基于智能化网络机房的绿色数据中心设计

陈王丰

摘 要：本文主要介绍如何建设一所网络机房绿色数据中心，让网络机房的空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用等具备节能环保、高可靠可用性和合理性。

关键词：绿色数据中心；网络机房；IT系统；一体化

中图分类号：G717 文献标识码：A 文章编号：1005-1422（2016）03-0115-04

一、引言

绿色数据中心（Green Data Center）是指数据中心中的IT系统、机械、照明和电气等能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响。绿色数据中心是数据中心发展的必然，我们主要从建筑节能、运营管理、能源效率等方面来衡量一个数据中心是否为“绿色”。绿色数据中心的“绿色”具体体现在整体的设计规划以及机房空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用等是否具备节能环保功能。

二、绿色数据中心架构

绿色数据中心是数据中心发展的必然。绿色数据中心的“绿色”具体体现在整体的设计规划以及机房空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用上，要具备节能环保、高可靠可用性和合理性。

三、节能一体化解决方案

本项目数据中心的节能设计，我们提出的节能一体化解决方案包括电力系统节能分析、动力环境系统节能控制、IT设备的智能控制、IT设备新型的节能技术的应用、智能管理软件的应用等，并将这些作为节能重点来设计，在设计过程中需要系统分析和统筹兼顾，以达到绿色、节能、环保的目标。

1.六种节能方案及效果

2.基础设施及节能措施

（1）机房环境的要求

现代IT设备中的元器件及集成电路极易受到温湿度、尘埃、有害气体、电磁、雷电等的干扰，为使其可靠运行，机房必须具备一定的环境条件，根据《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）的规定，机房环境应达到以下要求：

（2）基础设施节能措施

数据中心建设中与建筑热工有关的节能途径与节能措施主要关注围护结构、内墙保温、保温材料、六方体围护、热桥处理、无窗密闭护围等几个方面。

3.机房空调与机房空调节能措施

（1）机房对机房空调的要求

机房是数据处理中心，安装有大量的计算机、磁带机、磁介质、交换机、路由器等对环境温湿度、洁净度要求较高的精密设备，对机房环境有严格的要求，其中最重要的是机房温度、湿度和洁净度三个指标。

机房专用空调（精密空调）是为计算机机房（包括程控交换机房）专门设计的特殊空调机，精密空调系统的设计是为了进行精确的温度和湿度控制，精密空调系统具有高可靠性，保证系统终年连续运行，并且具有可维修性、组装灵活性和冗余性，可以保证数据中心四季空调正常运行。

计算机机房专用空调在设计上与传统的舒适性空调有着很大区别，二者为不同的目的而设计，无法互换使用。计算机机房内必须使用机房专用空调。

（2）机房专用空调设备类型

机房专用空调设备制冷系统形式很多，可以根据工程项目的特点，选用不同的制冷系统。机房专用空调机组制冷系统主要冷却形式有风冷式、水冷或乙二醇水冷式、冷冻水式、双冷源系统等。

（3）机房空调节能措施

在对自控新风冷气机设备进行选型过程中，机房的热负荷和换气次数是最为重要的参数依据，因为这两项参数决定了机房的温湿度能否得到恒定以及机房的洁净度能否得到满足。所以我们在机房专用空调设备选型时先选定这两项数据，然后再对选定的新风设备型号进行其它次要数据项的验证。根据机房热负荷及换气次数的计算，可以对机房专用空调设备的设备型号进行选定。

（4）冷气流组织与节能措施

气流组织就是将空调机送出的冷风通过预定的风道、风口，按预定的风量与风速送往需要制冷的地点，再把设备产生的热空气回收到空调制冷的过程。气流组织分为三个部分，即冷气产生、冷气配送和气流返回。

（5）机柜内制冷的节能措施

A.机柜布局：机柜按行排列，采用冷热通道的技术，背靠背布局。

B.安装盲板：尽管机柜通常被认为只是一种机械支架，但它对于防止设备排除的热空气重新进入设备进气口至关重要。

尽管主要的IT设备制造商均强烈建议使用盲板，但实际上90%或更高比例的机房都忽略了这一点。热空气再循环问题可能导致IT设备的温度上升8℃。安装盲板是一个极其简单的过程，可以用非常低的成本应用于几乎所有的数据中心。

