文│江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司 楊軍志 王 珍

1 國內數據中心的能耗現(xiàn)狀

我國“十二五”規(guī)劃綱要已經將節(jié)能減排作為國民經濟和社會發(fā)展的約束型指標，提出2015年國內生產總值能耗要比2010年降低16%的節(jié)能減排指標，并要求到2015年新建大型數據中心的PUE值降至1.5以下。

據工信部統(tǒng)計的最新數據顯示，作為數據中心建設的先導者，中國電信、移動、聯(lián)通三大運營商未來耗電量將超過400億千瓦時。隨著大數據的發(fā)展和云計算時代的到來，各家運營商、金融、證券、百度、Google、騰訊等行業(yè)已在大規(guī)模建設自己的數據中心，其能耗成本往往占數據中心總體運營成本的50%以上。在全社會倡導節(jié)能減排和企業(yè)需要控制成本的背景下，如何節(jié)約能耗和建設綠色數據中心，成為數據中心關注的焦點。

2 數據中心節(jié)能新技術及實際應用

2.1 各種空調制冷技術的比較應用

（1）各種空調制冷方式的比較

目前，市場常見的空調制冷方式有風冷空調系統(tǒng)、風冷冷水系統(tǒng)、冷凍水空調系統(tǒng)三種方式，表1是以5000m2左右占地面積的數據中心采用各系統(tǒng)的對應比較。

（2）各種空調制冷方式的選用

對于中小規(guī)模的數據中心，若用戶考慮設備分期建設投資，一般可優(yōu)先采用風冷系統(tǒng)。

對于較大規(guī)模數據中心，考慮到風冷冷水系統(tǒng)也可集成冬季自然冷功能，不需要另行設置冷卻塔，即可實現(xiàn)自然冷功能，且比水冷冷水系統(tǒng)簡單、可靠，可以優(yōu)先選用。

對于新設計的大型數據中心，由于水冷冷水機組的高能效比，同時在冬季利用冷卻塔實現(xiàn)自然冷功能，能達到更好的節(jié)能效果，且整體生命周期投入少，可建議采用水冷冷水系統(tǒng)。采用此系統(tǒng)前期投資較大，為保障安全性需采用系統(tǒng)管路雙備份及其他保障措施來滿足安全性要求，但從節(jié)能角度出發(fā)，未來在大型數據中心中采用水冷冷凍水空調系統(tǒng)將成為一種趨勢。

表1

有些項目或可采用風冷+風冷冷水雙系統(tǒng)空調或風冷+水冷冷水雙系統(tǒng)空調，既能結合上述三個系統(tǒng)的優(yōu)點，又能提高安全可靠性。

2.2 機房送風與回風方式的比較應用

（1）機房送風方式比較如表2所示

表2

對于高功耗通信機房推薦采用地板下送風方式，對于電力室等低功耗機房推薦采用風帽送風方式。

（2）回風方式比較

目前常用幾種氣流組織方式的具體指標定性比較如表3所示。

表3

采用吊頂回風方式后，其效果更加接近于靜壓箱效果，有利于氣流組織均勻分布。吊頂層相當于一個巨大靜壓箱，它可以很好地將回風動壓轉化成靜壓，穩(wěn)定氣流組織，減小遠近端回風風速、風量差別，使機房整體回風效果平均。隨著機房的發(fā)展，后期個別區(qū)域的設備機架功耗較大，因此可能產生局部過熱現(xiàn)象。吊頂回風可在設備發(fā)熱量大的區(qū)域增加吊頂回風口，增加該區(qū)域換氣次數，提高換熱效率。自然回風很難在回風環(huán)節(jié)上找到解決局部過熱問題的方法。如果采用無吊頂形式，則缺少組織回風，回風效果較差，有可能引起空調近端回風量大及空調遠端回風量較小的情況。同時由于采用無吊頂設計，機房美觀性較差，如圖1所示。

