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1、数据中心节能关键技术研究 授课教师 李震 目录 1 数据中心用能现状及问题2 数据中心排热过程分析3 数据中心能效评价指标及节能途径4 数据中心节能技术应用案例5 结论与展望 1 1数据中心 数据中心用能现状及问题 数据中心是一类特殊建筑 用来集中放置和管理各类IT设备 如服务器 交换机 高性能计算机 工作站等 及其配套设施 电源 照明 空调等 以实现对大量数据的存储 运算 通信 网络服务等功能 为不同需求的用户提供实时高效的信息处理服务 数据中心结构和功能示意图 数据中心内部服务器机架 1 1数据中心 数据中心用能现状及问题 不同类型的数据中心 由造纸厂改造的芬兰谷歌数据中心 俄勒冈州谷歌数
2、据中心冷却塔水蒸汽 布法罗地区Yahoo数据中心 呼和浩特中国移动数据中心 1 2数据中心能耗现状 数据中心用能现状及问题 世界数据中心耗电量分析 1 我国数据中心耗电量分析 1 数据中心能耗高 单位面积发热密度高 全年连续运行预计到2020年 全球信息技术相关的碳排放量将达到15 4亿吨 2 占全球总碳排放量5 已经成为温室气体排放的重大来源之一 2015年我国数据中心耗电量逼近1000亿度 3 数据来源 1 ICTresearch 2 信息产业如何减少碳排放 3 中国数据中心能效研究报告 1 3数据中心的建设及扩张趋势 数据中心用能现状及问题 发展趋势数据机房投资年增长率25 耗电量年增长
3、率10 15 服务器功率增长 散热密度急剧增加 1 1 ASHRAETC9 9 数据处理环境热指南 杨国荣 陈巍 王振华 译 2版 北京 中国建筑工业出版社 2010 1 4数据中心能耗结构 数据中心用能现状及问题 能耗构成主要能耗 信息设备 空调系统其他能耗 电源系统 照明等 辅助设备能耗高信息设备 43 空调系统 47 供电系统 8 辅助设备所占比例过高 1 5数据中心能效指标 数据中心用能现状及问题 PUE 数据中心年总耗电量 信息设备年耗电量 北京市数据中心机房PUE情况 国内大部分数据机房PUE 2 0有少量PUE在1 70附近的大型数据机房国外欧美国家相当数量的机房PUE 2 0先
4、进的机房PUE 1 70Google的机房 类型特殊 PUE 1 20 1 6数据中心空调系统现状及问题 数据中心用能现状及问题 目录 1 数据中心用能现状及问题2 数据中心排热过程分析3 数据中心能效评价指标及节能途径4 数据中心节能技术应用案例5 结论与展望 2 1数据中心排热本质 数据中心排热过程分析 典型机房传热过程 2 1数据中心排热本质 数据中心排热过程分析 1 换热过程本质分析 2 换热温差本质分析 当前冷却方式温差消耗大 传热本质 2 1数据中心排热本质 数据中心排热过程分析 通过循环于室内外之间的工质 实现芯片与室外冷源的换热 来实现利用自然冷源排热根本目标 维持芯片表面温度
5、不超过给定温度稳定地排出芯片产生的热量对于确定的排热系统 T RXQ T 芯片表面温度 冷源温度R 系统等效热阻Q 要求的排热量 2 1数据中心排热本质 数据中心排热过程分析 T RXQ 驱动温差 热阻X排热量 当芯片温度 室外冷源温度 T时 可以用室外冷源排热当芯片温度 室外冷源温度 T时 需要运行制冷机 提供不足的 T 以满足排热要求 T越小 可以利用自然冷源的时间越长 在必须启动冷机时 要求冷机提供的 T也越小 从而冷机功耗小怎样减少 T 或者是怎样降低排热系统的等效热阻R 是充分用好自然冷源的关键 2 2数据中心热量采集过程 数据中心排热过程分析 典型架空地板送风方式 冷通道温度分布
