一、 引言
隨著當今全球經濟和信息化的發展，越來越多的數據中心開始投入使用，數據中心正成為新的耗電大戶。根據美國環保署報告，2006 年美國的數據中心累計消耗610 億kw 時，約等于580 萬個美國家庭的用電量。我國在2009 年國內服務器的保有量已達366 萬臺左右，如果以每臺服務器的平均綜合功耗為800 W（據 EYP 對數據中心機房的能耗調研分析可知,IT 設備及網絡通信設備能耗占總能耗50%，即服務器用電400 W,制冷等輔助用電400 W）來計算，每年由這些服務器所產生的耗電量約為256 億千瓦小時。今后幾年，數據中心還將可能發生爆發式增長。鑒于能源的有限性，建設節能型的綠色數據中心將成為必然趨勢。
二、 數據中心的能效比PUE
全球IT 行業的專家們定義了許多數據中心能效模型，其中比較有影響的組織是綠色網格組織（Green Grid）。2007 年2 月，綠色網格組織（Green Grid）制定了數據中心的能效比指標PUE（PowerUsage Effectiveness），PUE=數據中心總用電消耗/IT設備能源消耗。
根據IBM 的相關理論，PUE＜1.6 視為綠色數據中心的標志之一。我們知道，數據中心總能耗=制冷用電負荷+供配電能耗+IT設備能耗，IT設備能耗是用戶根據需求選型，選型應該充分考慮IT設備的能效比、IT設備所允許的工作溫度和濕度范圍的寬窄，這兩方面對數據中心的節能有非常重要的作用。下面我將從供配電能耗、制冷用電負荷能耗兩方面分別闡述。
三、 供配電能耗
數據中心機房的供配電能耗主要集中在輸入變壓器、ATS 開關所組成的UPS 輸入供電系統、由UPS及其相應的輸入和輸出配電柜所組成的UPS 供電系統。它們的功耗約占機房總功耗的10%左右。其中7%左右來源于UPS 供電系統所產生的功耗，3%左右來源于UPS 輸入供電系統系統所產生的功耗。所以，降低供配電能耗的關鍵是降低UPS 系統的能耗。
1. 使用高效率UPS
一般情況下，數據中心常用的中大功率的三相UPS 有三種結構：第一種是6 脈沖整流UPS，輸入功率因數約為0.8。電能中用于做無用功部分較大，效率相對較低；第二種是12 脈沖整流并選配諧波濾波器的條UPS，輸入功率因數可達到0.95。但缺點是設備量幾乎增加1/3，增加了投資和占地面積；第三種是高頻機結構UPS，在不加任何外來設備的情況下，輸入功率因數大于0.99，效率非常高。此外，工頻機結構UPS 大都配有輸出變壓器，在多機并聯時就會出現多個變壓器的并聯。變壓器并聯的缺點是存在環流，環流的長期存在將導致設備壽命縮短。高頻機結構UPS 因沒有輸出變壓器，幾乎沒有環流。通過以上對比，高頻機結構的UPS整體性能最優，效率最高。但是，即使是在高頻機結構UPS 問世已經15 年后的今天，高頻機結構UPS仍沒有得到廣泛應用，這的確是個讓人深思的問題。
2. 使用高壓直流供電
一般IT 設備的電源模塊的輸入端沒有工頻變壓器，所以輸入直流不會產生短路阻抗。因此我們就可以用直流電源代替交流電源，也就沒有必要用UPS。如果在輸入的直流配上蓄電池，輔以遠程監控，構成一個可靠的直流供電系統，就可取代UPS 交流供電系統,供電原理如圖1 所示。
圖1 供電原理圖
通過測試, IT 設備二次電源基本上是一個恒功率設備。當交流220 V 供電時,它的等效直流電壓為200 V。如果將交流220 V 改為直流260 V 供電, 相當于電壓提高了30%。也就是說,此時的輸入電流下降了30%。設交流額定輸入時,電流為I。則直流輸入時,電流為0.7 I。
熱量計算
根據熱量計算公式：Ｑ＝ＫＩ²×Ｒ×t
K：電能轉換成熱能系數；
R：整流管等效電阻；
t：電流通過的時間。
設一個周期時間為T，則：交流輸入時，單個整流管在一個周期內的平均熱量為：
Q=K(3I*3I)*R*(T/6)/T
＝K1.5(I*I)*R；
直流輸入時: Q=K(0.7I*0.7I))R*T/T
