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魯少堃:數據中心的綠思維

魯少堃 2011/12/30

  數據中心朝著大型和超大型發(fā)展,對運算能力、存儲能力的要求也相應提高,但是隨之而來的是能耗的進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(jié)約成本?


  魯少堃,華為能源資深專家,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,這個比例已經達到1.7%-2.2%。數據中心的耗電支出已經超過對基礎設施的投入。

  隨著信息化的不斷發(fā)展,數據增長越來越快,對數據中心的需求和數據容量也相應地在快速增長。微軟公司的Christian Belady最近在其博文中寫道,預計到2020年,美國和全球數據中心市場將增長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越來越大,但是能源的緊缺供應,將難以滿足這種需求。數據中心工業(yè)協(xié)會(AFCOM)下屬的數據中心研究所預計,在今后幾年里,超過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商租用其提供的數據中心服務。

  數據中心朝著大型和超大型發(fā)展,對運算能力、存儲能力的要求也相應提高,但是隨之而來的是能耗的進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(jié)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(jié)能技術與設備,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。但是在采用新技術和新設備的過程中,不可避免會增加額外的前期投資。

  因此,對于數據中心的設計者和運營商而言,需要在技術資源、投資回報率、社會效應等多方面考慮,選取最適合的方案,從而達到經濟與技術的平衡。

  綠色數據中心的節(jié)能技術很多,但是歸根到底在于“開源”與“節(jié)流”。我們將從這兩方面,介紹一下現(xiàn)在比較主流的技術方案。

  綠之“開源”

  再生式能源對電力的補充:數據中心運營的基礎就是電力。電力保障了數據中心IT業(yè)務的穩(wěn)定運行、制冷系統(tǒng)的冷卻降溫、管理監(jiān)控系統(tǒng)的正常運作、室內照明等等。對于傳統(tǒng)的數據中心,通過電網獲得電力資源是唯一的選擇,但是現(xiàn)在,情況卻在悄然變化。

  2007年,Google在其總部安裝了太陽能發(fā)電系統(tǒng),約9200塊太陽能電池為Google提供了總功率1.6MW的電力。而另一個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的負荷和CO2的排放,并給數據中心帶來了巨大的經濟效益和無法估量的社會效應。

  再生式能源直接提供制冷:太陽能空調是目前應用較為廣泛的再生式能源制冷技術。它主要由太陽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能集熱器為其發(fā)生器提供熱媒水,來加熱發(fā)生器,取代了傳統(tǒng)吸收式空調用電能加熱的方式。并且,太陽能集熱器的熱媒水溫度越高,空調系統(tǒng)的制冷效率也越高。這種技術在太陽能資源豐富的地區(qū),已經得到很好的推廣與應用。

  目前歐洲最大的太陽能空調系統(tǒng)位于德國Offenburg。通過此系統(tǒng),Offenburg高等學校每年可以節(jié)省500MWh電能。

  自然冷源的利用:除了太陽能,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(qū),室外冷空氣可以直接導入數據中心,用于冷卻IT設備。微軟在愛爾蘭都柏林的數據中心將這種技術方案發(fā)揮到了極致:整個數據中心使用的是“無冷卻器”模式,也就是說,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換熱器,與周圍低溫水源或地下水,甚至土壤進行換熱冷卻,也能為數據中心的制冷系統(tǒng)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,更是一種清潔無污染的能源。

  選址是關鍵:美國地產大亨Donald Trump曾經在他的電視真人秀《學徒》中說過,地點選擇是商業(yè)成敗最關鍵的因素。同樣,地點選擇也是“綠色數據中心”成敗的關鍵,因為地點決定了是否有清潔、免費的能源供給。

  目前世界上大規(guī)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(xiàn),在此緯度范圍的年均日照時間較長、水資源較豐富、冬季較長、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(jié)流”

  與“開源”的“靠天吃飯”相比,“節(jié)流”就偏向于“人定勝天”了。“節(jié)流”旨在通過技術手段,改造或優(yōu)化數據機房,從而達到“綠色”的標準。接下來我們看一下IT、制冷、配電、建筑設計這四個能耗大戶如何節(jié)能:

  IT系統(tǒng)的節(jié)能:IT設備是數據中心的核心設備,又是最大的能耗單元。隨著新技術的產生和新產品的應用,IT設備正朝著高效節(jié)能的方向發(fā)展。

  比如刀片式服務器,通過對服務器部件的技術升級和優(yōu)化整合,顯著提升性能、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;虛擬化技術可以將多臺物理服務器整合到一臺服務器上來,按照5:1的比例,虛擬化技術可以節(jié)省最多80%的物理服務器所消耗的電力和冷卻資源。

  制冷通風系統(tǒng)的節(jié)能:制冷系統(tǒng)是數據中心排名第二的能耗大戶,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(tǒng)方面,同樣存在巨大的節(jié)能空間。

  大型數據中心的制冷,可以采用水冷機組代替?zhèn)鹘y(tǒng)風冷機組,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,避免冷熱空氣混合,達到高效制冷的目的,這種技術至少可以減少25%的制冷系統(tǒng)能耗。同時還可以采用熱風循環(huán)系統(tǒng),使用機房熱風對辦公區(qū)域、配套區(qū)域進行供暖,達到降低建筑整體能耗的目的。

  除此之外,精確送風技術也得到越來越廣泛的運用,該技術讓冷風直接冷卻機柜,并根據每個機柜溫度的不同,調節(jié)進氣量,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(tǒng)的節(jié)能:配電系統(tǒng)的重要組成是UPS,它保證了數據中心的電源穩(wěn)定,但是隨著數據中心規(guī)模的不斷擴大,UPS的耗電也變得越來越多。除了傳統(tǒng)的針對UPS和電池的節(jié)能技術升級以外,飛輪和高壓直流電源成為配電系統(tǒng)節(jié)能的兩個發(fā)展方向。

  飛輪儲能作為一種機械儲能的方式,比傳統(tǒng)化學蓄電池的效率高8%左右,達到98%。同時,飛輪UPS不需要空調降溫,節(jié)約了空調的成本和耗電量。另外,它的壽命長達20年,可靠性較高,還節(jié)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,是世界上最早同時也是規(guī)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(tǒng)+節(jié)能冷水機組+飛輪UPS”方案實現(xiàn)了能源的節(jié)省和空間的節(jié)約。

  除了飛輪儲能,高壓直流電源正成為配電系統(tǒng)一個新的發(fā)展方向。這是因為服務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(jié),降低了電流轉換的損失,實現(xiàn)迅速節(jié)能。

  建筑設計的節(jié)能:在建筑設計過程中,有很多技巧可以降低建筑的能耗,比如合理規(guī)劃建筑朝向、布局、外觀、間距、層高;合理選用節(jié)能型建筑材料以及規(guī)劃門窗尺寸、材料;合理設計樓宇通風、采光;在屋頂種植綠色植物等等。

  隨著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)或機構無疑都將受到越來越多的成本約束和環(huán)境法規(guī)限制。作為人類節(jié)能減排活動的重要組成部分,IT企業(yè)必將越來越努力建設高效節(jié)能的綠色數據中心,更新更優(yōu)秀的節(jié)能技術也將應用在數據中心上,以支持我們創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的計算環(huán)境。

CTI論壇報道



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