綠色低碳節能，降低用電成本。

關鍵詞：數據中心；節能降耗；精密空調；機房

近年來，筆者單位完成了對局屬四個部門分散機房的核心設施設備及相關業務系統的遷移整合。整合后的數據中心機房面積有400平方米，圖騰機柜48個，各類服務器、存儲設備、網絡和安全設備300余臺。隨著設備的規模越來越大，技術的高速發展也同時帶來了大量能源的消耗。這其中機房有關設備的電能利用率、效率的低下與技術架構的更新、節能減排的矛盾逐漸加劇。整個機房有幾百臺的各類設備，其所消耗的能耗是巨大的。如果每個設備我們都能想辦法節省一些能耗，那么整體就會節約很多能耗。為此，筆者專門進行研究數據中心機房設備的節能，要在不影響各設備運行業務系統的前提下進行，進行詳細論證，分析機房能源消耗大的原因和提出相應的技術解決辦法。

1 分析機房能源消耗大的原因

1.1 設備數量多，效率低，發熱量大

數據中心機房共有300多臺各類設備，包含單位內部及外部單位存放的服務器、存儲設備、交換機、防火墻、VPN、入侵監測系統、入侵防御系統、防毒墻、堡壘機、日志審計以及運營商電信、移動、聯通、廣電提供線路服務包含的路由器、交換機、光貓、收發傳輸設備等。

在傳統模式下，每增加一個業務系統就需要增加2臺專用服務器和1臺測試服務器，而平時服務器的大量系統資源利用率低下，一般一臺服務器裝有一個操作系統，受系統和軟件開發平臺的限制，CPU、內存、硬盤空間的資源利用率都很低，大量的系統資源被閑置，造成財務成本和系統資源的雙重浪費。系統和應用遷移到其他服務器，還需要和舊系統進行兼容。為節省時間、物力和保持系統部署的順利，只能使用增加物理服務器單獨部署的方法來解決。隨著服務器數量不斷增多，機房耗電量也大大增加，既不符合綠色環保要求，又將給機房供電、制冷帶來一系列的問題。

數據中心機房內需要大量高性能的服務器來高速處理大量業務數據，同時使用大容量的存儲設備來存儲這些數據。部分設備因安裝的高性能中央處理器CPU功耗大，或者安裝了多個處理器同時使用，同時配備大容量內存、硬盤組合，為保障正常使用的需要都配備了雙電源，單電源的功率就達到了1250W。這會進一步增加設備的功耗和發熱量，進而使數據中心機房內部溫度升高，溫度過高會導致服務器等設備或各類業務系統故障。這些設備365天全年無休24小時不間斷運行，這就需要不斷使用空調制冷，因此需要及時給予冷卻降溫。通過安裝的環境監測系統顯示，機房內日常運轉的設備發熱量巨大，經有效測試，即便外部室溫在零下5℃時，如關閉空調，則機房內部溫度在幾小時內就將急劇上升至50℃左右，這將嚴重影響機房設備運轉。

1.2 風道不暢通，影響空氣流動制冷

機房采取下送風上回風的制冷模式，下送風是要在地板上做出風口，地板下當作一個靜壓箱，在每個機柜的正下方對好出風口，使空調發出的較低溫度氣流自下而上流過機柜中的設備，從而將熱量帶走。精密空調吹出的冷風從底部出來，將冷風送向機房內各個機柜設備從而達到制冷的效果，保證機柜中的設備能在一個合適穩定運行的環境溫度下工作。

也正是由于下送風制冷的特點，機房內部署安裝所產生的各類管線，包括空調加濕給水管、凝結水排水管、電源線、網絡線、數據線、信號線等管線都安裝隱藏在活動地板的下方。在機房建成通過驗收后的運轉初期，因為機柜中安裝的各類設備數量少，管線也少，且開始各類設備和管線的布置安裝也是充分得到驗證，能夠保證有足夠的空間給精密空調下送風使用。

隨著時間的推移，各類設備的不斷擴容，后增加的設備管線越來越多。后期的各類升級工程都是根據不同安裝調試單位來組織實施的，缺少一個統一的標準，怎么方便就怎么來做。時間久了，活動地板下的灰塵隨著時間的積累也在逐漸增多，清理起來很困難。如果清理不到位，就會造成一些部位有灰塵聚集，空調的風道會逐漸減少甚至堵塞，從而影響空調制冷效果同時增加空調能耗。

1.3 各區域冷熱不均，制冷效率低下

1.3.1 遠近冷熱不均

由于精密空調制冷范圍的近端和最遠端的距離大約有20多米，距離比較長，中間活動地板下的風道由于各種阻塞和不通暢，使得機房內部遠近各區域溫差較大。也就是說離空調近的區域溫度低，離空調遠的區域溫度就高。

