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雲時代企業數據機房建設節能技術的應用

中達電通股份有限公司
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前言
雲計算與大數據時代隨著現代信息化技術、智能終端、互(hu)聯(lian)網(wang)的(de)興(xing)起(qi)而(er)快(kuai)速(su)到(dao)來(lai),雲(yun)計(ji)算(suan)市(shi)場(chang)迎(ying)來(lai)了(le)一(yi)個(ge)發(fa)展(zhan)的(de)高(gao)峰(feng),雲(yun)計(ji)算(suan)的(de)實(shi)現(xian)離(li)不(bu)開(kai)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)的(de)支(zhi)持(chi),而(er)雲(yun)計(ji)算(suan)本(ben)身(shen)又(you)在(zai)驅(qu)動(dong)著(zhe)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)的(de)變(bian)革(ge)。雲(yun)計(ji)算(suan)的(de)精(jing)髓(sui)在(zai)於(yu)資(zi)源(yuan)的(de)虛(xu)擬(ni)化(hua),IT軟硬件架構與傳統架構相比有很大的不同,特別是硬件的變化,主要表現為IT設備的高度集中、高發熱、高耗能,驅使底層的風火水電等配套設施的作出相應改變,如何破解數據機房的三大挑戰企業機房的高效運轉是一個非常重要的課題?

企業數據中心中心的耗電
數據中心的基礎設施核心保障就是IT設備,形象的說建設數據中心就是為了解決IT設備的“吃”、“住”、“舒適”等生活問題,吃的是UPSdebujianduandianyuan,zhudeshigaodangjigui,xiangshoudeshijingmikongtiao,dangranyaoshixianzhexiejiuxuyaofuchuxiangyingdechengben,qizhongshujujifangdedianfeishimuqianqiyejijifangzuidadeyingyechengbenzhiyi,weilejiejuehaodianwenti,womenxianfenxinenghaodezucheng,cainengduizhengxiayao,yigedianxingdePUE=2.3的機房耗電組成如下所示:


其中IT設備用電包括所有的IT設備的負載,如服務器、儲存和網絡設備, 
數據中心總用電包括支持IT設備負載條件的用電,如:
•電力係統:如UPS、配電及開關、電池和配電損失。
•空調係統:如冰水機組、機房空調機(CRAC,CRAH)、水泵及冷卻水塔等。
•服務器、儲存設備及網絡設備等。
•其他雜項設備,如數據中心照明負載、監控門禁係統及消防係統。
根據以上耗電係統分析,PUE主要的改善方向如下:


以一個總功率100kW的機房為例,PUE2.3改善到1.43,一年能節約30多萬度電,5年就可以節約165萬元的電費,為企業更高效的運營提供有力的支持。

 

 

 

 

 
 

 

 


傳統氣流組織給數據中心帶來的困惑是:
* 整個架空地板下是個靜壓箱,所以每個機櫃所享受到的出風量是一致的,無法按需提供冷風量;如果機櫃的熱密度產生差異,高熱密度機櫃就會產生局部熱點;
* 由於冷風從出風地板送出,通過機櫃前開孔門板送入機櫃,在機櫃的垂直方向上,自下而上會產生風量梯度和穩定梯度;
* 受機櫃熱密度的影響,單機櫃裝機容量受到限製:
* 在傳統的機房配置空調時,通常會注重機房所需的冷量而忽視服務器機櫃所需的風量;
* IT對風量的要求通常是:每1kw熱量,要求提供120CFM(合204m3/hr)的冷風,才能滿足IT設備的冷卻需求;
* 按傳統的下送風空調製冷方式計算,每個機櫃出風地板的風量為:出風口的風速≤3m/s,出風地板的麵積為:0.36m2,地板的開孔率通常為30%,
* 所以每個機櫃前麵的總風量為:
* 3m/s×3600s/hr×0.36m2×30%=1166 m3/hr。
每個機櫃的裝機熱負荷為:1166 m3/hr÷204m3/hr=5.7kw
        通過上述風量計算,如果采用傳統的下送風空調製冷解決方案,每個機櫃IT設備的裝機容量無法做大,導致機櫃裝機率不高,浪費機櫃的空間,同時也浪費機房的空間;
* 傳統的房間製冷方式,由於送風距離遠,難免在送風過程中產生風壓、風量的衰減,導致遠端機櫃產生局部熱點。


