前言

云計(jì)算與大數(shù)據(jù)時(shí)代隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)、智能終端、互聯(lián)網(wǎng)的興起而快速到來，云計(jì)算市場(chǎng)迎來了一個(gè)發(fā)展的高峰，云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)離不開數(shù)據(jù)中心的支持，而云計(jì)算本身又在驅(qū)動(dòng)著數(shù)據(jù)中心的變革。云計(jì)算的精髓在于資源的虛擬化，IT軟硬件架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)相比有很大的不同，特別是硬件的變化，主要表現(xiàn)為IT設(shè)備的高度集中、高發(fā)熱、高耗能，驅(qū)使底層的風(fēng)火水電等配套設(shè)施的作出相應(yīng)改變，如何破解數(shù)據(jù)機(jī)房的三大挑戰(zhàn)企業(yè)機(jī)房的高效運(yùn)轉(zhuǎn)是一個(gè)非常重要的課題？

企業(yè)數(shù)據(jù)中心中心的耗電

數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施核心保障就是IT設(shè)備，形象的說建設(shè)數(shù)據(jù)中心就是為了解決IT設(shè)備的“吃”、“住”、“舒適”等生活問題，吃的是UPS的不間斷電源，住的是高檔機(jī)柜，享受的是精密空調(diào)，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這些就需要付出相應(yīng)的成本，其中數(shù)據(jù)機(jī)房的電費(fèi)是目前企業(yè)級(jí)機(jī)房最大的營業(yè)成本之一，為了解決耗電問題，我們先分析能耗的組成，才能對(duì)癥下藥，一個(gè)典型的PUE=2.3的機(jī)房耗電組成如下所示：

其中IT設(shè)備用電包括所有的IT設(shè)備的負(fù)載，如服務(wù)器、儲(chǔ)存和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備， 

數(shù)據(jù)中心總用電包括支持IT設(shè)備負(fù)載條件的用電，如：

• 電力系統(tǒng):如UPS、配電及開關(guān)、電池和配電損失。

• 空調(diào)系統(tǒng)：如冰水機(jī)組、機(jī)房空調(diào)機(jī)(CRAC,CRAH)、水泵及冷卻水塔等。

• 服務(wù)器、儲(chǔ)存設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。   • 其他雜項(xiàng)設(shè)備，如數(shù)據(jù)中心照明負(fù)載、監(jiān)控門禁系統(tǒng)及消防系統(tǒng)。

     根據(jù)以上耗電系統(tǒng)分析，PUE主要的改善方向如下：

以一個(gè)總功率100kW的機(jī)房為例，PUE從2.3改善到1.43，一年能節(jié)約30多萬度電，5年就可以節(jié)約165萬元的電費(fèi)，為企業(yè)更高效的運(yùn)營提供有力的支持。

總用電量=PUE*信息設(shè)備用電量

一年總用電量=總用電量*24h*365T

采用水平送風(fēng)空調(diào)技術(shù) 

傳統(tǒng)氣流組織給數(shù)據(jù)中心帶來的困惑是：

整個(gè)架空地板下是個(gè)靜壓箱，所以每個(gè)機(jī)柜所享受到的出風(fēng)量是一致的，無法按需提供冷風(fēng)量；如果機(jī)柜的熱密度產(chǎn)生差異，高熱密度機(jī)柜就會(huì)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)；

由于冷風(fēng)從出風(fēng)地板送出，通過機(jī)柜前開孔門板送入機(jī)柜，在機(jī)柜的垂直方向上，自下而上會(huì)產(chǎn)生風(fēng)量梯度和穩(wěn)定梯度；

 受機(jī)柜熱密度的影響，單機(jī)柜裝機(jī)容量受到限制：        

在傳統(tǒng)的機(jī)房配置空調(diào)時(shí)，通常會(huì)注重機(jī)房所需的冷量而忽視服務(wù)器機(jī)柜所需的風(fēng)量；        

IT對(duì)風(fēng)量的要求通常是：每1kw熱量，要求提供120CFM（合204m3/hr）的冷風(fēng)，才能滿足IT設(shè)備的冷卻需求；        

按傳統(tǒng)的下送風(fēng)空調(diào)制冷方式計(jì)算，每個(gè)機(jī)柜出風(fēng)地板的風(fēng)量為：出風(fēng)口的風(fēng)速≤3m/s，出風(fēng)地板的面積為：0.36m2，地板的開孔率通常為30%，