1.3.2 高低冷熱不均

由于機房采取的是下送風，在每個機柜下方留有出風口，空調送出的冷氣是從下往上傳遞。機柜容量大小為42U，高度2米。一般機柜都安裝了10余臺設備，而設備里的散熱風扇基本都是采取的前后方出風散熱，這與冷氣出風口的方向正好垂直。在沒有建立密閉風道時，無法保證讓冷氣足夠進入各設備中間，帶走熱量。加上從下到上多層設備的阻隔，會造成同一機柜下部溫度低，而頂部溫度高的溫差現象。經過實測，大概離地1米以內是可以起到風冷降溫的作用，1米以上就相對明顯會熱一些，2米以上到天花板區域最熱。

1.3.3 內外冷熱不均

單位大樓建筑初期為普通辦公用房，并未考慮建設專業的數據中心機房。大樓內機房和辦公用房混用，建造時為考慮透光性采取了西面沿街方位窗墻比例較大并大量使用了玻璃幕墻，導致夏季大量熱能通過玻璃進入機房，使得空調制冷壓力倍增，空調時常出現壓縮機高壓警告提示。

2 采取可行的技術解決辦法

2.1 關閉閑置機器，淘汰老舊設備

結合網絡安全隱患自查，需要全面梳理各類業務系統、網站、APP、微信小程序等互聯網資產，全面清查“三無七邊”系統，通過系統所對應的服務器的清理，來實現節能減耗的目的。也就是針對無人管理和使用、也無安全防護的系統全面進行清理。對各類測試系統、實驗系統、退網未離網系統、軟件已上線但還未正式交付運維的系統、與其他合作方共同運營的業務系統、責任不清晰的系統、處于衰退期的系統開展全面排查，進行整改或關停。

技術小組對現有負責運維的系統所承載的服務器共計169臺進行逐一梳理。減少測試服務器的使用，能合并的進行合并，暫時不用的保存好數據后進行關機。另外，找出暫時不用和不再使用的老舊業務系統，進行關機。超過使用年限且已損壞無法維修的服務器和相關設備進行報廢處理。

經過仔細排查，技術小組共清理關閉30多臺服務器，目前已全部進行關機處理。按當前的使用量計算，全年預計可節約電費3萬元以上。

2.2 采取服務器虛擬化來實現精簡設備

數據中心機房內現有各類服務器100多臺，運行平均已有8年左右，70%以上的服務器已過硬件質保期，而且有一部分服務器已經損壞，配件停產也無法維修，存在很大的運行風險。另外幾乎每個應用服務器都是單機，如果某臺服務器出現故障，相對應的業務也將中斷。其次是當硬件需要維護、升級或出現硬件故障時，業務系統均會出現較長時間的中斷，影響業務的連續性，其中包括一些重要業務系統，一旦中斷服務影響很大。

針對當前數據中心機房的實際情況，技術小組制訂了服務器虛擬化實施方案。服務器虛擬化就是要利用近幾年配置的性能較高的服務器為主要設備，來實現物理服務器的整合，只要比較少數量的物理服務器就可以運行各類軟件系統的需求。做到不增加物理服務器，不多占用機房空間，提升現有服務器等資源的利用率，同時還需要保障業務連續不中斷。

服務器虛擬化方案采用VMware虛擬化技術對服務器進行虛擬化，并組成兩個虛擬機集群，包括重要業務系統集群和備份集群，從而將多臺物理機轉化為讓CPU、內存、硬盤等硬件都可以做到按需分配的虛擬機資源池，提高資源的利用率，簡化設備管理，實現服務器的整合。在實際運用中，還可以根據業務需要隨時對資源進行調整，分配最合適的運算和存儲資源。通過虛擬化整合，數據中心機房某核心業務系統原使用20臺相關物理機（包含Web應用、數據庫、備份、中間庫、內外網數據轉換、統計分析等專用物理機），現合并成虛擬化的3臺即可。資源利用更加高效，算上淘汰下來的老舊服務器功耗，總計能節約相關能耗一半以上。

2.3 為服務器更換固態硬盤，節能又高效

原服務器設備使用的大容量硬盤大都為SAS接口，每臺服務器都至少裝有2塊硬盤，存儲設備上一般都會裝有幾十塊SAS硬盤，組成RAID陣列來保障數據的讀取和備份。SAS機械硬盤的轉速一般為每分鐘10000轉或15000轉，運行產生的熱量高，功耗較大，且性能僅僅比普通臺式機使用的機械硬盤略高。