    機櫃級水平送風製冷解決方案能有效的解決傳統房間級製冷方案的困惑:« 由於水平送風空調安裝在機櫃旁邊,就近送風和製冷,解決地板下送風風阻導致的局部熱點問題;« 就近製冷,送風距離短,冷量的利用率更高;« 空調可根據機櫃的熱密度,隨時調整輸出的風量和冷量,提供單個機櫃的個性化風量和冷量需求,製冷更有針對性,效率更高;« 對數據中心機房建製過程中,是否要建架空地板,無需要求;機房地麵的保溫要求也更低;« 由於緊貼機櫃安裝空調,可以給單機櫃提供足夠的風量,所以機櫃的IT設備裝機容量可以大幅提高,如台達29kw的空調,風量為4930 m3/hr,那麼單機櫃的IT熱密度可達:4930 m3/hr÷204m3/hr=24.2kw。« 與傳統的房間製冷方案相比,單機櫃的裝機容量可以提高4倍。


 

u 圖1-3傳統下送風空調與機櫃式空調適應熱密度比較

 

l 從圖中,我們可以看出傳統下送風空調,滿足單機櫃6kw一下的需求,而水平送風空調可滿足單機櫃30kw一下的需求。


經過對下送風空調(房間級)與水平送風空調(行級)的比較,水平送風空調更加靠近IT設備,送風距離短,效率更高,更加節能。 

 

 

冷熱通道封閉技術

熱通道封閉                                                                       熱通道封閉

    為了提升製冷效率,提高單機櫃製冷能力,結合現場情況,使用冷熱通道封閉技術為核心的IT設備進行冷卻.通過改善空氣循環的管理,提升製冷功率密度.有效減低PUE值,而設計一套散熱效果好、安全可靠的機櫃冷熱池解決方案。

主機房機櫃采取背對背擺放,網絡機房采取麵對麵擺放

A 冷池係統設計

    冷池采用鋁合型材框架+ganghuaboli,dingbuweiquanfengbiganghuajiegou,lengchishitongguoshezhiquanfengbishilengkongqixunhuanxitonghuanjing,tigaoshineikongtiaoshiyongxiaolv,dadaojienengjianghaodexiaoguo。lengchidedingbushezhibufenkaiqishan,kaiqimianjiyingbushaoyulengchidingmianjide30%。由you於yu機ji房fang采cai用yong氣qi體ti滅mie火huo係xi統tong,當dang滅mie火huo係xi統tong啟qi動dong時shi,冷leng池chi的de頂ding部bu開kai啟qi扇shan部bu分fen開kai啟qi。冷leng池chi的de地di麵mian設she置zhi大da麵mian積ji的de帶dai風feng口kou的de架jia空kong地di板ban,作zuo為wei下xia送song風feng的de出chu風feng口kou。冷leng池chi末mo端duan設she置zhi鋼gang化hua玻bo璃li門men,滿man足zu人ren員yuan工gong作zuo進jin出chu疏shu散san、消防保護及管理監控。開啟扇考慮與消防聯動,當氣體釋放時開啟扇放下。 

    jifanglengtongdaoneidebolidingbanzaixianchangtanceqibaojinghou,yuqitipensheqianjiangdiancitieshidian,tongdaochangkai。benxitongdiancitiecaiyongjiaoliudiangonggei,ruxiaofangdianyuanketigongbencishebeirongliang,bingxianchangtiaojianyunxudeqingkuangxia,keyouxiaofangdianyuanzhijieyinyihuiluzhikongzhixiang;若消防設備無法提供電源,為保證電磁鐵不失電,建議由PDU中引一回路至控製箱,並在控製箱中安裝整流設備,提供磁鐵所需電源。

B係統優勢

1)靈活性

冷通道為單元模塊化設計,冷通道兩側的兩台機櫃占用1個單元,每個單元均能獨立安裝。

2)智能性

每個頂部密封板均可實現與消防聯動。當機房內火災信號確認後,頂部密封板自動打開,滿足消防氣體噴放要求。

3)安全性

所有冷通道窗口材料為透明鋼化玻璃,機械強度比普通玻璃高,而且不影響冷通道內正常采光。

4)方便性

當需要在冷通道內搬運設備時,通道兩端門打開後,下門框可方便拆卸下來,方便小型運輸設備在機房地板上進出。

1)靈活性
冷通道為單元模塊化設計,冷通道兩側的兩台機櫃占用1個單元,每個單元均能獨立安裝。
2)智能性
每個頂部密封板均可實現與消防聯動。當機房內火災信號確認後,頂部密封板自動打開,滿足消防氣體噴放要求。
3)安全性
所有冷通道窗口材料為透明鋼化玻璃,機械強度比普通玻璃高,而且不影響冷通道內正常采光。
4)方便性
當需要在冷通道內搬運設備時,通道兩端門打開後,下門框可方便拆卸下來,方便小型運輸設備在機房地板上進出。