所以每個(gè)機(jī)柜前面的總風(fēng)量為：

3m/s×3600s/hr×0.36m2×30%=1166 m3/hr。

每個(gè)機(jī)柜的裝機(jī)熱負(fù)荷為：1166 m3/hr÷204m3/hr=5.7kw    通過上述風(fēng)量計(jì)算，如果采用傳統(tǒng)的下送風(fēng)空調(diào)制冷解決方案，每個(gè)機(jī)柜IT設(shè)備的裝機(jī)容量無法做大，導(dǎo)致機(jī)柜裝機(jī)率不高，浪費(fèi)機(jī)柜的空間，同時(shí)也浪費(fèi)機(jī)房的空間；   傳統(tǒng)的房間制冷方式，由于送風(fēng)距離遠(yuǎn)，難免在送風(fēng)過程中產(chǎn)生風(fēng)壓、風(fēng)量的衰減，導(dǎo)致遠(yuǎn)端機(jī)柜產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。

機(jī)柜級(jí)水平送風(fēng)制冷解決方案能有效的解決傳統(tǒng)房間級(jí)制冷方案的困惑：

由于水平送風(fēng)空調(diào)安裝在機(jī)柜旁邊，就近送風(fēng)和制冷，解決地板下送風(fēng)風(fēng)阻導(dǎo)致的局部熱點(diǎn)問題；就近制冷，送風(fēng)距離短，冷量的利用率更高； 空調(diào)可根據(jù)機(jī)柜的熱密度，隨時(shí)調(diào)整輸出的風(fēng)量和冷量，提供單個(gè)機(jī)柜的個(gè)性化風(fēng)量和冷量需求，制冷更有針對(duì)性，效率更高；對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房建制過程中，是否要建架空地板，無需要求；機(jī)房地面的保溫要求也更低；由于緊貼機(jī)柜安裝空調(diào)，可以給單機(jī)柜提供足夠的風(fēng)量，所以機(jī)柜的IT設(shè)備裝機(jī)容量可以大幅提高，如臺(tái)達(dá)29kw的空調(diào)，風(fēng)量為4930 m3/hr，那么單機(jī)柜的IT熱密度可達(dá)：4930 m3/hr÷204m3/hr=24.2kw。與傳統(tǒng)的房間制冷方案相比，單機(jī)柜的裝機(jī)容量可以提高4倍。

 圖1-3傳統(tǒng)下送風(fēng)空調(diào)與機(jī)柜式空調(diào)適應(yīng)熱密度比較

從圖中，我們可以看出傳統(tǒng)下送風(fēng)空調(diào)，滿足單機(jī)柜6kw一下的需求，而水平送風(fēng)空調(diào)可滿足單機(jī)柜30kw一下的需求。

        經(jīng)過對(duì)下送風(fēng)空調(diào)（房間級(jí)）與水平送風(fēng)空調(diào)（行級(jí)）的比較，水平送風(fēng)空調(diào)更加靠近IT設(shè)備，送風(fēng)距離短，效率更高，更加節(jié)能。

冷熱通道封閉技術(shù) 

熱通道封閉冷通道封閉為了提升制冷效率,提高單機(jī)柜制冷能力,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,使用冷熱通道封閉技術(shù)為核心的IT設(shè)備進(jìn)行冷卻.通過改善空氣循環(huán)的管理，提升制冷功率密度.有效減低PUE值，而設(shè)計(jì)一套散熱效果好、安全可靠的機(jī)柜冷熱池解決方案。

主機(jī)房機(jī)柜采取背對(duì)背擺放，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房采取面對(duì)面擺放

A 冷池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷池采用鋁合型材框架+鋼化玻璃，頂部為全封閉鋼化結(jié)構(gòu)，冷池是通過設(shè)置全封閉式冷空氣循環(huán)系統(tǒng)環(huán)境，提高室內(nèi)空調(diào)使用效率，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。冷池的頂部設(shè)置部分開啟扇，開啟面積應(yīng)不少于冷池頂面積的30%。由于機(jī)房采用氣體滅火系統(tǒng)，當(dāng)滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，冷池的頂部開啟扇部分開啟。冷池的地面設(shè)置大面積的帶風(fēng)口的架空地板，作為下送風(fēng)的出風(fēng)口。冷池末端設(shè)置鋼化玻璃門，滿足人員工作進(jìn)出疏散、消防保護(hù)及管理監(jiān)控。開啟扇考慮與消防聯(lián)動(dòng)，當(dāng)氣體釋放時(shí)開啟扇放下。

