資料中心建設節能實踐

     綠色資料中心建設包含一整套設計思想和實施方法，而不是簡單地購買節能産品就能實作。最高效的資料中心不一定就是綠色的。建設綠色資料中心需要從整體上把握，考慮選址、環境、實體建築、基礎設施、員工、系統建設和維護等衆多因素。綠色資料中心的節能效果就像是一條長尾曲線，其前端通常由建築群體能耗、伺服器能耗、空調能耗、UPS能耗等“大名額”組成，而曲線的尾部則由氣流組織設計、裝置擺放位置、機櫃和伺服器之間的距離、維護難易程度等無數“小名額”組成。如果沒有整體設計思想和實施方法，即使抓住了全部的“大名額”，也難以達到理想的綠色效果。

     根據資料中心内各類裝置的能耗分析，所謂的“大名額”主要包括IT裝置運作能耗、保證IT裝置運作的配套設施能耗、建築物能耗三個方面。

1. IT裝置運作能耗

     IT裝置能耗是影響資料中心總體能耗的根本原因之一。如何減少IT裝置能耗是各大裝置廠商不斷研究的課題。裝置廠商紛紛推出能耗低效率高的産品，例如，通過改造産品電源，可将産品原有電源效率從70%提高到90%以上。若要進一步降低IT裝置的能耗，IT系統的運維管理也非常重要，例如，關閉閑置裝置，開啟裝置電源智能管理系統，使裝置根據需要自動調節裝置電源輸出能力等。

但多數資料中心在規劃之初，要做到準确規劃IT裝置的具體型号、裝機數量和電力需求具有相當大的難度，尤其是遠期規劃則更加難以預測。是以，在資料中心的規劃建設過程中，隻能依據經驗資料和參照同行業現狀，給出IT裝置的總體能耗名額，設定資料中心的最大服務能力。

2. 保證IT裝置運作的配套設施能耗

     配套設施主要包括供配電系統和空調冷卻系統。經過相關機構對目前世界各地資料中心的抽樣調查所取得的資料表明，配套設施的能耗約占資料中心總能耗的70%，這個數值相當可觀。由于配電系統裝置和空調系統裝置的系統設計、工作方式、系統配置和裝置選型存在明顯差異，對系統的工作效率有很大的影響，是以，配套設施的節能應作為資料中心節能最重要的主攻方向。

3. 建築物本身的能耗

      降低建築物圍護結構能耗是我國政府和相關行業非常重視的問題，近年來出台了相關的規範和建築節能标準。建築物圍護結構能耗在資料中心總體能耗中占有一定的比例，也是節能降耗應該重點關注的一個方面。

      實際建設過程中的情況又是怎樣呢？目前國内多數情況下是通過改造現有建築體來建構資料中心，對建築體本身的“綠色”考慮不足，這也是經常被忽略的一個因素。很顯然，綠色資料中心首先應當是綠色建築。所謂“綠色建築”實際上是一個寬泛的理念，它既包括了建築體本身的“綠色”，同時又要求建築體在其整個生命周期都應該是綠色的，包括廢棄階段。

      資料中心建設在總體設計中，主要從TCO、總體空間規劃、合理氣流組織、系統融合建構等方面考慮節能途徑與節能措施。資料中心的總體設計更需要關注工程初期設計的合理性和适用性，充分考慮到如何在建設期和營運期内降低資料中心的日常營運成本，即能耗成本，同時降低資料中心的TCO，以提高資料中心的整體經濟效用比。

      目前，專業化、高等級的資料中心已從一幢建築體逐漸發展成為建築群體。例如，災難備份中心包括資料中心機房主體建築、動力中心、辦公樓、配套研發樓和生活輔助樓等。資料中心合理的總體規劃、空間與平面布局是依據建設需求進行總體設計的第一步，也是重要的一步。總體規劃确定資料中心的等級規模和系統構成，空間與平面布局确定資料中心機房的場地分隔、工作流程以及建設工藝。現行資料中心采用機房密閉護圍、大空間、少隔斷、适宜的空間容積、人機區域分離、區域集中監控等，這些都是新一代資料中心空間與平面布局所崇尚的設計理念與節能政策。

1.   建築圍護

      資料中心通過精密空調的運作來確定IT裝置運作所需的特定溫濕度環境。是以，資料中心建築圍護的熱工特性是影響精密空調裝置能效的重要因素之一。

      我國地域廣闊，各地氣候條件差别非常大，全國劃分為五個氣候區域，建築節能對不同氣候區域的建築圍護結構的保溫隔熱要求有着不同的規定。

      對于建築體内的資料中心機房區域，其環境溫度和濕度是基于裝置環境的要求和機房設計标準而定的，通常需要在符合《公共建築節能設計标準》的前提下，加強對資料中心機房區域進行建築熱工複合計算和設計處理。同時，根據資料中心所在外部環境、機房區域位置的内外部環境，以及資料中心内各功能區域相鄰布局的内部環境，對IT關鍵裝置區域加強措施，合理計算保溫隔熱的熱工參數，選擇适宜的圍護結構與材料。使用傳熱系數（K）值小的絕熱材料，對頂、地、牆的六方體進行絕熱，以減少圍護結構四周的傳熱系數，整體将資料中心的機房區域包裹起來，可以達到較好的密閉保溫節能效果。

      對資料中心的主機房區域應當采用無窗密閉護圍，以避免和減少進入室内的太陽輻射以及窗或透明幕牆的溫差傳熱，是降低空調能耗的主要途徑和措施之一。對資料中心的支援區和輔助房間等功能區采用有窗玻璃護圍時，應該控制建築朝向及窗牆面積比，采用雙層玻璃窗或low-e玻璃（幕牆），并輔助采用遮陽設施（外遮陽、内遮陽等）來減少太陽輻射量。

