魯少堃：數據中心的綠思維
魯少堃 2011/12/30
數據中心朝著(zhù)大型和超大型發(fā)展，對運算能力、存儲能力的要求也相應提高，但是隨之而來(lái)的是能耗的進(jìn)一步提升和運維成本的不斷增加。如何降低能耗、提高資源利用率、節約成本？
魯少堃，華為能源資深專(zhuān)家，在國際上首先提出“多重能源耦合”概念，為低能耗建筑的研究提供了創(chuàng )新思維。
數據中心呼喚綠色
斯坦福大學(xué)教授Ohnathan G. Koomey的研究數據顯示，2010年全球數據中心耗電量達到了驚人的1988億kWh，約占全球發(fā)電量的1.1%至1.5%；而在擁有大量數據中心的美國，這個(gè)比例已經(jīng)達到1.7%－2.2%。數據中心的耗電支出已經(jīng)超過(guò)對基礎設施的投入。
隨著(zhù)信息化的不斷發(fā)展，數據增長(cháng)越來(lái)越快，對數據中心的需求和數據容量也相應地在快速增長(cháng)。微軟公司的Christian Belady最近在其博文中寫(xiě)道，預計到2020年，美國和全球數據中心市場(chǎng)將增長(cháng)50%，分別達到180億和780億美元。
數據中心的快速發(fā)展對電力等能源的需求也會(huì )越來(lái)越大，但是能源的緊缺供應，將難以滿(mǎn)足這種需求。數據中心工業(yè)協(xié)會(huì )（AFCOM）下屬的數據中心研究所預計，在今后幾年里，超過(guò)90%的企業(yè)數據中心將因為電力不足而至少中斷一次。在這種供給與需求的雙重壓力之下，越來(lái)越多的中小企業(yè)放棄了自建數據中心，轉而向大型數據中心運營(yíng)商租用其提供的數據中心服務(wù)。
數據中心朝著(zhù)大型和超大型發(fā)展，對運算能力、存儲能力的要求也相應提高，但是隨之而來(lái)的是能耗的進(jìn)一步提升和運維成本的不斷增加。如何降低能耗、提高資源利用率、節約成本，建設“綠色”數據中心？
探索“綠色”可行性
綠色數據中心的建設，需要使用新的節能技術(shù)與設備，替代原有的低功效設備，以降低能耗、提高能源利用率和減少運維成本。但是在采用新技術(shù)和新設備的過(guò)程中，不可避免會(huì )增加額外的前期投資。
因此，對于數據中心的設計者和運營(yíng)商而言，需要在技術(shù)資源、投資回報率、社會(huì )效應等多方面考慮，選取最適合的方案，從而達到經(jīng)濟與技術(shù)的平衡。
綠色數據中心的節能技術(shù)很多，但是歸根到底在于“開(kāi)源”與“節流”。我們將從這兩方面，介紹一下現在比較主流的技術(shù)方案。
綠之“開(kāi)源”
再生式能源對電力的補充：數據中心運營(yíng)的基礎就是電力。電力保障了數據中心IT業(yè)務(wù)的穩定運行、制冷系統的冷卻降溫、管理監控系統的正常運作、室內照明等等。對于傳統的數據中心，通過(guò)電網(wǎng)獲得電力資源是唯一的選擇，但是現在，情況卻在悄然變化。
2007年，Google在其總部安裝了太陽(yáng)能發(fā)電系統，約9200塊太陽(yáng)能電池為Google提供了總功率1.6MW的電力。而另一個(gè)IT行業(yè)巨頭微軟，則在其位于美國昆西的數據中心采用了水力發(fā)電方案。
除此之外，風(fēng)力、地熱、潮汐等再生式能源，同樣存在為數據中心提供電力資源的可能。再生式能源的使用，降低了數據中心對電網(wǎng)的負荷和CO2的排放，并給數據中心帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟效益和無(wú)法估量的社會(huì )效應。
再生式能源直接提供制冷：太陽(yáng)能空調是目前應用較為廣泛的再生式能源制冷技術(shù)。它主要由太陽(yáng)能集熱器和吸收式制冷機兩部分構成。吸收式制冷機利用太陽(yáng)能集熱器為其發(fā)生器提供熱媒水，來(lái)加熱發(fā)生器，取代了傳統吸收式空調用電能加熱的方式。并且，太陽(yáng)能集熱器的熱媒水溫度越高，空調系統的制冷效率也越高。這種技術(shù)在太陽(yáng)能資源豐富的地區，已經(jīng)得到很好的推廣與應用。
目前歐洲最大的太陽(yáng)能空調系統位于德國Offenburg。通過(guò)此系統，Offenburg高等學(xué)校每年可以節省500MWh電能。
自然冷源的利用：除了太陽(yáng)能，還有很多資源可以為綠色數據中心提供制冷資源，如江河、湖泊、海洋、地下水，甚至土壤和空氣，等等。
在氣候寒冷的北方地區，室外冷空氣可以直接導入數據中心，用于冷卻IT設備。微軟在愛(ài)爾蘭都柏林的數據中心將這種技術(shù)方案發(fā)揮到了極致：整個(gè)數據中心使用的是“無(wú)冷卻器”模式，也就是說(shuō)，數據中心不需要任何制冷設備，而是使用免費的外部空氣進(jìn)行冷卻。