圖1

（3）機房送回風方式選擇

新建機房建議采用鋪設架空地板下送風、吊頂回風（下送上回）的方式，符合熱氣流向上的自然規(guī)律，機房頂部為負壓，下部為正壓，通過靜電地板下送風，在機柜的正面用微孔地板出風，準確將冷空氣送入機柜，形成最佳的氣流循環(huán)，這樣的送風方式首先應確保對設備進行降溫，然后余冷再對房間進行降溫，其他送風方式可以根據情況進行選擇。

2.3 風扇墻技術的發(fā)展應用

風扇墻技術是近兩年在國外較廣泛采用的新興空調節(jié)能技術，風扇墻技術的核心解決了在大風量情況下，新風如何滿足機房除塵和加濕的要求。其最大特點是可通過一套復雜的風扇墻控制系統(tǒng)及相應的風扇將室外自然空氣引入機房并將機房熱量迅速帶走，從而起到少開甚至不開空調，就能達到降低數據中心整體PUE值的效果。其適用對象是較大規(guī)模的數據中心。

其工作原理是根據室外溫度與機房室內溫度溫差，通過相應的進風、加濕、風墻、排風、回風和控制單元及若干風扇組成的一套風扇墻精密控制系統(tǒng)來實現(xiàn)機房節(jié)能。

風扇墻系統(tǒng)有如下三種工況進行操作：

（1）直接冷卻模式（全節(jié)能模式）：當室外溫度低于18.2℃，濕度在35%～65%之間時，且在空氣質量良好的環(huán)境條件下，可采取開啟風扇墻直接冷卻方式。

（2）部分冷卻模式（部分節(jié)能模式）：當室外溫度高于18.2℃且低于28.2℃，或為濕度大于65%時，且空氣質量在良好的環(huán)境條件下，可采取部分開啟風扇墻冷卻模式。

（3）完全制冷模式（普通運行模式）：當室外溫度高于28.2℃，或空氣質量在不良的環(huán)境條件下，可采取完全制冷模式，不開啟風扇墻。圖2是某案例的風扇墻系統(tǒng)。

目前，風扇墻屬于國外的新技術，投資動輒數百萬，使其在國內還沒有成功的應用案例，但隨著技術更新和調控造價，今后在國內將會有廣泛的應用前景。

2.4 新型不間斷電源系統(tǒng)的比較

2.4.1 傳統(tǒng)UPS和DPS之間的比較

傳統(tǒng)UPS根據供電方式可分為在線式、后備式及在線交互式。UPS通常又分為工頻機和高頻機兩種。

DPS分布式電源系統(tǒng)是近兩年出現(xiàn)的新興技術，主要是小容量的UPS及配套蓄電池敷設在機架中，無需建設電力室，提高機柜空間利用率。系統(tǒng)具備高密度一體化的特性，集成電源模塊、鋰電電池儲能模塊、檢測模塊、監(jiān)控模塊，為機架負載提供了一體化供電綜合解決方案。如圖3所示。

圖3

（1）DPS分布式電源系統(tǒng)工作原理

DPS分散供電針對每一個機架單獨提供后備電源，同時采用磷酸鐵鋰電池作為服務器后備電源。在正常情況下，市電直通，模塊向服務器輸出交流電；當電網斷電時，DPS通過轉換開關切換到電池狀態(tài)，后備電池開始工作，給服務器供電。

（2）DPS分布式電源系統(tǒng)特點

①DPS電源系統(tǒng)配置：可分為交流型和直流型，每架配置1臺DPS系統(tǒng)，可根據數據機架功耗和備用電源需求選擇相應DPS類型及容量。

圖2

②高密度一體化：電源電池一體化，單機架獨立供備電系統(tǒng)。標準3U高度，體積小、重量輕?？蓪崿F(xiàn)快速安裝部署，方便建設、擴容。

③DPS系統(tǒng)輸入輸出：DPS系統(tǒng)為雙路相互獨立的輸入輸出系統(tǒng)，可實現(xiàn)真正兩路市電輸入輸出。兩套獨立的電源系統(tǒng)可為雙電源負載提供兩路獨立且穩(wěn)定的電力供給，每一路均可以獨立承擔起全部負載容量。在設備列頭設置交流列頭柜，列頭柜由市電供電，列頭柜輸出2路220V交流電至DPS系統(tǒng)輸入端，輸出電壓可選擇12V、48V、240V、336V等。