2.   空調系統

      資料中心精密空調裝置的主要節能途徑和節能措施包括制冷負荷計算、合理設定參數、送回風方式、選用高能效比裝置、冷熱風預處理以及動态組合營運等。

      計算資料中心制冷負荷包括資料中心機房内裝置的散熱、建築圍護結構的傳熱、太陽輻射熱、人體散熱散濕、照明裝置散熱和新風負荷等。合理控制資料中心區域内的制冷參數，即設定合理的溫濕度。據有關報道，制冷參數變化1℃，可能會産生5%~10%能耗變化。

      高效率地設計和布置送回風方式以及送風與回風通道。選用制冷性能系數和能效比高的空調裝置，應當考慮采用高于《公共建築節能設計标準》規定中建築空調裝置和《計算機和資料處理機房用單元式空氣調節機》規定中精密空調裝置的最低能效比名額。采用冷熱預處理的新風通風換氣系統。适當進行空調裝置組合配置，能夠動态提高制冷系統的效率。對大型資料中心機房空調系統适宜采用制冷性能系數和能效比較高的冷水機組空調系統。

      精密空調系統需要對溫濕度進行精确控制，空調機具有四種功能：制冷、電加熱、加濕和除濕。目前多數資料中心采用多台空調獨立運作模式，可能會産生某些問題：由于産品的非一緻特性、參數設定的不合理以及機房氣流組織的不确定性，可能導緻同一機房内多台空調運作在不同的狀态，即有些空調在加濕狀态而有些空調在除濕狀态，白白消耗能源。針對上述情況，現在大多數裝置廠家推出了精密空調群控系統，使同一機房内的空調系統工作在相同的狀态上，進而避免了能源的無謂消耗。

      也有部分使用者取消了精密空調機内的小功率加濕器，轉而采用獨立大功率的加濕系統，同時根據熱負荷的實際情況自動調節空調風機送風的變風量系統。目前已有廠家推出了這樣的産品，在實際運作中起到了顯著的節能效果。雖然在裝置采購成本上有所增加，相信在不久的将來，随着技術的發展，産品價格會趨于合理。目前還有一些空調方面的節能方案，已經在節能方面取得了可喜的效果，但由于技術和産品價格等原因，還沒有被普遍采用。空調節能主要有以下幾種方式：

      1）自然冷卻系統。利用冬季氣溫較低的氣候條件，通過盤管換熱器為機房提供冷源，節省了空調機組的用電量，這也是目前采用比較多的一種方式。

      2）轉輪換熱系統。利用轉輪換熱技術，在換熱效率上有了較大的提升，節能效果顯著，在新風系統中已有大量的應用，但在機房制冷方面存在裝置安裝、濕度控制等方面的難題有待技術上的進一步完善，目前還停留在實驗階段。

      3）自然風冷卻系統。将冬季室外冷空氣經過處理後直接用于IT裝置冷卻，在冬季較寒冷地區具有非常好的節能效果。但是存在濕度和空氣潔淨度難以控制等問題，該系統的使用還在嘗試階段。

      4）濕膜制冷系統。利用水分蒸發吸熱制冷，主要用于長年濕度較低的地區。目前一些機構正在與廠家聯合研制，并已取得一定的成果。

3.   機房配電系統

      配電系統的節能主要依靠系統設計和産品性能的提高。在系統設計上應當采用适合自身需要的設計，避免過度規劃。在系統配置上，應根據資料中心裝置負載的特性，對系統諧波進行有效的治理。産品性能的提高則有賴于配電裝置生産商的技術進步，在産品的選擇上使用者需要平衡産品性能和價格的關系。對于機房配電系統的建設應關注以下幾個方面：

      a.  應當合理規劃系統備援度，重點關注裝置運作是否處于高效狀态。

      b.  應當關注電力傳輸電纜運作的經濟性選擇，在電纜線損與價格上尋找平衡點。不能隻關注初期投資成本而忽視長期運作的線損。這是資料中心建設過程中長期被忽視的一個問題。

      c.  變壓器應采用損耗低的産品，例如S10型比S9型變壓器的空載和負載損耗低10%。

      d.  功率因數補償。應對配電系統進行功率因數補償，提高自然功率因數。

      e.  諧波治理。供電系統中的無功功率主要是由相位角和高次諧波造成，治理諧波對提高電能的使用效率至關重要。目前治理的方式主要采用增加無源濾波器、有源吸收濾波器和靜止無功發生器等，應根據系統的實際情況合理選擇。

      f.   選擇高效UPS電源系統。目前正常的UPS電源系統的效率基本可達到93%，有些特殊形式的UPS系統效率高達98%。例如飛輪儲能UPS系統，後備電力由高速飛輪提供，省去了蓄電池，在性能提高的同時更加環保，是UPS未來發展的方向之一。但由于後備時間要達到正常系統的相同時間，其産品價格還相當昂貴，目前的使用案例不多。

      g.  選擇高效節能照明燈具和智能照明控制系統。在滿足眩光和顯色要求的前提下，盡量選擇高效燈具。智能照明控制系統可以靈活友善的根據需要控制和管理照明系統。

      h.  合理利用自然光源。根據資料中心的地理位置、日照情況進行經濟性和技術性比較，合理選擇反光及導光系統。目前自然光源導光系統的效率通常在95%，能夠充分利用自然光源。由于導光系統的生産廠家還不多，價格相對較高，其推廣應用受到一定的限制。

注：本文摘自萬國資料新書《資料中心建設管理與指南》