C.使用标准宽度机柜（使用超宽机柜将可能使得热空气通过设备侧面进行短路循环）。

D.使用深度扩展的机柜。

E.使用螺丝固定IT设备（使用托盘安装IT设备会造成相关位置盲板的无法安装，从而为热空气的短路循环提供了完全开放的条件，应尽量避免）。

F.使用带有风扇系统的机柜，可将底层空气输向机柜前端或从机柜后端主动排除热空气。

G.合理的负载分布。

不合理的设备安装位置，特别是高功率高密度设备的安装位置，可能明显增加机房的工作压力。当高负载密度、高功率服务器被组合成一个或多个机柜时，便会出现高负载密度设备群。这种情况可能导致数据中心出现热点，并要求操作员采取相应措施，如降低空气温度设置点等。

四、供配电系统节能

1.供配电系统节能概述

（1）精确计算供电功率

使用用电管理软件精确计算用电功率和智能化控制系统用电，提高电源利用率。为机房建设规划提供更精确的数据，智能控制整体用电量。

（2）供配电系统节约电能的技术方法

主要是配电电压深入负荷中心、配电变压器的正确选择和经济运行、配电线路的合理选择和经济运行、电压调节和无功补偿等技术和方法的采用。

我国现有电力系统中，35kV以上电压等级输变电系统主要担负着远距离传输电能的作用，l0kV及380/220V电压等级则是配电系统的主体，与用户关系最为密切。电能通过导线、开关、变压器等设备进行传输的过程中，会产生功率损失（有功、无功功率），并在相应的时间内产生能量损失（有功、无功电量）。配电系统的线损率就是指在一段时间内，配电过程中损失的有功电量和该系统所获得的总电量之比。

2.UPS节能措施

目前UPS的节能必须从方案、UPS、电池、配电等方面全方位进行。

（1）UPS供电方案设计

根据远期最大IT负荷800KVA，建议采用输入输出一体化模块化设计UPS供配电系统。为了提高UPS系统的可用性，可以采用模块化冗余措施。

采用两模块化UPS电源，分别给不同的负载进行供电。系统输出部分采用热插拔配电模块，可以节省输出配电柜的成本。

实际上，模块化UPS的好处是完全可以按照实际的负载来配置功率模块，使得UPS的输出能力和负载之间的配比处于合理的百分比，而不用一次购买庞大的固定功率的UPS系统，使得初期UPS的负载量很低，运行成本高。

（2）UPS在线并机扩容功能

采用单机N+1冗余模块化热插拔技术，为机柜式外观结构。通过了机房的电磁兼容和电磁抑制测试，可直接安装在机房里面。与服务器机柜并排摆放。

模块化结构在IT设备上已被广泛使用（如PC机、服务器、小型机等）。模块化结构可以使得系统结构更加清晰，降低系统的复杂度，提高系统的可靠性；热插拔技术可以使得系统的配置随需要任意调整。模块化结构大大降低了设备维修时间，不需要UPS厂商专业工程师，就可以及时排除故障，保障系统的连续运行；模块化结构可以实现单机冗余，且冗余度可以随负载量的变化自动调整，其可用性要高于两台普通UPS并联；模块化结构减少了备件的数量，避免购买大量备品备件，浪费资金；模块化结构还使得电池配置很简单，降低成本。不用考虑单机60分钟，还是并机60分钟。

（3）采用模块化UPS，实现逐步扩容

目前，模块化UPS已经开始在国内应用，模块化UPS特点主要包括：可扩容、平均故障修复时间（MTTR）短、可经济实现“N+X”冗余并机。

（4）提高UPS自身能效，优化负载效率曲线

目前UPS均为在线式双变换构架，在其工作时整流器、逆变器均存在功率损耗。以一个容量为400kVA的UPS为例，每度电按0.95元计算，UPS效率每提高1%，一年节省的电费为400×0.8×0.01×24×365×0.95=26630.4元。提高UPS的工作效率，可以为数据中心节省一大笔电费，可见提高UPS效率是降低整个机房能耗的最直接方法。因此采购UPS，尽量采购效率更高的UPS。

