未来几年我国数据中心将进入发展期较快的阶段,预计5年内数据中心流量处理能力的需求将增长7~10倍,机房面积再翻一倍。机房的高耗能,不但给企业带来了沉重的负担,也造成了全社会能源的巨大浪费。在此背景下,在机房中引入绿色IT理念,以建设绿色节能机房为目标,将低碳经济、节能减排理念引入新机房建设,促进降低能源消耗水平,减少二氧化碳等温室气体的排放。
在“绿色、低碳”目前呼声过高,机房的能耗与污染是一个现代企业无法回避的责任。成本、业务扩展、企业设备责任,是机房建设与运营需要解决的关键问题。
一、空间布局讲究节能效力大
一般机房建设布局需考虑机房位置及设备布置、人流物流及出入口、防火及疏散、空调气流等问题。绿色机房布局主要包括两方面含义:一是绿色节能;二是提高空间利用率。
1)节能
通过优化机房气流,提高回风温度,辅助提高空调的效率,达到使机房更“绿色”的目的。目前可采取的主要措施如下:
● 建设冷、热通道;
● 对高功率密度的机柜,封闭冷热通道;
● 机柜中无设备的部分、线缆出入口、角轨和机柜、相邻立柱之间都进行封闭。
2)提高利用率
在同等的机房空间内容纳更多的计算、存储、交换、路由、配线等设备。通过对绿色机房的合理布局,能对空间利用率产生重大的影响。主要的措施有:
● 采用更窄的,更适用的高密度机柜;
● 采用更高的机柜(如47U)并结合贴顶式上走线;
● 采用机柜顶母线系统替代配电列头柜;
● 冷通道封闭;
● 机柜内强电和弱电走线使用OU安装的设计。
二、空调送风各司其职
保持温度和湿度设计条件对于机房的平稳运行至关重要。如果机房的环境不适合,将对数据处理和存储工作产生负面影响,可能使数据运行出错、宕机,甚至使系统故障频繁而彻底关机。负面影响包括有:高温、低温或温度波动、高湿度、低湿度。
因此机房内一般采用恒温恒湿的精密空调。
(1)空调送风方式优化
目前,精密空调的典型送风方式包括下送风上回风和上送风下回风。下送风上回风的方式有几方面明显的优势:
下送风方式,可将强、弱电线缆在机架上方分层铺设,地板下不走线,只作通风用途,既确保了机房防火的安全,又稳定了冷风远程传送的顺畅;
上送风下回风的气流不适用于高发热量IDC;
下送风上回风的方式制冷效率更高。
(2)空调送风路径优化
下送风、上回风的送风路径一般从空调下部出来,通过架空地板形成的静压箱,然后从通风地板向上流出,然后被从机柜正面吸入机柜,从机柜后面流出,然后回到空调的上回风口,如图1所示。
另外,为了能达到满意的制冷效果,一方面需要根据机架的出风开口面积与风量需求设定合适的出风压力(即气流的静压流速);另外也需要根据机架的不同功率密度情况设置相应的约束气流措施:
● 低功率密度(P≤4KW):可单纯采用下送风方式,此方式下要求机架前方出风口面积不小于机架截面的20%(约0.12m2),当功率大于2KW时且机架进风面积无法满足时,建议在机架顶安装风量和风压相当的风机,以形成约束气流和满足热交换条件。
● 中等功率密度(4KW)
● 高功率密度(10KW)
(3)空调设备布局
房间的形状与设备热负荷的分布状况将决定机房空调设备的布置方式。机房空调设备安装在机房围墙内外皆可。如果采用的是液冷式散热设备,则应考虑将其安装在机房的外部,以防止冷却剂泄漏对电子设备造成损害。
机房空调设备正面应当与每排机器垂直,与热过道对齐,以使它们向送风区排风的方向一致(如下图所示)。这种设置可以使热气流回机房空调设备的路径缩到很短,以减少空气流动,防止热空气返回空调时向下流入冷通道。朝同一方向排风可以防止出现鼓风机相向吹风时在地板下产生的“死区”。
