文｜快威科技集團有限公司總工程師 姜 平

浙大網(wǎng)新能源技術(shù)有限公司 梁國峰

1 數(shù)據(jù)中心簡介

數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，在人們的生產(chǎn)、生活等信息化的今天，隨著城市信息化建設(shè)的發(fā)展及數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用和推廣，信息量在飛速的增大，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，使數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也日趨膨脹，越來越多的數(shù)據(jù)中心機房不斷建成并投入使用。

數(shù)據(jù)中心運行的穩(wěn)定和流暢非常重要，數(shù)據(jù)中心是電力設(shè)備，在穩(wěn)定的電源供應(yīng)下，實現(xiàn)為人類無間斷的細致服務(wù)。數(shù)據(jù)中心放置的數(shù)據(jù)設(shè)備像個人用的PC機一樣甚至要求更為精細，需要適宜的溫度、濕度和清潔度。為此，我們?yōu)閿?shù)據(jù)中心機房提供了穩(wěn)定電源設(shè)備UPS和控制環(huán)境條件的機房空調(diào)系統(tǒng)，而這些設(shè)備致使IDC成為耗電“大戶”。

2 數(shù)據(jù)中心維護需求

社會向前發(fā)展是令人興奮的，然而，支持人們生產(chǎn)發(fā)展的動力燃料——常規(guī)能源，已經(jīng)漸漸處于緊缺狀態(tài)。它的不可再生性，使我們的對應(yīng)方式只有兩種：一是尋找更替能源，建立新的能源供應(yīng)及服務(wù)體系；二是節(jié)能，改善原有體系，或建立新的體系，使之合理高效化，實現(xiàn)節(jié)能。常規(guī)能源漸漸成為珍貴資源，然而，相關(guān)的既有系統(tǒng)不僅存在效率問題，也存在環(huán)境問題。水源污染、大氣污染、溫室效應(yīng)已經(jīng)成為人們普遍關(guān)注的問題。特別是溫室效應(yīng)，致使CO2的排放問題已成為人們的焦點問題。

數(shù)據(jù)中心作為耗電設(shè)備，隨著其規(guī)模的不斷增大（“電力消耗量”也隨之急劇的增加，預(yù)計2025年將達到現(xiàn)狀的5倍），其相關(guān)的節(jié)能課題也成為人們關(guān)注的熱點。

數(shù)據(jù)中心的支持和維護的電力消耗量約占IT系統(tǒng)消耗的50%，即PUE（Power Usage Effectiveness，評價數(shù)據(jù)中心能源效率，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比）為2.0。另外，企事業(yè)單位的數(shù)據(jù)中心不斷擴大，也使得數(shù)據(jù)中心空間變的擁擠，大量熱量需要處理，這需要大負荷的空調(diào)來提供冷源。目前的空調(diào)系統(tǒng)，常見的為地面向上吹出。由于空氣密度、IT設(shè)備的放置情況的原因，該空調(diào)系統(tǒng)下的機房很容易產(chǎn)生熱空氣滯留區(qū)，并且不能依靠需求分布冷量分配，這樣使得IT設(shè)備的運行條件在被滿足時消耗了大量的能量去平衡。

總之，在保證IT設(shè)備電源不間斷，環(huán)境處于適宜的溫度、濕度和潔凈度的條件下，使IDC的運行更加節(jié)能，成為現(xiàn)在和未來IDC建設(shè)的主要使命。

3 綠色數(shù)據(jù)中心（GIDC）

在前面所述的背景下，浙大網(wǎng)新、日本富士電機和浙江大學聯(lián)合提出了解決IDC耗能及對IDC實施新管理的理念和方案，即綠色數(shù)據(jù)中心，以實現(xiàn)IDC在更佳的運行環(huán)境里實現(xiàn)節(jié)能運行。方案的節(jié)能目標主要是在保證IDC中的IT設(shè)備在更加良好的運行環(huán)境條件下，將PUE從普遍的2.0降到1.5。節(jié)能化處理主要從空調(diào)系統(tǒng)入手，UPS系統(tǒng)有良好改善，但節(jié)能效果不如空調(diào)系統(tǒng)顯著，如圖1所示。

下節(jié)將主要從IDC的兩大組成電源系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)及整體來闡述GIDC的方案設(shè)計。

3.1 電源系統(tǒng)

3.1.1 采用全IGBT式的UPS

（1）適合計算機負載

采用最新的IGBT的PWM方式整流器，最新的電路設(shè)計，該整流器輸入高次諧波含有率低：標準5%以下（不需另設(shè)過濾器）；具備電源軟啟動功能（備用發(fā)電機連接軟負荷UPS）；高頻PWM逆變器，最適合計算機負載功能；整流器負荷時的波形失真小，在3.5%以下；電壓瞬間變小。

（2）高效率

◆ 輸入功率因數(shù)高：達0.99以上，減小了電感、電容等引起的無用功率；

◆ 效率達94%以上，低負荷（30%）地區(qū)也有約90%的高效率，從而減少能耗。

（3）高性能

◆ 常時逆變器方式提供無瞬斷供電；輸入電壓范圍廣：380V，15%；

◆ 過載能力：125%，10分鐘；150%，1分鐘。

（4）高可靠性

圖1 GIDC節(jié)能計劃圖

采用最新器件，減少部件數(shù)量；應(yīng)用單元化縮短MTTR；篩選試驗、Baintesuto、高品質(zhì)管理；豐富的業(yè)績、高品質(zhì)證明；可長時間電池標準對應(yīng)（用標準的整流器可長時間對相應(yīng)電池充電）；豐富的系統(tǒng)對應(yīng)，旁路同時無瞬斷切換系統(tǒng)。

