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摘要:针对国内数据中心 PUE 值偏高问题和新一轮节能改造的需求,业内用户和专 家纷纷提出多种

解决方案, 本文作者深入分析数据中心常规制冷解决方案中地板下送风和冷热通道模式隐含 的问题,提出

通过配用通风强化防静电地板等简单易行的方法, 来解决由于刀片服务器、 虚拟化等技术的 应用所带来的

数据中心高热密度负荷问

题及整体能耗飙升等系列难题。

一、冷却成为数据中心最有价值计划 随着电子信息系统机房 IT 设备高度的集成化,其能源效率偏差以及机房散热量日渐趋 高的现象开始受

到了各界强烈关注。 据权威部门统计,我国高端服务器集中的通信行业耗电在 2007 年就已达到 200 亿度以 上,信息产业俨 然已经成为一个高能耗行业。而服务器又是现在数据中心机房的核心,并且 24 小时运行。 以我国服务器保 有量为 200 万台,按每台服务器平均功耗 400 瓦,每年的耗电总量约为 80 亿千瓦时。 根据中国电信节能技术蓝皮书所载, 一般机房内芯片级主设备 1 W 的功耗会导致总体耗电量达到 2.68-2.84W, 而其中机房空调冷却系统的耗电量约占机房总能 耗的 40%。由

绿色网格组织(Green Grid)所提出的电力效率指标 P U E 数值( Power Usage Effectiveness)是通过计算机房的总能耗与所有 IT 主设备能耗的比值而得出的。故可估算上 述机房的 PUE 值至少为 2.68-2.84。由此推算,我国数据中心机房消耗到空调冷却系统的能量至少为 84 亿 千瓦时。这也 就意味着为服务器提供冷却的机房空调系统能耗大约能达到我国空调设备每年总能耗 1/4! 据称:Google 公司的数据中心 PUE 年平均值可以达到 1.21,中国 Hp 的新一代数据中 心体验中心机房夏 季 PUE 值可以达到 1.6-1.7。这一指标如何实现?

据美国电力转换公司 APC 最近的统计数据显示,数据中心的冷却成本大约占总能源账 单的 50%。而国际 组织 Uptime Institute 指出,由于数据中心机房内气流不适当,用于冷却的冷空气有 60%都浪费了;数据 中心的过度冷 却(overcooling)差不多达到实际需求的 2 倍,目前多数机房存在过度冷却问题,相应的机 房空调机组耗 能也比设计工况增加耗电 50%以上,最终造成机房居高不下的高额运行费用。

故此——优化数据中心冷却是排在第一位的最有价值的绿色计划! 二、数据中心高效节能冷却解决方案 由于现代电子信息系统机房中的空调负荷主要来自于计算机主机设备、 外部辅助设备的 发热量,其大 约占到机房空调总负荷的 80~97%;而在服务器、存储、网络等主设备中服务器的份额又大 约占到设备散热 量的 80%。所以随着服务器集成密度的持续增高,服务器机柜设备区就成为了机房内主要 的热岛区域。从

机房基础架构而言,国家标准《电子信息系统机房设计规范》GB 50174-2008 规定: “当机柜或机架高度大于 1.8m、设备热密度大、设备发热量大的电子信息 系统机房宜采

用下送风空调系统。 ”而下送风空调系统是将抗静电活动地板下空间作为空调系统的送风静 压箱,空调机

组由通风地板向机柜、 设备等热负荷送风。 可是机房内空调冷却系统的送风按照流体力学伯 努利原理所陈

述的气流特性——“风速大的压力小”表明,受此特性制约的空气流会呈现靠近空调机组的 通风地板出风

量较小; 又由于机房空调系统的靠近空调机组的前部通风地板已然输送出了一定的风量, 后 部的通风地板

的送风量即会显现有所减少; 而到了地板末端又相反; 又因为现有数据中心机房面积为了规 模效应而愈建

越大, 一般安置的机房空调机组的方式是长距离的气流对吹, 由此会出现在抗静电地板下产 生风压相抵、

通风地板送风量减小的现象。

从以上分析可见将抗静电活动地板作为空调系统送风静压箱进行设计时, 其参数选定的 误差可能会很

大, 这必将导致机房投入运行时主设备运行的安全性、 可靠性及机房整体能耗表现得差强人 意。

现代机房在设计空调冷却系统的送风气流时一般是参照设备发热量、 机柜前后温差, 以 及地板高度和 地板下有效断面积等因素,再按照空调机组送气量的 30-40%来计算通风地板开口面积;并 且规定用于机柜

冷却的送风口必须能够提供大于机柜冷却所需的风量。 理想状态下机房内活动地板下的送风 风压按照送风 静压箱的设计模式姑且认定均匀风压为 20Pa 左右;机房通风地板送风风速按照国家标准要 求取值 3m/s;在 实际应用中选用通风率(通风量)高达 25%的通风地板,则当处于理想流体状态下的单个 通风地板理论上 可以供应的最大送风量约为 500 立方英尺/分钟(849.45m3/h)或是其能提供约 3.125kw 的 制冷量。而现实 运行中的机房通风地板最好的送风风速也就是 1.5m/s;这就严重影响了空调系统的冷却效 果,使机房空调

、以致整个机房的能效偏低。 由于现在机房服务器类负荷的最高散热量近年来已攀升至每机柜 20KW 以上;而原有 地板下送风机房精 密空调系统理想送风状况下的机房单位面积最大供冷量为 4KW/㎡(更大供冷量所配置的空 调机组送风量也