封閉冷通道,降低冷風損失,提高冷源利用率;

自然冷卻技術
  ziranlengquejishujiushiliyongmianfeideziranziyuanjinxingrejiaohuan,zuidaxiandudejiangdijifangnenghao,muqianchangyongdemianfeilengyuanzhuyaoshidongjihuochunqiujideshiwaikongqi。yinci,ruguokenengdehua,shujuzhongxindexuanzhiyinggaizaitianqibijiaohanlenghuodiwenshijianbijiaochangdediqu。zaizhongguo,beifangdiqudoushifeichangshihecaiyongmianfeizhilengjishu。caiyongshuilengkongtiaoxitong,dangshiwaihuanjingwendujiaodishi,zaidiyu15度以下(上海地區每年約有120天)就關閉製冷機組,可以利用冷卻塔、冷卻水泵、板式換熱器組成的係統進行熱交換,因係統中沒有大功率的壓縮機運轉,極大的降低了係統的效率,當溫度高於15duyouqiehuanhuilengdongshuixitong。shangshujieshaodeshuilengziranlengqueyouyuzhixuyaozengjiayitaibuxuyaodonglidebanshihuanreqi,touzihezhandidoubijiaoshao,shiwomentuijiandeqiyeshujuzhongxinzuijiamianfeizhilengjienengfangan,xitongdeyuanlituruxia。


原理圖

 



 

 

變頻節能技術

 

    空調係統為IT數據機房空調,機房采用台達精密空調,冷水係統及冷卻係統與IT數據中心精密空調位於同一樓層。 冷凍水泵2台5.5kW,冷卻水泵2台5.5kW,冷卻水塔1台1.1kw。 水泵及冷卻塔當前控製模式均是定頻定流量工作;現場有風冷熱泵、水冷機組、以及板換,當冬天或者溫度較低時,通過冷卻塔冷卻空調冷凍水溫;當溫度稍高時,采用風冷熱泵機組製冷;當夏天溫度很高時采用水冷機組。
    當前對於冷水係統控製采用西門子S7-200PLC控製,含觸摸屏。 模擬量包括環境溫度2個,冷卻塔出回水溫度,冷凍水出回水溫度各1個。PLC無多餘點位餘量。
對於室內精密空調,目前采用三通閥的方式,改變空調所需流量時並不改變係統管網阻力,水泵側流量壓力都不改變。


 