3.1.2 采用智能配電盤

開發(fā)了電流傳感器，裝備了內(nèi)藏分支電流斷路器和高密度多點型電力收集裝置，配合智能化管理系統(tǒng)及監(jiān)測各個IT設(shè)備運行的負荷狀況的分電盤。對增設(shè)IT設(shè)備最適合的配電、配置進行指導。如哪個分電盤的哪個分支斷流器進行配電；在哪個區(qū)域進行設(shè)置，電力的三相平衡及空調(diào)狀況等自動演算，找到最適合的配電路徑及配置方式。通過合理的配電，使用電效率提高，如圖2所示。

圖2 智能分盤實物圖

采用智能分電盤后，會使系統(tǒng)用電達到平衡，作為添加或更替設(shè)備位置的參照。其平衡性對比，如圖3所示。

圖3 分電盤效果對比圖

3.2 空調(diào)系統(tǒng)

3.2.1 局部空調(diào)

空調(diào)方式采用先進局部空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)和新風通風系統(tǒng)。運用電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器和空調(diào)工程技術(shù)進行產(chǎn)品的開發(fā)，廣泛地應(yīng)用于社會基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。在以這個技術(shù)要素為基礎(chǔ)成長的GIDC領(lǐng)域中，展開了對于必要的負荷有“提供必要的最合適的空調(diào)”的特色的解決方案。

在數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)的機柜配置通常分為冷區(qū)和熱區(qū)。傳統(tǒng)的機房氣流構(gòu)成是從基礎(chǔ)空調(diào)機流出，通過地板下部，從計算機前面的冷區(qū)流入計算機。計算機處理時產(chǎn)生的熱源通過機柜背面的熱區(qū)從天花板向基礎(chǔ)計算機循環(huán)。

而新開發(fā)的“局部空調(diào)系統(tǒng)”沒有基礎(chǔ)空調(diào)機和熱氣滯留層、只通過局部空調(diào)機進行機房的冷量供應(yīng)和空調(diào)作用?？梢哉f，IT設(shè)備哪里需要冷源，局部空調(diào)就會送到哪里。合理的能量分配和空調(diào)方式，使得電耗明顯降低。

3.2.2 新風系統(tǒng)

目前，一般的數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)都是沒有新風系統(tǒng)的，有效的利用新風系統(tǒng)將有助于：

（1）機房內(nèi)的空氣質(zhì)量，數(shù)據(jù)中心機房按標準必須保證工作在正壓狀態(tài)，在沒有新風系統(tǒng)的情況下，數(shù)據(jù)中心機房在長期運行的狀態(tài)下，將不能保證機房處在正壓狀態(tài)，同時還會出現(xiàn)缺氧狀態(tài)，對進入機房工作的運維人員的身體會造成損害，合理的設(shè)置新風系統(tǒng)將有效的改善這種情況。

（2）對于處于高緯度的地區(qū)，在過渡季節(jié)和冬季，完全可以利用新風來對數(shù)據(jù)中心機房進行散熱處理，這樣可以大大的降低數(shù)據(jù)中心的能源成本，有效地節(jié)約能源（一般可以節(jié)能30%以上）。

解決方式：

◆ 通過熱交換將窗外冷空氣通過交換供數(shù)據(jù)機房使用，停止室內(nèi)空調(diào)機的運行，使運行電能消耗大幅降低；

◆ 結(jié)合智能化管理平臺解決新風均勻送風問題。

3.2.3 低品位熱能利用系統(tǒng)

IT設(shè)備的熱量處理，可以回收利用。在IDC中設(shè)置換熱器，通過換熱器，冷媒通過管道通向IDC管理工作室，由空調(diào)末端為工作人員提供熱量。該空調(diào)系統(tǒng)無制冷工質(zhì)，無壓縮機。噪音小、耗能小，取代了工作人員的室內(nèi)空調(diào)或中央空調(diào)末端，減少了電能耗，又除去了IDC中的熱量，為IT設(shè)備散了熱。該系統(tǒng)使熱量利用大大提升，節(jié)能效果顯著。

3.3 虛擬化管理

虛擬化管理采用跨平臺的虛擬化、自動化和系統(tǒng)管理解決方案，達到簡單、動態(tài)地訪問和管理資源，以實現(xiàn)更好的資產(chǎn)使用率和更低的運行成本。應(yīng)用虛擬化技術(shù)可以實現(xiàn)整個硬件資源的安全共享，從而避免基礎(chǔ)設(shè)施的無謂增加。通過虛擬化進行基礎(chǔ)設(shè)施整合，可以大大的提升系統(tǒng)的利用率（目前數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)利用率是非常低的），從而提高投資回報。

另一方面，在多服務(wù)器的基礎(chǔ)上，我們通過“云計算”方案，實現(xiàn)服務(wù)器用戶待處理數(shù)據(jù)的高速處理，為用戶提供賞心悅目的高質(zhì)量服務(wù)。

4 結(jié)束語

浙大網(wǎng)新、日本富士電機和浙江大學聯(lián)合提出的解決IDC耗能及對IDC實施新管理的理念，即綠色數(shù)據(jù)中心（GIDC），通過總體智能策略，通過先進的電子技術(shù)改善UPS的性能，先進的空調(diào)策略和末端裝置提高空調(diào)系統(tǒng)對IDC的空調(diào)效率，以及實行新風和熱量再利用方法，結(jié)合提出的虛擬化管理，對IDC的運作都有較大的改善，對能量的節(jié)約也是革新性的。經(jīng)過應(yīng)用后，該系統(tǒng)方案及GIDC的理念一定會被廣泛推廣，成為IDC的主流配置。