④占地面積：DPS系統(tǒng)安裝在數據機柜中，無需單獨設置電力室，提高機房容積率。

⑤承重：DPS設備一般容量最大為6kVA，重量不超過60kg，滿足機柜托架安裝要求，同時滿足普通網絡機房承重要求，可有效降低IDC機房土建中的額外承重及成本。

⑥負載分配：DPS系統(tǒng)負責單獨機架，不涉及功耗分配問題。

⑦擴容性：DPS系統(tǒng)擴容比較靈活，可根據后期設備的交流、直流供電類型以及設備功耗直接進行擴容配置。

⑧維護性：DPS系統(tǒng)具備在線更換功能，在保證負載設備供電不中斷的情況下，可在短時間內完成單臺設備的更換。

⑨主設備支持：DPS系統(tǒng)為常規(guī)供電方式，支持所有廠家設備。

⑩集中監(jiān)控：DPS設備具備多種監(jiān)控方式，可在設備層、上位機、異地終端形成多層面的立體監(jiān)控系統(tǒng)，可通過串口/SNMP形式輸出全部監(jiān)控數據，通過監(jiān)控匯聚、傳輸網絡，將監(jiān)控信息在異地終端進行解析呈現(xiàn)，實現(xiàn)全部DPS系統(tǒng)的異地集中監(jiān)控。

（3）DPS分散式供電與傳統(tǒng)在線式UPS節(jié)能能力分析

①傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)采用N+1冗余方式配置，設備冗余量大，系統(tǒng)內部能量經兩次轉換，利用效率相對較低，系統(tǒng)自損功率約為系統(tǒng)功率的8%。而DPS系統(tǒng)由于采用后備式工作原理，其系統(tǒng)自損基本可以忽略不計，節(jié)約大量的電能。

②DPS系統(tǒng)自身散熱較少，且不需要單獨建設電力室，因此，減少了電力室空調的耗電及Co2的排放。

③DPS產品重量較輕，不需要對機房承重提出單獨要求，在大樓建設初期，節(jié)約了鋼筋及混凝土用量，間接做到節(jié)能減排。

④DPS分散式供電自低壓室至交流分配屏到列頭柜，縮短了電纜路徑，節(jié)約了蓄電池至UPS間的電力電纜，減少了電力傳輸線路上的電能損耗。

⑤DPS系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池，其轉換效率約為95%，而傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)采用的鉛酸蓄電池轉換效率約為80%，磷酸鐵鋰電池更加節(jié)能。

⑥磷酸鐵鋰電池相對于傳統(tǒng)的鉛酸電池，無酸霧溢出，不會對環(huán)境造成污染。

磷酸鐵鋰電池作為新興的儲能電池，克服了許多鉛酸、鎳氫、鎳鎘等電池存在的缺陷，具備眾多性能優(yōu)勢，如表4所示。

DPS系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池作為儲能介質，旨在IDC機房中發(fā)揮磷酸鐵鋰電池在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢，為IDC電源及儲能領域提供新的模式。磷酸鐵鋰電池在IDC備電場景應用中，其節(jié)能優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面：

表4

①配置容量少。IDC機房的電源后備時間多為20～60分鐘，對于儲能電池屬于1C～3C放電，在此放電倍率下，傳統(tǒng)鉛酸電池的放電能力減弱，實際放電容量大幅降低，需要2倍以上于正常配置的容量才能滿足IDC機房的備電需要。而磷酸鐵鋰電池因其具備較好的倍率放電能力，在1C～3C場景下放電效率均高于0.9，無需明顯擴容使用。以30分鐘備電要求為例，鐵鋰電池配置容量是鉛酸電池配置容量的48.7%。具體放電系數如表5所示。