=K(0.49I*I)*R。
顯然, 當整流管等效電阻R 一定且整流管長期工作時, 發熱量只有交流輸入狀態下的1/3。整流管等效電阻R 也不是一個常數，根據二極管的伏安特性，直流輸入狀態下的R 也比交流輸入狀態下R小，因此發熱量會更少。
從以上計算可以得出，高壓直流電源供電發熱量少，需空調制冷的功率少，因此可以降低數據中心的能耗水平。目前，該項直流高壓供電技術已在中國電信江蘇分公司成功應用。
3. 使用飛輪技術
飛輪技術是一項新技術，被視為標準酸性鉛電池或標準UPS 的替代品。在國外，大型數據中心為追求更好的綠色節能效果，會采用飛輪替代傳統UPS方案。飛輪的作用是提供30 s 左右的短暫斷電，直到數據中心柴油機發電器啟動。飛輪通過7 700 轉/分鐘的轉動存儲大動能，需要時可借助雙向IGBT 電源轉換器瞬間釋放。一個單獨飛輪可支持一個150千伏安UPS，按照75%的載荷連續運行30 s。飛輪儲能作為一種機械儲能的方式，比傳統化學蓄電池的效率高8%左右，達到了98%。
飛輪的優勢體現在環保優于鉛酸蓄電池，其體積小巧，更加節省空間。此外，飛輪更加持久耐用，使用壽命達20 年，可在0°～40°攝氏度溫度下工作。從而不必配用成本昂貴的空調，具有非常出色的節能環保的效果。
以雅虎“雞舍”數據中心為例，雅虎“雞籠”的每個“雞翼”大約消耗3.6 兆瓦電能。各排機柜以200 千瓦的增量為一組，每一部分都由從Active Power 公司定制的旋轉飛輪提供電力支持。據透露，這個項目的每兆瓦可節省電費5 000 000 美元，冷卻的節省是其中一個主要因素。
四、 空調系統用電負荷能耗
空調系統是數據中心機房能耗的第二大戶，由它所產生的功耗約占數據中心機房所需總功耗的37%左右。其中25%左右的功耗來源于空調的制冷系統所產生的功耗，12%左右的功耗來源于空調送風和回風系統所產生的功耗。降低空調系統能耗的主要任務是降低空調系統中各種電機功耗，并且要充分利用自然冷源。
1. 采用變頻電機節約能源
設計院在設計數據中心空調系統的制冷能力一般是按外部環境溫度最高（夏天）、負載最大狀況下設計的，這樣可使空調系統全年絕大部分時間在負荷不飽滿狀態下運行。另外，大型數據中心的IT 負荷從零到滿載也需要相當長的時間。還有，IT 負載的能耗與網絡訪問量或運行狀態相關。因此，水冷空調系統中所有電機（冷水機組電機、冷卻塔電機、水泵電機等）需采用變頻系統，這樣可以節約大量能源。比如，對于風機和水泵類設備，輸入功率和這些設備的轉速的三次方成正比（由流體傳輸設備水泵和風機的工作原理可知：水泵和風機的流量與其轉速成正比；水泵和風機的壓力（揚程）與其轉速的平方成正比；水泵和風機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵和風機的軸功率與其轉速的三次方成正比）。降低水泵和風機的轉速，那么其功率可以下降得更多。例如：利用變頻器使電機供電頻率由50 Hz 降為40 Hz，則P40/P50=（40/50）³=0.512通過變頻電機的節能效果特別明顯（P 為電機軸功率）。
2. 免費冷卻技術
免費冷卻技術指全部或部分使用自然界的免費冷源進行制冷，從而減少壓縮機或冷凍機消耗的能量。
目前，常用的免費冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，數據中心的選址應該在天氣比較寒冷或低溫時間比較長的地區。在中國，北方地區非常適合采用免費制冷技術。
數據中心在環境溫度較低的季節，將室外空氣經過過濾后直接送入機房作為冷源，也能節省大量能源，稱為風冷自然冷卻。這種自然冷卻方式原理比較簡單，成本也比較低，但要克服空氣潔凈度、濕度、結露等問題。
五、 綠色節能數據中心的建設實例