    係xi統tong采cai用yong冬dong夏xia過guo度du季ji節jie不bu同tong冷leng源yuan切qie換huan,盡jin可ke能neng少shao的de減jian少shao冷leng熱re源yuan方fang麵mian的de能neng量liang損sun失shi,達da到dao免mian費fei利li用yong外wai氣qi環huan境jing冷leng卻que的de目mu的de,在zai製zhi冷leng方fang麵mian實shi現xian了le節jie能neng,合he理li且qie先xian進jin。
    但(dan)是(shi),大(da)多(duo)數(shu)係(xi)統(tong)在(zai)初(chu)建(jian)時(shi)都(dou)會(hui)按(an)實(shi)際(ji)最(zui)大(da)負(fu)荷(he)考(kao)量(liang),包(bao)括(kuo)冷(leng)機(ji),冷(leng)卻(que)塔(ta),水(shui)泵(beng),在(zai)冷(leng)源(yuan)上(shang)實(shi)現(xian)了(le)節(jie)能(neng)的(de)同(tong)時(shi),並(bing)沒(mei)有(you)在(zai)水(shui)泵(beng)負(fu)荷(he)與(yu)製(zhi)冷(leng)量(liang)上(shang)相(xiang)互(hu)匹(pi)配(pei),也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)當(dang)末(mo)端(duan)空(kong)調(tiao)負(fu)荷(he)很(hen)低(di)的(de)時(shi)候(hou),對(dui)於(yu)製(zhi)冷(leng)機(ji)主(zhu)而(er)言(yan),實(shi)現(xian)了(le)冷(leng)量(liang)的(de)按(an)需(xu)分(fen)配(pei),電(dian)流(liu)百(bai)分(fen)比(bi)隨(sui)著(zhe)負(fu)荷(he)下(xia)降(jiang)而(er)降(jiang)低(di),但(dan)是(shi)對(dui)於(yu)水(shui)泵(beng)而(er)言(yan),過(guo)多(duo)的(de)流(liu)量(liang)其(qi)實(shi)是(shi)造(zao)成(cheng)能(neng)耗(hao)浪(lang)費(fei)的(de)關(guan)鍵(jian)。
    實現節能的原理:低流量大溫差與熱交換能力的關係,對於一個換熱器(板換或者精密空調表冷器)來說,其流量與溫差的關係見下圖,在部分負荷下,其冷量與流量不會同比下降,如圖,在50%的流量下,可以提供大約80%的de負fu荷he,也ye就jiu是shi說shuo係xi統tong的de冷leng量liang與yu流liu量liang不bu會hui完wan全quan對dui應ying,但dan是shi每mei個ge廠chang家jia的de換huan熱re器qi性xing能neng不bu一yi定ding,故gu最zui佳jia換huan熱re流liu量liang並bing不bu統tong一yi,這zhe個ge最zui佳jia流liu量liang基ji本ben會hui在zai30%-70%之間,使得溫差最大會高於5℃。

 

 



 


    其次,對於水泵而言,限流變頻帶來的最大好處是節能,離心式風機水泵都遵循相似定律, 即流量與水泵轉速(頻率)成正比;楊程與轉速的平方成正比;功率與轉速的立方成正比。 因此改變頻率可以有效的節能。

 


高壓微霧加濕技術

 

高壓微霧加濕器的工作原理是利用高壓柱塞泵將水壓提高到7Mpa以上,然後將加壓後的水經耐高壓輸送管線由專業噴嘴將其霧化,產生3—15µm的微霧顆粒,使其能夠迅速從空氣中吸收熱量完成汽化並擴散,從而完成空氣加濕、降溫的目的。
該係統即可以作為大空間加濕作用,也可以作為降溫用途。
實際產生的加濕量是由安裝多少噴嘴來決定的。例如,某型號噴嘴的噴霧量是4L/h,總共100個噴嘴,則最大噴霧量是400L/h。
高壓微霧用於機房加濕存在很多技術優勢:

 

 

 

 