機(jī)房冷通道內(nèi)的玻璃頂板在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器報(bào)警后，于氣體噴射前將電磁鐵失電，通道敞開。本系統(tǒng)電磁鐵采用交流電供給，如消防電源可提供本次設(shè)備容量，并現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，可由消防電源直接引一回路至控制箱；若消防設(shè)備無法提供電源，為保證電磁鐵不失電，建議由PDU中引一回路至控制箱，并在控制箱中安裝整流設(shè)備，提供磁鐵所需電源。 B系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

1) 靈活性  冷通道為單元模塊化設(shè)計(jì)，冷通道兩側(cè)的兩臺(tái)機(jī)柜占用1個(gè)單元，每個(gè)單元均能獨(dú)立安裝

 2) 智能性   每個(gè)頂部密封板均可實(shí)現(xiàn)與消防聯(lián)動(dòng)。當(dāng)機(jī)房內(nèi)火災(zāi)信號(hào)確認(rèn)后，頂部密封板自動(dòng)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(jī)械強(qiáng)度比普通玻璃高，而且不影響冷通道內(nèi)正常采光。

4) 方便性  當(dāng)需要在冷通道內(nèi)搬運(yùn)設(shè)備時(shí)，通道兩端門打開后，下門框可方便拆卸下來，方便小型運(yùn)輸設(shè)備在機(jī)房地板上進(jìn)出。

封閉冷通道，降低冷風(fēng)損失，提高冷源利用率；

自然冷卻技術(shù)

 自然冷卻技術(shù)就是利用免費(fèi)的自然資源進(jìn)行熱交換，最大限度的降低機(jī)房能耗，目前常用的免費(fèi)冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，如果可能的話，數(shù)據(jù)中心的選址應(yīng)該在天氣比較寒冷或低溫時(shí)間比較長的地區(qū)。在中國，北方地區(qū)都是非常適合采用免費(fèi)制冷技術(shù)。采用水冷空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，在低于15度以下（上海地區(qū)每年約有120天）就關(guān)閉制冷機(jī)組，可以利用冷卻塔、冷卻水泵、板式換熱器組成的系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，因系統(tǒng)中沒有大功率的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，極大的降低了系統(tǒng)的效率，當(dāng)溫度高于15度又切換回冷凍水系統(tǒng)。上述介紹的水冷自然冷卻由于只需要增加一臺(tái)不需要?jiǎng)恿Φ陌迨綋Q熱器，投資和占地都比較少，是我們推薦的企業(yè)數(shù)據(jù)中心最佳免費(fèi)制冷節(jié)能方案，系統(tǒng)的原理圖如下。

原理圖

實(shí)際安裝效果圖

變頻節(jié)能技術(shù)

空調(diào)系統(tǒng)為IT數(shù)據(jù)機(jī)房空調(diào)，機(jī)房采用臺(tái)達(dá)精密空調(diào)，冷水系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)與IT數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)位于同一樓層。 冷凍水泵2臺(tái)5.5kW，冷卻水泵2臺(tái)5.5kW，冷卻水塔1臺(tái)1.1kw。 水泵及冷卻塔當(dāng)前控制模式均是定頻定流量工作；現(xiàn)場(chǎng)有風(fēng)冷熱泵、水冷機(jī)組、以及板換，當(dāng)冬天或者溫度較低時(shí)，通過冷卻塔冷卻空調(diào)冷凍水溫；當(dāng)溫度稍高時(shí)，采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組制冷；當(dāng)夏天溫度很高時(shí)采用水冷機(jī)組。

當(dāng)前對(duì)于冷水系統(tǒng)控制采用西門子S7-200PLC控制，含觸摸屏。 模擬量包括環(huán)境溫度2個(gè)，冷卻塔出回水溫度，冷凍水出回水溫度各1個(gè)。PLC無多余點(diǎn)位余量。

對(duì)于室內(nèi)精密空調(diào)，目前采用三通閥的方式，改變空調(diào)所需流量時(shí)并不改變系統(tǒng)管網(wǎng)阻力，水泵側(cè)流量壓力都不改變。

系統(tǒng)采用冬夏過度季節(jié)不同冷源切換，盡可能少的減少冷熱源方面的能量損失，達(dá)到免費(fèi)利用外氣環(huán)境冷卻的目的，在制冷方面實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，合理且先進(jìn)。