該數據中心位于上海浦東新區，一期主樓建筑面積約18 000 m2，其中機房面積約5 000 m2。在進行數據中心的前期設計時，決定采用空調冷水機組+板式換熱器相結合的制冷方案。該數據中心的最大特點使用自然冷卻方案，自然冷卻設計可以充分利用室外天然冷源，節省冷水機組的運行費用。自然冷卻分為部分自然冷卻和完全自然冷卻兩種運行模式。設計冷凍水供回水溫度是11.5℃～17.5℃，當冷卻水供水溫度低于16℃時，可以手動轉換至自然供冷模式，此為部分自然冷卻模式。當冷卻塔的溫度足以產生 10℃ 冷卻水時，冷凍水機組將關閉，冷卻塔將通過使用換熱器實現“自然冷卻”。基于上海的氣象參數統計，一年中26%的時間可以利用自然冷卻。其中14%的時間(1 230 h)為100%自然冷卻，12%的時間(1 064 h)為部分自然冷卻，如表1 所示。
表1 自然冷卻參數表
本項目設置兩個相對獨立的制冷機房，每個冷凍機房有三臺4 395 KW 的高壓離心式制冷機，二用一備。冷凍水供回水溫度設定為11.5℃～17.5℃。考慮前期負荷較小，為避免離心式冷水機組在低負荷時發生“喘振”現象。系統配置兩臺2 965 KW 的低壓離心式制冷機，一臺1 934 KW 的低壓離心式制冷機。
該數據中心工程采用的另一個節能技術是冷通道封閉技術。封閉冷通道技術是將冷空氣和熱空氣分別隔離，來保證冷熱空氣不會混合。經過美國采暖工業協會及專家測試發現，只有IT 設備的入口溫度才是衡量數據中心溫度最為重要的指標。冷通道封閉技術對保證IT 設備入口溫度處于相對較低水平具有重要意義。具體做法就是將空調產生的冷空氣封閉在機柜的進風側，以提高空調制冷效率的技術。封閉冷通道可以給機柜內創造一個相對穩定的、有利于設備運行的微環境冷通道封閉，各部分如圖2 所示。
圖2 冷通道封閉示意圖
冷通道封閉要求注意以下幾點：一是封閉空間必須符合消防要求；二是通道封閉部分應做到嚴密。機柜內未安裝設備的位置，應安裝盲板；三是根據機柜內設備的密度及功率大小，計算確定冷通道的體積。
冷通道封閉技術已經比較成熟，在國內其它一
些數據中心已開始使用。如蘇寧南京數據中心、阿
里巴巴試驗機房、建設銀行武漢災備中心數據機房
等。
此外，該數據中心工程的空調二次水泵、冷卻塔風機、精密空調風機等可采取調速措施。根據負載大小及環境情況進行調速，可大大降低能源消耗。
六、 我國綠色數據中心建設現狀及建議
在我國，綠色數據中心建設起步較晚，進展比較緩慢，基本上還處于初始階段，還沒有真正以綠色數據中心為設計主旨的工程案例。我國目前數據中心的PUE 平均值基本在1.8～2.0，中小規模機房的PUE 值更高，大都在2.5 以上。這表明國內數據中心在前期規劃及設計時，沒有充分考慮綠色數據中心的建設問題。在數據中心選址、機房裝修、空調制冷、UPS 等影響節能的因素上存在設計缺陷，
導致PUE 值偏高。而國外早已走在我們的前列，如雅虎“雞窩”式數據中心的PUE 為1.08，Face book數據中心的PUE 為1.15，谷歌比利時數據中心的PUE為1.16，惠普英國溫耶德數據中心的PUE 為1.16，微軟都柏林數據中心的PUE 為1.25 等。
我國綠色數據中心建設水平和國外相比差距較大，原因是多方面的。我認為主要為以下幾方面：一是沒有出臺強制標準的相關政策，數據中心建設單位對綠色建設的積極性不高；二是綠色數據中心前期投資較大，數據中心建設單位存在一定的資金壓力；三是數據中心建設的決策者以安全性和可靠性作為第一要務，對綠色數據中心技術的可靠性持懷疑態度；四是綠色數據中心的建設勢必會減少某些公司的利潤，技術創新動力不足。其中，最重要的還是綠色數據中心的強制標準。我國相關職能部門的決策者應根據我國數據中心建設的實際情況，盡快制定出綠色數據中心的強制標準并加以實施。只有這樣，我國的綠色數據中心建設才能獲得長足的發展。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://m.hanmeixuan.com/
本文標題：淺談綠色數據中心建設
相關文章