除了直接使用室外冷空氣，我們還可以將熱空氣通過(guò)換熱器，與周?chē)蜏厮椿虻叵滤踔镣寥肋M(jìn)行換熱冷卻，也能為數據中心的制冷系統提供額外的冷量。這些資源不僅可以大大降低數據中心的電能消耗和耗電成本，更是一種清潔無(wú)污染的能源。
選址是關(guān)鍵：美國地產(chǎn)大亨Donald Trump曾經(jīng)在他的電視真人秀《學(xué)徒》中說(shuō)過(guò)，地點(diǎn)選擇是商業(yè)成敗最關(guān)鍵的因素。同樣，地點(diǎn)選擇也是“綠色數據中心”成敗的關(guān)鍵，因為地點(diǎn)決定了是否有清潔、免費的能源供給。
目前世界上大規模的數據中心主要集中在北緯44度到北緯46度之間，究其原因可以發(fā)現，在此緯度范圍的年均日照時(shí)間較長(cháng)、水資源較豐富、冬季較長(cháng)、年均氣溫較低，這些條件使提供免費的供電及制冷資源成為可能。
綠之“節流”
與“開(kāi)源”的“靠天吃飯”相比，“節流”就偏向于“人定勝天”了。“節流”旨在通過(guò)技術(shù)手段，改造或優(yōu)化數據機房，從而達到“綠色”的標準。接下來(lái)我們看一下IT、制冷、配電、建筑設計這四個(gè)能耗大戶(hù)如何節能：
IT系統的節能：IT設備是數據中心的核心設備，又是最大的能耗單元。隨著(zhù)新技術(shù)的產(chǎn)生和新產(chǎn)品的應用，IT設備正朝著(zhù)高效節能的方向發(fā)展。
比如刀片式服務(wù)器，通過(guò)對服務(wù)器部件的技術(shù)升級和優(yōu)化整合，顯著(zhù)提升性能、降低用電與冷卻成本，以及占地空間需求；固態(tài)（SSD）硬盤(pán)作為存儲單元的應用，使得存儲速度更快、能耗更低、發(fā)熱量更小；虛擬化技術(shù)可以將多臺物理服務(wù)器整合到一臺服務(wù)器上來(lái)，按照5:1的比例，虛擬化技術(shù)可以節省最多80%的物理服務(wù)器所消耗的電力和冷卻資源。
制冷通風(fēng)系統的節能：制冷系統是數據中心排名第二的能耗大戶(hù)，消耗的電能一般占到數據中心總耗電量的25%以上，所以在制冷系統方面，同樣存在巨大的節能空間。
大型數據中心的制冷，可以采用水冷機組代替傳統風(fēng)冷機組，提高制冷機效率，降低制冷設備電能消耗。
機房制冷可以采用密閉冷、熱通道技術(shù)，避免冷熱空氣混合，達到高效制冷的目的，這種技術(shù)至少可以減少25%的制冷系統能耗。同時(shí)還可以采用熱風(fēng)循環(huán)系統，使用機房熱風(fēng)對辦公區域、配套區域進(jìn)行供暖，達到降低建筑整體能耗的目的。
除此之外，精確送風(fēng)技術(shù)也得到越來(lái)越廣泛的運用，該技術(shù)讓冷風(fēng)直接冷卻機柜，并根據每個(gè)機柜溫度的不同，調節進(jìn)氣量，避免資源浪費。
此外，使用變頻空調，或者在保證設備正常運行的情況下調高空調溫度，都可以有效地降低能耗。
配電系統的節能：配電系統的重要組成是UPS，它保證了數據中心的電源穩定，但是隨著(zhù)數據中心規模的不斷擴大，UPS的耗電也變得越來(lái)越多。除了傳統的針對UPS和電池的節能技術(shù)升級以外，飛輪和高壓直流電源成為配電系統節能的兩個(gè)發(fā)展方向。
飛輪儲能作為一種機械儲能的方式，比傳統化學(xué)蓄電池的效率高8%左右，達到98%。同時(shí)，飛輪UPS不需要空調降溫，節約了空調的成本和耗電量。另外，它的壽命長(cháng)達20年，可靠性較高，還節省了更換蓄電池的費用。
位于美國科羅拉多州的Broomfield數據中心，是世界上最早同時(shí)也是規模最大的使用機架冷卻方案的數據中心。該數據中心應用“機架冷卻系統+節能冷水機組+飛輪UPS”方案實(shí)現了能源的節省和空間的節約。
除了飛輪儲能，高壓直流電源正成為配電系統一個(gè)新的發(fā)展方向。這是因為服務(wù)器在內部使用的是直流電，直接使用直流電源可以減少交流電轉換為直流電這一環(huán)節，降低了電流轉換的損失，實(shí)現迅速節能。
建筑設計的節能：在建筑設計過(guò)程中，有很多技巧可以降低建筑的能耗，比如合理規劃建筑朝向、布局、外觀(guān)、間距、層高；合理選用節能型建筑材料以及規劃門(mén)窗尺寸、材料；合理設計樓宇通風(fēng)、采光；在屋頂種植綠色植物等等。
隨著(zhù)二氧化碳排放量劇增、對全球氣候變暖的影響更加明顯，企業(yè)或機構無(wú)疑都將受到越來(lái)越多的成本約束和環(huán)境法規限制。作為人類(lèi)節能減排活動(dòng)的重要組成部分，IT企業(yè)必將越來(lái)越努力建設高效節能的綠色數據中心，更新更優(yōu)秀的節能技術(shù)也將應用在數據中心上，以支持我們創(chuàng )建可持續發(fā)展的計算環(huán)境。
CTI論壇報道
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