 但是，大多數(shù)系統(tǒng)在初建時(shí)都會(huì)按實(shí)際最大負(fù)荷考量，包括冷機(jī)，冷卻塔，水泵，在冷源上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的同時(shí)，并沒有在水泵負(fù)荷與制冷量上相互匹配，也就是說當(dāng)末端空調(diào)負(fù)荷很低的時(shí)候，對(duì)于制冷機(jī)主而言，實(shí)現(xiàn)了冷量的按需分配，電流百分比隨著負(fù)荷下降而降低，但是對(duì)于水泵而言，過多的流量其實(shí)是造成能耗浪費(fèi)的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)節(jié)能的原理：低流量大溫差與熱交換能力的關(guān)系，對(duì)于一個(gè)換熱器(板換或者精密空調(diào)表冷器)來說，其流量與溫差的關(guān)系見下圖，在部分負(fù)荷下，其冷量與流量不會(huì)同比下降，如圖，在50%的流量下，可以提供大約80%的負(fù)荷，也就是說系統(tǒng)的冷量與流量不會(huì)完全對(duì)應(yīng)，但是每個(gè)廠家的換熱器性能不一定，故最佳換熱流量并不統(tǒng)一，這個(gè)最佳流量基本會(huì)在30%-70%之間，使得溫差最大會(huì)高于5℃。

其次，對(duì)于水泵而言，限流變頻帶來的最大好處是節(jié)能，離心式風(fēng)機(jī)水泵都遵循相似定律， 即流量與水泵轉(zhuǎn)速（頻率）成正比；楊程與轉(zhuǎn)速的平方成正比；功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。 因此改變頻率可以有效的節(jié)能。

高壓微霧加濕技術(shù)

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,然后將加壓后的水經(jīng)耐高壓輸送管線由專業(yè)噴嘴將其霧化，產(chǎn)生3—15?m的微霧顆粒，使其能夠迅速從空氣中吸收熱量完成汽化并擴(kuò)散，從而完成空氣加濕、降溫的目的。

該系統(tǒng)即可以作為大空間加濕作用，也可以作為降溫用途。

實(shí)際產(chǎn)生的加濕量是由安裝多少噴嘴來決定的。例如，某型號(hào)噴嘴的噴霧量是4L/h，總共100個(gè)噴嘴，則最大噴霧量是400L/h。

高壓微霧用于機(jī)房加濕存在很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

 1. 節(jié)約能源

相對(duì)電極加濕的等焓方式，高壓微霧加濕系統(tǒng)本身的耗電量是極少的。每小時(shí)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(jī)房環(huán)境中使用時(shí)，其節(jié)能下過尤其顯著。

 如果原先機(jī)房空調(diào)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(duì)于高壓微霧加濕器的10kg/h的噴霧量，消耗電能約100W。水霧進(jìn)入機(jī)房后，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(shí)對(duì)空氣產(chǎn)生7.5KW的冷量，從而可以大幅度降低空調(diào)機(jī)的制冷負(fù)荷。

按照每天高壓微霧加濕器累計(jì)運(yùn)行12小時(shí)計(jì)算，其自身耗電量為3300度，電費(fèi)支出約3300元。但是，其產(chǎn)生的冷負(fù)荷約為3萬KW，相當(dāng)于壓縮機(jī)消耗1萬度電產(chǎn)生的冷量，相當(dāng)于制冷系統(tǒng)節(jié)能1萬度電，節(jié)約電費(fèi)支出10000元。

 總體來說，使用高壓微霧加濕器產(chǎn)生的額節(jié)能效應(yīng)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(nèi)置了9kg/h電極式加濕器的機(jī)房空調(diào)來說，每年的節(jié)電為46700度，約合46700元。

2. 使用安全

 由于將水加壓到70Bar壓力以上，很小的漏點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致主機(jī)加壓端壓力的顯著下降，系統(tǒng)可以迅速采取關(guān)斷措施保證安全。所以說，高壓微霧系統(tǒng)可以非常容易地實(shí)時(shí)監(jiān)控到高壓水路中的泄漏情況。而普通低壓水路系統(tǒng)則不具備這樣的優(yōu)勢(shì)，在跑水已經(jīng)很嚴(yán)重的情況下仍然無法察覺。

 高壓管道的內(nèi)徑只有1-2mm，內(nèi)部容積非常小。高壓水路一旦關(guān)閉，整個(gè)管道中的存水量十分有限，數(shù)十米的管線僅僅容納和殘留0.2升水，折合一個(gè)茶杯的水，不會(huì)對(duì)機(jī)房產(chǎn)生破壞性地?fù)p害。

3. 無水垢影響

高壓微霧系統(tǒng)因?yàn)闊o需向外排水，所以沒有任何水垢的問題，水的前端處理系統(tǒng)比如純水機(jī)、軟化水設(shè)備等都可以自動(dòng)運(yùn)行，并安裝有排水管道的工作間或洗手間內(nèi)。