6、热通道温度分布 机柜局部温度分布 2 2数据中心热量采集过程 数据中心排热过程分析 传统数据中心散热形式 运行时间长 全年不间断供冷 送风参数相对稳定高显热潜热比 显热负荷与潜热负荷之比通常大于0 95 大风量 小焓差模式耗电量大气流组织复杂 传统集中式送回风方式存在的弊端 2 3冷源过程 数据中心排热过程分析 选择合适的冷源形式风冷 干球温度蒸发冷却 湿球温度间接蒸发冷却 露点温度 风冷 冷源为室外干球温度 蒸发式冷却 冷源接近室外湿球温度 间接蒸发式冷却 冷源接近室外露点温度 目录 1 数据中心用能现状及问题2 数据中心排热过程分析3 数据中心能效评价指标及节能途径4 数据中心节能技术应用
7、案例5 结论与展望 3 1数据中心能效评价指标 数据中心能效评价指标及节能途径 气候类型 制冷形式影响数据中心制冷系统能耗IT负荷率 规模 安全等级影响数据中心整体能耗 各影响因素带来的数据中心能效差异如何评价 3 1数据中心能效评价指标 数据中心能效评价指标及节能途径 GB50178 1993 建筑气候区划标准 能效如何比较 规模不同安全等级不同气候类型不同制冷形式不同 解决方案将各因素对PUE的影响进行精细化考量分析不同条件给各个分系统带来的PUE变化将条件变化对各分系统的影响叠加后 作用于整体的基准PUE 3 1数据中心能效评价指标 数据中心能效评价指标及节能途径 3 1数据中心能效评价
8、指标 数据中心能效评价指标及节能途径 100 25 50 75 负荷率 负荷率直接影响IT设备能耗 制冷负荷的改变又会影响压缩机及输配系统能耗 3 1数据中心能效评价指标 数据中心能效评价指标及节能途径 安全等级 B级 C级 A级 安全等级涉及冗余设施的配备 对安防设备等的要求 3 1数据中心能效评价指标 数据中心能效评价指标及节能途径 不同地区数据中心空调系统全年能效比AEER 3 1数据中心能效评价指标 数据中心能效评价指标及节能途径 25 数据中心能效综合评价指标 根据安全等级 气候条件以及负荷率对PUE指标进行修正 修正值 查表算例 严寒地区A等级水冷式75 负荷数据中心 3 2分离式
9、热管 数据中心能效评价指标及节能途径 热管技术热管技术是利用工质相变可实现远距离传热 装置适应性和密封性好等诸多优点 数据机房热管排热系统基于分离式热管的数据机房自然冷源利用设备通过室内外的自然温差实现循环排热传热能力强 能耗低 可靠性高 环境适应性强 3 2分离式热管 数据中心能效评价指标及节能途径 列间热管 参数 风机N 1配置 即插式风机 便于维护 列间热管安装于机架旁 占用机房空间 300mm 风机具有调速功能 采用高温冷冻水 12 以上 无凝结水 制冷冷媒为R22 R134a R407c 3 2分离式热管 数据中心能效评价指标及节能途径 顶置式热管 参数 吊顶式热管安装于机房的冷通道
10、上方 不占用地面空间 风机具有调速功能 采用高温冷冻水 12 以上 无凝结水 制冷冷媒为R22 R134a R407c 3 3机柜级冷却 数据中心能效评价指标及节能途径 以机柜为单位进行冷却 换热器安装在机柜内 就近带走热量避免局部热点 增强散热能力可实现冷量按需分配 换热器安装位置灵活 侧背板机柜前后双背板机柜后背板机柜 工质选择 水 存在安全隐患 氟利昂 3 3机柜级冷却 数据中心能效评价指标及节能途径 理论方法 运用热管分布式冷却方法定量描述了系统各环节耗散成功解决了掺混和发热不均匀的问题 3 3机柜级冷却 数据中心能效评价指标及节能途径 运行原理示意图 产品外观图 供冷量 3 15kW
11、 优点不占用机房原地面空间机房按需供冷 机房无局部热点风机功耗小提供100kW冷量 风机功率 2kW100kW精密空调的室内风机功率为6 7kW 3 4芯片级冷却 数据中心能效评价指标及节能途径 热管接入服务器带走cpu所占的60 的热量 其余40 热量由机柜前后两个背板换热器散出 无水 无泵 维护方便 造价与能效比水冷的方案更优 双级回路热管系统 3 4芯片级冷却 数据中心能效评价指标及节能途径 双级回路热管系统 3 5自然冷源利用 数据中心能效评价指标及节能途径 直接自然冷源利用 优点 直接利用自然冷源 结构简单缺点 灰尘 湿度 滤网维护 空气中微量硫氧化物对IT原件腐蚀 直接通风带来对I