表5

鐵鋰電池倍率放電效率曲線圖如圖4所示。

圖4

②轉換效率高。磷酸鐵鋰電池在能量轉化效率方面高達95%，而傳統(tǒng)鉛酸電池的能量轉化效率僅為80%，高于鉛酸電池15%。在同樣的備電時間下（30分鐘），結合鐵鋰電池倍率放電能力的優(yōu)勢（配置容量為鉛酸電池的48.7%），鐵鋰電池的充電耗能是鉛酸電池的41.2%，在IDC應用場景下，充電耗能方面節(jié)能減排優(yōu)勢更加明顯。

③自放電率低。磷酸鐵鋰電池的月自放電率僅為2%，相比傳統(tǒng)鉛酸電池4%的月自放電率，節(jié)省了2%的能量自損耗。在IDC場景應用下，結合倍率放電及轉換效率的優(yōu)勢，鐵鋰電池在長期浮充耗能方面僅為鉛酸電池的25.6%，大幅減少長期運營的能耗。

④DPS分散式供電與傳統(tǒng)在線式UPS供電整體優(yōu)勢分析。

◆ DPS供電分散至每個機柜，若出現(xiàn)故障，影響范圍較傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)影響范圍減少很多，安全性更高；

◆ DPS產品重量較輕，對建筑結構沒有特殊要求，適用于各類通信機房；

◆ DPS產品由于采用后備式工作方式，且僅進行一次逆變，相對UPS系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)自損功耗，節(jié)約了大量的電能。

⑤DPS系統(tǒng)對溫度要求不高，工作溫度范圍較寬，自身散熱較少，減少了空調的配置數量，節(jié)約了投資，減少了空調耗電。

⑥磷酸鐵鋰電池相對于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池轉換效率高，自放電率低，體積小，重量輕，無污染。

⑦DPS系統(tǒng)安裝方便，建設周期較短。且可進行分批建設，根據用戶服務器進場時間分批開啟設備，減少系統(tǒng)空載時間。

（5）DPS的缺點及小結

雖然DPS系統(tǒng)在系統(tǒng)整體效率、安全性、節(jié)能、占地面積等方面有著多項優(yōu)勢，但由于該技術市場應用時間較短，設備安全性、可靠性還有待進一步考驗，其主要缺點如下：

①目前由于DPS單個模塊在市場上最大功率僅為6kVA，對于功耗較大的機柜區(qū)，無法滿足其使用需求。

②由于DPS模塊設在機柜中，對于維護人員的要求較高，且維護人員必須進入機房區(qū)域方可操作，對于維護和使用操作人員要求分開作業(yè)的客戶，更不愿意混在一起。

③由于DPS模塊及蓄電池均設在機柜內，會有大量的電纜，對于橋架的需求較大。

④由于蓄電池設在機柜內，一般后備時間僅為15分鐘，時間較短，無法滿足需要更長后備時間客戶的需求。

⑤對于該技術目前僅在北京地區(qū)的電信運營商試用1～2年，運行狀況較為良好。相信在不久的將來，隨著國家對節(jié)能的制度更加完善，要求更加嚴格，客戶對機柜利用率的要求等，該技術將會有較好的應用。

2.4.2 UPS和240V直流供電系統(tǒng)之間的比較

（1）高壓直流240V

高壓直流供電系統(tǒng)是相對于傳統(tǒng)通信用-48V低電壓直流供電系統(tǒng)而言的，所以從本質上講還是屬于低壓供電系統(tǒng)，只是在直流供電系統(tǒng)中屬于較高電壓等級。