4. 安裝布置方便

由于高壓管路可以傳送達(dá)數(shù)百米乃至上千米，所以對(duì)用戶來說配置起來相當(dāng)容易。在不同樓層或相隔甚遠(yuǎn)的機(jī)房可以采用同一套主機(jī)系統(tǒng)，通過在吊頂空間布排直徑10mm左右的PE管線，不會(huì)對(duì)原有建筑格局和裝修產(chǎn)生任何大的變動(dòng)，工程量也很小。

5. 擴(kuò)容升級(jí)方便

高壓微霧加濕器最小型號(hào)的機(jī)器的滿負(fù)荷噴霧量為50kg/h。對(duì)于用戶來說，新增加一個(gè)機(jī)房有加濕需求時(shí)，只要主機(jī)還有空余的流量，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(duì)其他很多加濕方法，高壓微霧的加濕霧化效率非常高，高達(dá)98%以上的水霧都會(huì)蒸發(fā)為水蒸氣，這個(gè)效率甚至大于電極式蒸汽加濕器，因?yàn)殡姌O系統(tǒng)要定時(shí)排水以帶走水垢。

高效率模塊化UPS技術(shù)

采用轉(zhuǎn)換效率高的UPS系統(tǒng)。目前，新一代數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)基本采用新型的高頻（IGBT技術(shù)）UPS系統(tǒng)，電源轉(zhuǎn)換效率和功率因數(shù)都比傳統(tǒng)的工頻（可控硅技術(shù)）UPS系統(tǒng)有非常大的提升，而且重量輕和體積小。由于UPS的電源轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率成正向關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)和運(yùn)維時(shí)要盡可能提高UPS的負(fù)載率。

虛擬及燈光控制技術(shù)

主要監(jiān)控架構(gòu)為EMS3000, 藉由以太網(wǎng)絡(luò)(ethernet)架構(gòu)SNMP協(xié)議整合臺(tái)達(dá)設(shè)備及監(jiān)視, 消防等外部組件, 及監(jiān)視具備IPMI協(xié)議內(nèi)部之服務(wù)器之內(nèi)部風(fēng)速及溫度狀態(tài)，結(jié)合對(duì)服務(wù)器芯片及燈光控制的管理，實(shí)現(xiàn)虛擬化節(jié)能及照明節(jié)能。

 總結(jié)：

本文根據(jù)對(duì)企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)機(jī)房耗電的分析，主要集中在制冷、UPS、IT設(shè)備、照明及其它，結(jié)合現(xiàn)在節(jié)能技術(shù)的介紹，采用免費(fèi)自然制冷、替代傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)、替代傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)、變頻控制、冷熱池系統(tǒng)等降低能耗措施。

■ 采用轉(zhuǎn)換效率高的UPS系統(tǒng)。目前，新一代數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)基本采用新型的高頻（IGBT技術(shù)）UPS系統(tǒng)，電源轉(zhuǎn)換效率和功率因數(shù)都比傳統(tǒng)的工頻（可控硅技術(shù)）UPS系統(tǒng)有非常大的提升，而且重量輕和體積小。由于UPS的電源轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率成正向關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)和運(yùn)維時(shí)要盡可能提高UPS的負(fù)載率。

■ 采用高效節(jié)能的綠色制冷系統(tǒng)。主要是采用水冷空調(diào)和自然制冷措施。

■ 采用LED綠色節(jié)能光源取代或部分取代傳統(tǒng)光源，另外就是運(yùn)維管理，做到人走燈關(guān)

采用先進(jìn)的冷凍水平送風(fēng)空調(diào)、冷池封閉技術(shù)、高效率UPS來整體實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，使得機(jī)房的整體運(yùn)行成本降低，實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃。計(jì)算機(jī)機(jī)房應(yīng)充分體現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)，加強(qiáng)環(huán)保措施，采用綠色材料，使其真正體現(xiàn)現(xiàn)代化綠色計(jì)算機(jī)房的風(fēng)范。

結(jié)合臺(tái)達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房的經(jīng)驗(yàn)，提供系統(tǒng)方案中供配電系統(tǒng)、交流不間斷系統(tǒng)、精密配電系統(tǒng)、機(jī)柜系統(tǒng)、精密空調(diào)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。

我們以臺(tái)達(dá)InfraSuite集成一體化架構(gòu)，系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)來達(dá)到五大價(jià)值理念設(shè)計(jì)新一代機(jī)房：