1.節約能源
    相對電極加濕的等焓方式,高壓微霧加濕係統本身的耗電量是極少的。每小時30公斤的加濕量耗電量在300W左右,是電極加濕器的1.4%。在機房環境中使用時,其節能下過尤其顯著。
    如果原先機房空調配置了9kg/h的電極式加濕器,我們可以用10kg/h噴霧量的高壓微霧加濕器來取代。對於高壓微霧加濕器的10kg/h的噴霧量,消耗電能約100W。水霧進入機房後,需要吸收空氣熱量而氣化。每1kg水霧,需要吸收空氣中750W熱能才能氣化。就是說,10kg/h的高壓微霧加濕器每小時對空氣產生7.5KW的冷量,從而可以大幅度降低空調機的製冷負荷。
    按照每天高壓微霧加濕器累計運行12小時計算,其自身耗電量為3300度,電費支出約3300元。但是,其產生的冷負荷約為3萬KW,相當於壓縮機消耗1萬度電產生的冷量,相當於製冷係統節能1萬度電,節約電費支出10000元。
    總體來說,使用高壓微霧加濕器產生的額節能效應是:40000-3300+10000=46700度電,折合46700元。
    就是說,如果用高壓微霧加濕器取代原先內置了9kg/h電極式加濕器的機房空調來說,每年的節電為46700度,約合46700元。
2.使用安全
    由於將水加壓到70Bar壓(ya)力(li)以(yi)上(shang),很(hen)小(xiao)的(de)漏(lou)點(dian)都(dou)會(hui)導(dao)致(zhi)主(zhu)機(ji)加(jia)壓(ya)端(duan)壓(ya)力(li)的(de)顯(xian)著(zhu)下(xia)降(jiang),係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)迅(xun)速(su)采(cai)取(qu)關(guan)斷(duan)措(cuo)施(shi)保(bao)證(zheng)安(an)全(quan)。所(suo)以(yi)說(shuo),高(gao)壓(ya)微(wei)霧(wu)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)非(fei)常(chang)容(rong)易(yi)地(di)實(shi)時(shi)監(jian)控(kong)到(dao)高(gao)壓(ya)水(shui)路(lu)中(zhong)的(de)泄(xie)漏(lou)情(qing)況(kuang)。而(er)普(pu)通(tong)低(di)壓(ya)水(shui)路(lu)係(xi)統(tong)則(ze)不(bu)具(ju)備(bei)這(zhe)樣(yang)的(de)優(you)勢(shi),在(zai)跑(pao)水(shui)已(yi)經(jing)很(hen)嚴(yan)重(zhong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)仍(reng)然(ran)無(wu)法(fa)察(cha)覺(jiao)。
    高壓管道的內徑隻有1-2mm,內部容積非常小。高壓水路一旦關閉,整個管道中的存水量十分有限,數十米的管線僅僅容納和殘留0.2升水,折合一個茶杯的水,不會對機房產生破壞性地損害。
3.無水垢影響
    高壓微霧係統因為無需向外排水,所以沒有任何水垢的問題,水的前端處理係統比如純水機、軟化水設備等都可以自動運行,並安裝有排水管道的工作間或洗手間內。
4.安裝布置方便
    由you於yu高gao壓ya管guan路lu可ke以yi傳chuan送song達da數shu百bai米mi乃nai至zhi上shang千qian米mi,所suo以yi對dui用yong戶hu來lai說shuo配pei置zhi起qi來lai相xiang當dang容rong易yi。在zai不bu同tong樓lou層ceng或huo相xiang隔ge甚shen遠yuan的de機ji房fang可ke以yi采cai用yong同tong一yi套tao主zhu機ji係xi統tong,通tong過guo在zai吊diao頂ding空kong間jian布bu排pai直zhi徑jing10mm左右的PE管線,不會對原有建築格局和裝修產生任何大的變動,工程量也很小。
5.擴容升級方便
    高壓微霧加濕器最小型號的機器的滿負荷噴霧量為50kg/h。對於用戶來說,新增加一個機房有加濕需求時,隻要主機還有空餘的流量,連上一條新的高壓線路和濕度傳感器就完成了。
6.加濕度效率高
    針對其他很多加濕方法,高壓微霧的加濕霧化效率非常高,高達98%以上的水霧都會蒸發為水蒸氣,這個效率甚至大於電極式蒸汽加濕器,因為電極係統要定時排水以帶走水垢。

 

 


 

 

高效率模塊化UPS技術

    采用轉換效率高的UPS係統。目前,新一代數據中心的設計基本采用新型的高頻(IGBT技術)UPS係統,電源轉換效率和功率因數都比傳統的工頻(可控矽技術)UPS係統有非常大的提升,而且重量輕和體積小。由於UPS的電源轉換效率和負載率成正向關係,因此在設計和運維時要盡可能提高UPS的負載率。



 

虛擬及燈光控製技術

    主要監控架構為EMS3000, 藉由以太網絡(ethernet)架構SNMP協議整合台達設備及監視, 消防等外部組件, 及監視具備IPMI協議內部之服務器之內部風速及溫度狀態,結合對服務器芯片及燈光控製的管理,實現虛擬化節能及照明節能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

總結:

    本文根據對企業級數據機房耗電的分析,主要集中在製冷、UPS、IT設備、照明及其它,結合現在節能技術的介紹,采用免費自然製冷、替代傳統的空調係統、替代傳統的UPS係統、變頻控製、冷熱池係統等降低能耗措施。

■ 采用轉換效率高的UPS係統。目前,新一代數據中心的設計基本采用新型的高頻(IGBT技術)UPS係統,電源轉換效率和功率因數都比傳統的工頻(可控矽技術)UPS係統有非常大的提升,而且重量輕和體積小。由於UPS的電源轉換效率和負載率成正向關係,因此在設計和運維時要盡可能提高UPS的負載率。

■ 采用高效節能的綠色製冷係統。主要是采用水冷空調和自然製冷措施。

■ 采用LED綠色節能光源取代或部分取代傳統光源,另外就是運維管理,做到人走燈關

 

 

 

 

 

 


 
 
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