五、机房动力环境监控与节能措施

1.机房动力设备监控

机房动力设备监控包括电力监控、发电机监控、UPS监控、空调、新风监控。电力监控电源系统的电压、电流、频率、视在功率、有效功率等参数；发电机监控转速、输出电压、电流、频率、油温等参数；UPS监控UPS状态、输入输出电压、电流、频率、电池电压、电池后备时间等参数；空调监控送回风温湿度、风量、压缩机状态、过滤器状态参数。

2.机房动力环境监控

机房环境监控包括机房各区域温湿度、漏水情况、消防监控等。

3.安防监控

安防监控主要是视频监控、红外防盗监控、门禁监控。

六、新风系统与节能措施

1.新风量计算

根据《电子计算机机房设计规范》规定，新风量应按下列三项要求合理取值：室内总送风量的5%；按工作人员每人40m3/h；维持室内正压所需风量。

2.新风净化处理

进入机房的新风必须经过初效、中效、亚高效三级处理，房间内新风质量要求较高时，还应安装紫外线灭菌装置，经过处理的新风送入专用空调回风口，与一次回风混合以后进入专用空调机组，经专用空调机后进入房间。

新风最好经过温湿度处理至室内工况后同与回风混合，避免夏季压缩机与电加热器同时工作，节省电能、减少空调机运转时间、延长使用寿命。

七、IT设施的节能措施

1.KVM主机切换系统节能

KVM具有节省空间、提高效率、使用简单、易于管理、节约成本、远程管理、环保节能等特点。

KVM机房监控管理智能电源管理解决方案，为数据中心的节电增添了又一个好帮手。KVM软件管理一款综合电源管理软件、智能PDU和环境传感器设备的软硬件结合的解决方案，能提供远程电源控制、机架级和设备级监控能力，为数据中心的管理者提供有价值的信息来提高设备的运行时间和容量规划等。

2.刀片服务器节能

刀片服务器比机架式服务器更节省空间，一般应用于大型的数据中心或者需要大规模计算的领域，如银行电信金融行业以及互联网数据中心等。目前，节约空间、便于集中管理、易于扩展和提供不间断的服务，成为对下一代服务器的新要求，而刀片服务器正好能满足这一需求，因而刀片服务器市场需求正不断扩大，具有良好的市场前景。

八、数据中心管理软件节能

1.电能管理软件节能

由智能PDU和电能管理软件组成。智能PDU能通过机柜级和设备端的用电监控管理，精确统计设备一级的耗电量，为用电容量控制和收取电费提供了准确的数据依据。与普通PDU不同之处还在于，智能PDU能在远程像亲临现场一样对设备进行电源开、关、重启等操作，及时修复故障，保障系统持续运行，还能将PDU空闲插座设为无电状态，消除因人为失误插入设备导致PDU的过载跳闸及设备宕机，以及通过对PDU插座的来电延时配置，避免因设备同时加电引起的瞬间电流峰值导致的断电跳闸。智能PDU最大的特点在于，不仅提供了每个端口的用电计量功能，还能对设备所处微环境的温度和湿度监控。

2.数据中心电源管理系统节能

数据中心的电源管理可分成四个阶段，分别是连接（保证电源的可靠供应）、计量（测量电能的消耗）、分析（查找电源低效率的原因）和智能分配（根据需求实现电能的动态分配）。目前的电能管理还处于连接和计量阶段，为了迈向更高级的分析和智能分配阶段，智能电源管理将是数据中心管理者必不可少的手段，同时达到节能、高效管理的效果。

3.虚拟化管理方案的节能

虚拟化管理通过硬件模拟实现，系统基于VMware或微软的虚拟服务器。该方式为每个虚拟服务器模拟了物理的服务器硬件，包括了全配置的BIOS这种方法让每个虚拟服务器好像运行在主机平台的单个处理器上。硬盘方面，每个虚拟服务器是完全独立的，在其硬盘上有操作系统和必要的应用。还有一种是通过主机来虚拟分类的。

九、小结

机房建设是一个系统工程，计算机技术的迅猛发展，促进了机房工程建设，对机房的安全性、可用性、灵活性、机架化、节能性等方面提出了更高的要求，绿色数据中心的架设，提高了机房的节能环保、高可靠可用性和合理性。

责任编辑 陈春阳