240V標準的提出主要因為該電壓等級的產品目前在國內運營商，尤其在電信系統(tǒng)近兩年的應用較為廣泛，究其原因首先是電信運營商對節(jié)能比較重視，第二是其敢于嘗試采用新技術來達到提高供電可靠性和節(jié)能的目的，再則現(xiàn)在電信系統(tǒng)所采用的服務器等設備均支持240V直流供電。

（2）高壓直流240V與傳統(tǒng)UPS的對比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。通過圖5可知，傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)需先經過交流/直流變換，再經過直流/交流變換的兩個過程。其存在的問題如下：

①為解決單個UPS電源可靠性不高的問題，一般采用多個UPS并聯(lián)冗余方式供電，增加了用戶的投資成本。

②系統(tǒng)中存在兩個諧波源，對電網和系統(tǒng)本身形成干擾、降低輸入功率因數和利用率等。

③蓄電池位于UPS輸入端，當UPS電源本身出現(xiàn)故障時，蓄電池的作用無法發(fā)揮。

④在UPS電源中，從交流到直流的逆變環(huán)節(jié)是系統(tǒng)中成本最高、可靠性最低、耗能也是最高的環(huán)節(jié)。

⑤UPS系統(tǒng)的效率較低、維護復雜、占地面積大。

◆ 高耗能：單機效率一般在60%～70%之間，1+1并機冗余系統(tǒng)約50%；

◆可靠性低：冗余技術可以使其UPS設備本身的可靠性大為提高，但就整個UPS供電系統(tǒng)而言，有很多不可備份的系統(tǒng)單點故障點，比如同步并機板、靜態(tài)開關、輸出切換開關等，這些單點故障點，都可能導致整個通信系統(tǒng)“掉電”癱瘓；

◆維護、擴容難度大：UPS擴容涉及到電源的頻率、電壓、相序、相位、波形等問題，不像直流電源系統(tǒng)擴容只關注電壓一個參數，所以每一次UPS在線擴容都是一次巨大的風險操作，甚至可能因為UPS制造商產品更新?lián)Q代使得UPS擴容不可能，使得UPS單臺故障時沒有設備替換。

高壓直流240V系統(tǒng)結構及工作原理如圖6、7所示。

圖5 傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)結構

圖6 DC-UPS結構

從兩張圖可看出，能源僅經過AC/DC一次變換，不存在諧波電路，系統(tǒng)的輸出采用直流系統(tǒng)總輸出屏加電源頭柜的二級配電架構，且其備用電源為電池能直接保護負載，其負載供電可靠性取決于電池可靠性。而傳統(tǒng)UPS其整流器輸出接蓄電池組，蓄電池不能直接保護負載，負載供電可靠性取決于UPS系統(tǒng)的可靠性。

（3）240V高壓直流系統(tǒng)的特點

①可靠性高。采用直流供電，蓄電池可作為電源直接并聯(lián)在負載端，當停電時，蓄電池的電能可直接供給負載，確保供電的不間斷。不存在相位、相序、頻率需同步的問題，系統(tǒng)結構簡單，提高可靠性。

交流UPS系統(tǒng)雖然可以用冗余度來提高安全系數，但是由于涉及到同步問題，每個模塊之間必須相互通信來保持同步，而直流模塊無須相互通信來保持同步。所以還存在并機板的單點故障問題。而直流模塊沒有這些問題，即使脫離控制模塊，只要保持輸出電壓穩(wěn)定，也能并聯(lián)輸出電能。

②提高工作效率。直流電源模塊的效率一般都在92%以上，即使模塊使用率在40%，效率也可以達到91%。

③方便擴容維護。采用模塊化結構，支持熱插拔，只要預留好機架位置，維護擴容是非常方便的，而不必就UPS發(fā)生故障時只能等待廠家人員到達。

④不存在“零地”電壓等不明問題的干擾。因為直流輸入沒有零線，因此，也就不存在“零地”電壓，避免了一些不明的故障，維護部門也無需再費時費力去解決“零地”電壓的問題。