12、T元件的腐蚀 微量SO2腐蚀 3 5自然冷源利用 数据中心能效评价指标及节能途径 间接自然冷源利用 优点 通过换热器换热 避免了直接引入室外空气而给室内环境带来的影响缺点 风阻大 风机能耗过高体积相对较大 与室外联系过多换热器容易堵塞 需经常更换过滤网 增加了机房的维护量 3 5自然冷源利用 数据中心能效评价指标及节能途径 自然冷源与蒸气压缩循环结合 系统运行模式示意图 优势 1 风机数量无需增加 模式切换无需阀门2 两循环相对独立 杜绝润滑油掺混3 管路简洁 加工方便4 过渡季两循环共同运行 两循环并联 三种运行模式 分离式热管模式蒸汽压缩制冷模式双循环模式 3 5自然冷源利用 数据中心能效
13、评价指标及节能途径 自然冷源与蒸气压缩循环结合 系统性能 年运行时长计算结果 北京地区数据中心传统与复合型制冷系统能耗指标CLF全年对比图 黑 传统蒸汽压缩制冷空调红 复合空调 3 6分布式系统 数据中心能效评价指标及节能途径 分布式冷却系统 减小温差损失 提高冷源温度分离式热管将机架和冷水直接连接 温差损失小 冷源温度高均匀分配冷量 消除局部热点热量传递和冷量输配由空气改为热管 输配能耗小 通过支管将制冷剂 按需分配 给末端换热器避免大风量送风不均匀 消除局部热点 温湿度独立控制热负荷 利用工质相变带走服务器散发的热量湿负荷 实时监测机房环境湿度 根据机房要求判断加湿或除湿 3 6分布式系统
14、 数据中心能效评价指标及节能途径 温度控制 采用分离式热管解决机房显热排放问题 将蒸发端直接安装在机柜内部 就近排走机柜发热量 通过流量调节 可达到按需分配 适应机房发热不均一的特点 系统特点 热管排热能力高 可适用于高发热密度机柜 提高送风温度 保证机房不发生结露现象 减少甚至杜绝气流掺混现象 缩短机房排热流程 可有效利用自然冷源 降低机房能耗 3 6分布式系统 数据中心能效评价指标及节能途径 多级式 采用多级热管 可进一步提高冷源温度 串联式大温差冷水系统 夏季 冷机冬季 自然冷源过渡季 联动 3 6分布式系统 数据中心能效评价指标及节能途径 湿度控制 目录 1 数据中心用能现状及问题2
15、数据中心排热过程分析3 数据中心能效评价指标及节能途径4 数据中心节能技术应用案例5 结论与展望 4 1案例一 XX局信息机房节能改造 数据中心节能技术应用案例 项目概况 机房位于北京市 属于A级机房 机房所处大楼共5层 机房位于大楼1层 机房面积约138 IT设备即时输入功率约为30kW 机柜数量29个 单机柜功率约1kW 机房室内设定温度为23 共配置2台Liebert风冷型精密空调 单台空调的额定制冷量为45 3kW 采用地板送风 下送上回的气流组织方式 原机房空调日均用电量为463度 约占机房总日均耗电量的43 通过机房空调系统节能改造 降低机房空调系统耗电量 4 1案例一 XX局信息
16、机房节能改造 数据中心节能技术应用案例 改造方案 全风冷热管系统 机房单机柜发热密度较低 机房IT设备总发热量较低 节能改造室内设备采用全风冷的机房用热管立柜机 配置机房热管立柜机3套 排热量30kW 监控系统 控制器带通信 机房总用电 空调用电分项计量 使用效果 平均每天节约用电296度 减少空调用电63 4 1案例一 XX局信息机房节能改造 数据中心节能技术应用案例 机房平面布置图 4 2案例二 XX部委信息机房节能改造 数据中心节能技术应用案例 项目概况 机房位于北京市 属于B级屏蔽机房 机房所处大楼共7层 机房位于大楼1层 机房面积约200 IT设备即时输入功率约为80kW 机柜数量63个 单机柜功率约1 3kW 机柜呈9排分布 机房室内设定温度为23 共配置4台风冷型精密空调 单台空调的额定制冷量为80kW 采用地板送风 下送上回的气流组织方式 机柜单向布置 未使用冷热通道布局 前排机柜排出的热风与下一排机柜的进风掺混 提高了下一排机柜的进风温度 不利于机柜的冷却 4 2案例二 XX部委信息机房节能改造 数据中心节能技术应用案例 改造方案 热管立柜机 冷却塔 机房单机柜发热密