对于长而窄的房间,将机房空调设备安装在周围就可以实现制冷。对于正方形的大房间,则必须将机房空调设备同时安装在周围和中间线上。
三、不同冷源区别对待
目前在实际中应用的精密空调中,主要制冷形式为:风冷型精密空调、水冷型精密空调、冷冻水型精密空调、双冷源型精密空调。
在上述四种空调制冷形式中,风冷型机组是使用相当普遍的,这是因为风冷机型结构简单,安装容易,扩容方便。但是风冷型受安装的条件限制,会有一定的使用局限性,尤其是大型机房,占地面积大,管路长,容易造成风冷型机组的制冷效率下降,压缩机耗能加大而制冷量反而可能下降,造成能源浪费。水冷型机组和冷冻水型机组就没有这方面问题,换热介质水的输送都是靠专门的水泵来进行,不会影响制冷系统的效率。另一方面,由于风冷型和水冷型的机组都是自带制冷系统,使用涡旋式压缩机,能效比有一定局限,涡旋式压缩机的能效比大约在5左右,而大型冷冻水主机的螺杆型或离心式压缩机的能效比可以达到6或者更高。
四、机房布线强调低成本
机房布线系统需要为机房的关键IT设备提供可靠的连接,需要提供适应网络运营的传输带宽,需要支持网络7×24小时的不间断运行。
对于机房综合布线系统而言,绿色可以分为两个方面:一是布线材料本身的要求;二是通过对布线系统各个方面的节约,降低整个大系统的消耗和排放。
(1)绿色布线材料
从布线材料本身的绿色来看,因为在机房内不可避免地会有管理人员出入,所以机房内布线产品的原材料的选择上应该符合欧盟议会及欧盟会发布的《在电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》(简称RoHS指令)的环境要求,保证布线材料长时间处于机房内而不会发挥超标的有害气体。
在线缆材料的选择上,应采用低烟、无卤并且满足防火性能要求的产品,理想状态下,布线产品应能满足以下三个要求:
● 在一定时间段内在火场的高温下能够正常传输
● 防止火势顺着线缆蔓延并产生有害气体
● 避免腐蚀性气体损坏计算机设备的接插件
同时,机房中大量使用到光纤,光纤本身在材料方面是非常安全的,但是必须要注意光纤护套的材料,和铜缆的护套材料一样必须达到ROHS的要求。
(2)绿色布线系统
由于机房必须采用有线系统作为通信的基础,因此尽量减少综合布线系统对散热的影响便是更好的节能。具体而言包括以下五个方面:
线缆选择:可以从两个方面来考虑,首先是更快的传输速度可以简化网络。减少布线系统和网络设备占用的空间。比如从1000Base-T升级到10GBase-T,传输线缆的尺寸只有增加15%,但是传输速率快了10倍。因此,随着10Gbit/s的网络标准成为主流,机房机房建议选择性能适度超前的6A类/EA级的双绞线和50/125μm、850nm工作波长优化多模光缆(OM3)。
可用指标用来衡量传输速率与能耗的关系:Power/Gbit/s,就是每Gbit/s的流量所消耗的能量。网络速度的提升的另一个效果是能够降低单位Gbps的能耗。所以采用更高的网络传输速度不但能够节约空间,也能够大量节省能耗。
光缆与铜缆:光纤在传输距离和功耗上都优于铜缆。EPA指出,1KWh等于0.73公斤的CO2排放。假设机房的PUE为2.8,那么24个(1个配线架) 10GBase-T端口1年产生的碳排放大约是2.2吨,按1公升汽油大约能产生2.26公斤的CO2排放,2.2顿大约相当于970升汽油,可以够一辆普通小汽车开1万公里左右。因此相对铜缆而言,基于光纤的10GBase-SR节省了85%左右的能耗,差不多减少了1.8吨/年的碳排放。绿色机房的布线应该更多的考虑采用光纤布线而不是铜缆。