（4）UPS交流供電對比傳統(tǒng)220V供電。

UPS與高壓直流240V工作效率對比如圖8、9所示。

（5）總結

①240V直流系統(tǒng)供電與UPS交流供電相比，克服了UPS 逆變器故障、并機控制設備故障等中斷供電的隱患，系統(tǒng)簡單可靠，操作、維護、擴容、改造方便。

圖7 工作原理

②高頻開關電源效率比UPS效率高，直流供電系統(tǒng)配置冗余比UPS配置冗余低，所以240V直流供電系統(tǒng)能耗低，比UPS供電系統(tǒng)節(jié)電25%以上。

③通信用240V直流供電系統(tǒng)在工程建設、維護上優(yōu)于UPS系統(tǒng)，建設成本可降低20%以上。

④雖然240V直流供電系統(tǒng)有著種種優(yōu)點，由于240V直流供電系統(tǒng)僅在電信運營商應用較多且已形成自己的行業(yè)標準，但政企、金融等行業(yè)對240V直流系統(tǒng)的認知度較低，同時由于政企行業(yè)的普通服務器設備有些不支持240V直流供電，所以并沒有采用，他們還是采取傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)。隨著技術的發(fā)展，選擇240V直流供電系統(tǒng)作為不間斷供電電源，將得到大范圍的應用。

2.4.3 傳統(tǒng)UPS和模塊化UPS之間的比較

傳統(tǒng)UPS和模塊化UPS之間的比較，如表6所示。

表6

由于模塊化UPS之間能實現(xiàn)相互冗余備份，其占地面積小，整機效率高，可根據用戶所需實際負載進行配置，可實現(xiàn)較好的節(jié)能效果。

3 提高數據中心能效管理的措施

隨著云計算大數據時代的到來，越來越多的服務器趨向于高密度化、虛擬化，這對數據中心的管理提出了較高的要求。

數據中心提高能效管理的措施：

圖8 DC-UPS系統(tǒng)

圖9 傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)

（1）實現(xiàn)精細化管理?？赏ㄟ^能耗監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對各服務器的功率、電壓、電流、功率因數等參數進行采集、匯總生成報表。通過橫縱向對比，及時發(fā)現(xiàn)高能耗點，使管理思想深入到可操作的細節(jié)中，為精細化管理提供有效的支撐手段。也可通過采用智能精密配電柜和動力環(huán)境監(jiān)控、KVM軟件對服務器進行集中管理，及時發(fā)現(xiàn)高能耗設備并及時采取相應的技術措施。

（2）建立有效的能效模型。通過建立有效的能效模型可實現(xiàn)為空調、UPS等能耗增加時，通過技術手段對設備進行改進，達到基礎設施硬件設備的節(jié)能，使機房整體PUE值的降低。

（3）集成化管理。可通過現(xiàn)有整合電力、制冷及IT設備集中管理軟件管理機房設備，并實現(xiàn)和IT公司的管理軟件互聯(lián)互通，即可實現(xiàn)IT和基礎設施的集成化管理。

4 結束語

隨著未來云數據中心建設和快速化部署的需要，集裝箱和模塊化數據中心以其占地面積小、PUE值低、建設周期短及可擴展性強的優(yōu)勢已逐漸體現(xiàn)。而筆者認為要想真正實現(xiàn)數據中心節(jié)能，除采用這些節(jié)能技術手段外，還應提高數據中心管理人員的管理水平，從科學管理著手，從而真正實現(xiàn)數據中心的節(jié)能。

【1】陳宇通.數據中心規(guī)劃與設計，2011.

【2】房毅.康寧數據中心解決方案，2011.

【3】中國IDC產業(yè)聯(lián)盟網，2013.

【4】中國工程建設標準化協(xié)會信息通信專業(yè)委員會數據中心工作組技術白皮書，2013.