現如今，隨著科技的進步，SSD固態硬盤技術逐漸成熟，價格也越來越便宜，采取SATA接口的固態硬盤由于內部不存在任何機械結構，抗震性能非常好，每秒讀寫速度可達600MB，并內置大容量高速緩存，使得程序讀寫整體運行效率大幅提高。特別針對日常使用中頻繁出現的小文件存取，效率比一般的機械硬盤提高了10倍。隨機讀寫的性能，固態硬盤甚至可以達到傳統硬盤的50倍。存儲服務器、文件服務器、數據庫服務器、網站服務器這些服務器對隨機讀寫的性能要求很高，SSD固態硬盤的這種高讀寫性能就可以更好地滿足應用需求。

在合適的條件下，為服務器更換固態硬盤，不僅可以大幅增加服務性能，同時又能降低能耗。經過技術小組測算，如數據中心機房內的設備全部更換固態硬盤可將總體硬盤消耗的能源降為原先的40%以下。

2.4 及時開展空調運行維護保養

精密空調運轉全年無休，是數據中心機房的核心設備。技術小組對空調進行日常例行檢查，組織專業維護人員對設備進行維護保養，做到可以及時發現問題，并且能夠保障空調各項功能的正常運行。

空調運維主要內容如下：

（1）每日例行檢查，各個溫度監測點的溫度是否正常，外機是否運轉正常，有無管道泄露，空調操作面板有無告警信息提示，空調運轉有無異響。

（2）每季度檢查外機，進行外機冷凝器散熱翅片清洗，檢查制冷劑是否需要添加，檢查空調濾網如堵塞嚴重即時進行更換。

（3）春節、國慶等節假日前，進行空調運行情況檢查，確保長假期間穩定運行。

（4）夏天如遇連續高溫，應對室外機進行遮陽，適當采取間歇使用水霧降溫，節約能耗的同時，降低空調故障率。

（5）確保空調雙機設備冗余到位。檢查空調參數設置，確保精密空調雙機聯動，互為冗余運行，以減少故障發生率。

此外，技術小組定期針對精密空調高壓、低壓告警等故障，結合多方因素，認真分析核查故障發生原因，積極予以處理；同時通過改進空調雙機聯控工作模式，并利用PLC對主板參數進行調整，讓空調換個“芯情”守崗，不僅一定程度上降低空調能耗，減少故障發生率，還大大提高空調運行的穩定性和制冷能效。另外，為保障空調供電不間斷，數據中心機房還配備了柴油發電機組，定期進行測試，可為機房空調、服務器等設備提供備用的電源輸入。

2.5 清理風道，調節出風口，增強空調制冷效率

一是定期開啟活動地板。聯系運維人員進入仔細檢查，確保各類強電、弱點、管路線路清晰不擁堵，對正常使用但不規整的進行捆扎，及時清理已損壞的和不再使用的線路，再對地板下的空間進行除塵處理，確保下部風道暢通。

二是除去每個機柜正下方的出風口，在活動地板上增加額外的出風口，并可根據需要隨時開啟或關閉。根據實際情況，在溫度高的區域適當增加底部出風口的數量，合理分配機房精密空調制冷自由出風口位置，盡可能地讓機房空間內各處溫度趨于均衡。

三是在空機柜區取消所有地板風道，在設備密集區增加適量風道。使得冷熱空氣迅速混合，冷通道最大程度地利用空調送出冷量和風量，與設備的發熱量進行交換，有效避免設備出現高溫或局部過熱現象的發生，以降低空調無效部分的制冷功率，達到降耗節能。

2.6 增加制冷空間密閉性和增設保溫層

數據中心機房存在部分區域密封不到位、隔熱效果差也是降低能耗要考慮的重點。單位機房處在蘇南地區，冬季一般最低溫度為零下5℃左右，機房空調運轉壓力很小；但夏季高溫時期比較長，根據近幾年的觀測，夏季高溫連續10天左右都達到40℃的情況也時有發生。因為外墻傳遞進來的熱量非常可觀，所以機房的門要用良好的隔熱材料，窗戶要使用隔熱玻璃，墻面、地面、天花板都要隔熱。技術小組經過研究，針對以下幾方面進行加強：

2.6.1 機房開展保溫隔熱層改造

需要對機房建筑圍護結構進行行之有效的保溫隔熱措施，在機房和外墻窗戶中間增加了一個保溫隔熱層。通過夏季溫度實測室外溫度40℃時，在保溫層后的機房空間，即使沒有空調冷風吹及的地方也只有30℃左右，效果明顯。