相应增大,其送风风压足以把地板给吹起来) ,已无法满足其需求;并直接制约着高集成度 IT 设备在电子

信息系统机房行业内的推广应用。 另外,现在 IT 行业服务器应用中普遍存在利用率低下的现象,从而引致现有的数据中

心机房诸多能效 问题。 IT 行业多是采用虚拟化技术来整合服务器和存储设备, 故 以图机房 PUE 值得以降低。 但是如果 IT 部 门对其服务器和存储进行了虚拟化,将 IT 电力消耗减少了以后,事实上很可能会产生更加 不利的电力使用 效率。譬如将机房内部分服务器进行了虚拟化应用,虽然能够降低 IT 设备电力消耗大约 20%,但如果不改

变机房现有基础架构和使用面积, 就无法避免机房出现过冷现象, 也就无从降低机房空调系 统能耗。这会 使得 PUE 值反而升高。所以 IT 业界进而采用更直接的手段——测定服务器的利用效率,以 图改善单纯采用 PUE 能效值进行机房能效评估所造成的误导。 另外还有的是采用 SPEC 芯片利用效率测试工 具类型的软件来 监测 IT 设备的数据处理流量/秒(或数据吞吐量/秒)与 IT 设备的功耗之比的技术。 随着 IT 虚拟化技术的大量应用,机房内势必会出现散热点趋向于关键的、主要运行的 高热密度设备转

移的现象。导致机房内会出现少量高热密度的热岛区域,而其它非主要(辅助运行)设备区 域的空调环境

冷却需求度相对却较少的状态。 此时如果不改变机房现有基础架构和使用面积, 并为了避免 主设备宕机或

使用寿命的减少而必须维持机房内的少量高热密度散热点微环境状况不超标, 就无法避免地 出现机房整体 区域过度冷却的现象。造成机房能耗及 PUE 能效值显现得奇高。 据 Uptime 学会统计目前全球 85%以上数据中心机房存在过度制冷的问题。针对机房过 冷问题,在最近 的调查显示数据中心机房实际提供的冷量平均是热负荷所需冷却功能的 2.6 倍; 即使这样机 房出现过热部 位的可能性还是达到了 10%。所对应的机房空调机组耗能也比设计工况增加能耗大约 50% 以上。

上面所陈述的机房实际状况说明现代空调系统按照整体区域平均冷却模式设计的机房 空调环境如应用

于高热密度或高散热量的负荷就无法避免地采用了过度冷却方式, 导致机房能耗超高, 能效 值差强人意。

这也意味着机房环境空调冷却领域必须进行相应的按需冷却理论和应用方面的创新, 以应对 服务器等类型

的机房主设备发展需求和社会对其能源利用效率的要求。

针对上述数据中心机房能效现状,我们提出具体的解决方案是:首先,通过对整个数据 中心的红外温

度热场分布以及气流流动情况, 准确找出问题点以便用来改善数据中心的热效率。 帮助用户 建立他们数据

中心精确的模型, 提出数据中心地板室温以及返回天花板静压模型的能力, 在温度调节设置 时从 4 个 CRAC 边界条件中选择设定,并通过 CFD 方法能够得到流动和热传递的耦合解,用以正确说明气 体流动和热的交 换;根据得到的 PDU 具体热负荷来提供数据中心的评估报告,包括对数据中心气流和热载 荷的评估,当风

量或气流的冷却能力不能胜任的时候对用户提出警告, 并提供综合的冷却能源审计报告, 包 括 CRAC、机架

和地板气流性能的详细分析报告。

其次, 在送回风不畅的机房区域施行将原先的通风地板更换为高通风率的通风地板, 以 辅助下送风机

房空调的送风效果。 由于现有电子信息系统机房的气流组织现状十分复杂, 导致主机房高热 密度负荷不能

及时被空调机组所冷却,所以须在主机房高负荷服务器机柜前方更换专用的风机通风地板; 还可通过集约

探测分布式群控风机地板,高效节能整体地解决机房服务器机柜冷却难题。

进而, 再通过上述控制系统的上位机平台实行调整机房空调的温湿度设置参数, 使之设

定在 20—25℃ /40—55%Rh 的合理范围内,让机房空调机组系统达到既满足机房设备冷却所需;又避免出 现机房过度冷却

的效果。

在应用以上步骤的前提下; 再对机房空调系统采用联控运行的模式, 以达到最优散热效 果的情况以及

避免出现空调机组功效抵消的状况; 最终可以实现提高数据中心的能源利用效率、 节约机房 散热之冷却系 统的电耗。经优化改造后的机房其 PUE 值类比可达到 Hp 公司的动态智能散热解决方案 (Dynamic Smart Cooling)之降低数据中心散热成本 40%的同级别水平。 综合以上数据进行分析, 可以得出结论: 配用了红外探测控制可调速风机通风强化全钢 防静电地板( 每块地板承重均布负荷>1400kg)的机架至少可以满足 4KW(即标准 19''机柜能够满足输入 功率 4KVA,或者 是能够装载下 20 个标称 200W 的 1U 服务器)热负荷的散热;如配用特殊定制高风量风机 的通风地板可满足最 大 25KW/机架热负荷的散热需求,足以解决诸如刀片服务器、或虚拟化应用等类型的高热 密度负荷进入机

房场地后的局部热点问题;进而可解决数据中心机房整体能耗飙升等系列难题。


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