配线架选择:为提高机房的空间利用率以达到绿色节能的要求,机房内应选择更高密度的配线设备,以充分利用空间。常用的配线架在1U或2U的空间可提供24个或48个标准RJ-45端口,而高密度配线架可以再同样的空间内提供高达48个或72个标准的RJ-45端口。
盲板选择:盲板是安装在机柜内用于阻隔机柜中的空闲空间,起到美观与分隔机柜内冷、热空气的作用,盲板的安装同样能降低机房的制冷能耗。
智能布线系统:智能布线系统一种将传统布线系统与智能管理联系在一起的系统。通过智能布线系统,将网络连接的架构及其变化自动传给系统管理软件,管理系统将收到的实时信息进行处理,用户通过查询管理系统,便可随时了解布线系统的新结构。通过将管理元素全部电子化管理,可以做到直观、实时和更快的无纸化管理。
智能布线系统可实现的功能如下:实时监测端到端网络连接、工作任务(比如跳线等)的执行、图形化显示物理层的连接架构、自动识别网络和拓扑结构、搜索功能、资产管理、报告功能。
四、绿色评估方法
(1)国家标准节能要求
国标GB50174-2008对机房节能建设提出了要求,规范中条明确指出:“为规范电子信息系统机房设计,确保电子信息系统安全、稳定、可靠地运行,做到技术进步、经济合理、安全适用、节能。制定本规范。”节能是机房一个非常重要的话题,GB50174-2008中特别增加了关于大型机房节能的条文。另外,规范中空调设计应根据当地气候条件,选择采用以下节能措施:大型机房宜采用水冷冷水机组空调系统;北方地区采用水冷冷水机组的机房.冬季可利用室外冷却塔作为冷源.通过热交换器对空调冷冻水进行降温:空调系统可采用电制冷与自然冷却相结合的方式。规范中关于节能的条文还有很多 例如机柜的摆放方式、照明光源、机房窗户设置等细节,充分体现了对节能的关注。
GB 50174-2008的实施对于我国机房基础设施建设有着重要的意义.对于国内机房基础设施建设的科学性、适用性具有重要的指导意义,南方电网总调机房建设工程应充分依据该规范。
(2)能效模型
为引导和规范全球IT行业的节能,相关国内外机构会同机房的主流供应商建立起名为Green Grid,探讨和研究机房的节能与能效改善问题,目前还是以白皮书的形式给行业予以指导。Green Grid将在2011-2013年间正式发布机房的能效规范来指导全球的机房的建设。沿着改善和提高机房能效路径的思路,Green Grid提出PUE(Power Usage Effectiveness)和DCiE(Date Center Efficiency)能效指标,它反应的是机房节能问题的两个方面:PUE反映的是机房的总体能源使用效率;DCE反映的是机房IT设备占机房总能耗的比率。
PUE反映的是为满足IT设备的供电要求,机房机房的总供电率,PUE值越小越好,趋近1。
DCiE反映IT设备的能耗占机房总能耗的比例,DCiE值越大越好,趋近1。
依据PUE的能效指标来衡量,目前国内在网运行的大部分机房,其PUE值约在2-3之间。根据目前较新的产品技术水平和机房设计水平,PUE值能提高1.6-1.8的水平,而Google则在实验PUE为1.2的机房。
上海阳腾电子科技有限公司的主要业务为数据机房的设计与施工(基础建设)、IT设备(服务器/交换机)、计算机信息安全应用集成等IT服务,以及为企事业单位弱电系统集成(智能化)提供整体解决方案。主要包括机房工程、网络综合布线系统、多媒体系统、安全防范系统、公共广播系统等智能楼宇系统。公司提供从技术咨询、工程设计、产品供应、安装施工、调试开通到售后服务及长期维修保养等一系列的支持,为企业IT系统整合提供一站式服务。