2.6.2 改進機房內部的相關設施

機房內的門窗等部件如發現了框架松散、縫隙較大的，可以采取做一些適應性臨時措施，用膠水封堵，用塑料薄膜覆蓋，用其他輔助工具進行加固。門窗使用時間超過15年的，建議更換全新密封性隔熱性好的門窗，來徹底減少通過外墻帶來的額外冷氣損耗。

2.6.3 減少熱輻射和新風節能

機房窗戶一般情況下不得打開，在外部溫度大于機房內溫度時，進出機房要記得隨手關門，以減少熱空氣頻繁進入造成的熱輻射。同時如果使用的是有換氣功能的精密空調，在室內無異味的情況下，可以不開新風換氣，這樣也可以節省一些能耗。

2.7 根據季節合理調節空調溫度

因機房空調一般都是設定在21～25℃。由于內部設備發熱量大，因此精密空調是全年長期處在制冷的狀態下。實際運行中發現，夏天尤其是室外達到40℃時，空調負荷較重，室內如設置為21℃時，空調將長時間處于全速運轉狀態容易造成高壓故障。如能調整到25℃，則能大大減輕空調的負載，空調不用長時間工作就可以達到指定狀態，然后開啟變頻，局部外機風扇停轉，處于休息待命狀態，等溫度升上去再即時開啟運轉。冬天則不影響，空調設置成21℃運轉也很輕松。所以技術小組考慮到上述情況，為降低夏天的空調故障率，保障空調穩健運行同時降低能耗的做法可以是，在不影響機房內部設備正常工作的前提下，夏天可以把溫度適當調高幾攝氏度，來減輕空調的負荷。據有效統計，調高1℃大約能節能空調能耗3%左右。

2.8 盡量采取具有節能指標的設備

數據中心機房在照明、精密空調和供配電設備的選取時，應盡量考慮設備的綠色節能屬性。老舊的設備耗電高，當出現已過使用年限且無法維修或維修費用過高時，應及時考慮采取新設備。尤其是老舊的精密空調，一般來說機房精密空調的使用壽命在8～10年。在長時間的使用后，精密空調就會出現噪聲增大、耗電量劇增、制冷速度慢、經常各類故障報警、出風口異味等不正常的情況，這樣直接影響了日常使用。另外由于空調的各種管路、支架時間長了會腐蝕、生銹、泄露，發生松動、變形、脫落現象，存在一定安全隱患。替換新的精密空調，新設備運轉更可靠，節能技術也更成熟，配合高效率的變頻和負載均衡功能，能有效降低能耗，提升制冷效率，確保機房內各設備更穩定運行。

另外，針對數據中心機房當時部分設計的照明均為普通燈管，使用已超過10年，燈管、整流器故障頻發。技術小組根據當前綠色環保節能的設計，全部更換成低功耗低發熱量的LED照明，照明這部分的功耗也可以縮減為原先的1/5。

結語

做好節能降耗工作，建設好綠色、低碳、高效的數據中心機房是當前信息化建設不容忽視的目標。改造過程中不斷地實現了既保證原有系統的正常穩定運行，又減少了運行維護所需要的人力物力，也節約了相應的投入成本。隨著各項技術方案的順利實施，數據中心機房設備以及精密空調的用電量已得到很大改善。經過1年來的實踐持續完善，已初步實現節能將近30%。

參考文獻：

［1］戴新強，李榮康，陳萌，等.蘭州某核心樞紐機房節能改造［J］.暖通空調，2023，53（01）：8387.

［2］陳鳳，陳皓，陳曉.老舊大型數據中心節能挖潛的應用研究［J］.電信快報，2022（10）：4346.

［3］許成炎，閆秀英.基于變流量解耦的制冷機房節能優化研究［J］.制冷技術，2022，42（04）：4753.

［4］楊秀琴，曹慶.對傳統建架IDC機房節能改造模式的探討［J］.電信快報，2022（03）：1013.

［5］韓廣宇.某辦公樓制冷機房節能改造項目運行能效分析［J］.制冷與空調，2022，22（02）：6469.

［6］王銘祥.數據中心機房節能運行現狀與問題分析［J］.現代工業經濟和信息化，2022，12（01）：262263+266.

［7］應寅.淺析數據機房節能技術策略［J］.智能建筑與智慧城市，2021（10）：110111.

［8］陳飛虎，廖曙光.某電信機房節能改造全年能效的熱力學分析［J］.建筑熱能通風空調，2021，40（10）：5558.

作者簡介：沈鑫（1981— ），男，江蘇常州人，研究生，高級工程師，研究方向：信息化機房管理。