高校数据中心的绿色节能研究

张志钢，王泽生

(天津城市建设学院 信息化建设管理中心，天津 300384)

高校数据中心的绿色节能研究

张志钢，王泽生

(天津城市建设学院 信息化建设管理中心，天津 300384)

为满足高校数据中心快速发展的需求，提高 IT设备的运行效率，有效降低数据中心的能耗，围绕数据中心绿色节能的目标，讨论了IT设备、空调系统及UPS系统三个主要能耗部分，分析了降低其能耗的方法和技术，为绿色数据中心的规划设计及运行提供了依据．

高校数据中心；虚拟化；空调；不间断电源；绿色节能

随着高校信息系统整合和数据集中的不断深化，数据中心也由早期对数据存储、访问的基本需求逐步过渡到深度处理、信息挖掘的高级应用阶段，对数据也从静态存储转为面向多业务的动态处理和交换中，从而使得数据量大幅增长、衍生应用种类不断增多，计算量、存储量、吞吐能力和传输能力快速增加，数据中心的服务器、存储、网络规模不断扩大．

在全球能源资源日益短缺和环保节能意识不断提高的今天，数据中心的快速扩张带来的高能耗问题越来越受到人们的关注．据统计，我国数据中心机房电源的使用效率(PUE)的平均值在 2.5以上，这意味着 IT设备每消耗 1,kW·h电，就有多达 1.5,kW·h的电被机房设施消耗掉，而国外先进的数据中心机房的 PUE可以达到 1.7．因此，如何降低数据中心和基础设施能耗，实现绿色创新和绿色 IT，已逐步成为我国数据中心建设的关注重点．

1 数据中心的能耗构成

据EYP Mission Critical Facilities Inc．提供的调研数据[1]，各种用电设备在数据中心机房所产生的功耗大小如图1所示．

从图1可以看出：由服务器、存储和网络通信等所构成的IT设备系统是数据中心机房能耗最大的部分，其能耗约占数据中心机房总能耗的 50%左右，其中服务器设备的能耗40%左右，其余10%的能耗基本上由存储设备和网络通信设备均分；空调系统的能耗排第二位，约占总能耗的37%左右；UPS供电系统的能耗排在第三位，占总能耗的10%左右；照明及其他系统的能耗占 3%．由此可知，IT设备、空调系统及UPS系统是绿色节能技术应重点考虑的部分．

图1 数据中心各种能耗分布

2 IT系统的节能规划

现今，高校 IT环境面临着两大挑战：一方面，经过多年的积累，数据中心逐渐形成了大量的服务器系统，运行着各种应用系统，这使得网管们往往面临着巨大的成本压力、管理压力和业务连续性要求的压力；另一方面，服务器大部分时间处于低负荷状态，存储利用率不高，且数据重复存储，资源浪费严重，电力供应和制冷能源消耗巨大．因此，对 IT系统进行重新规划，在提高其工作效率的同时降低其能源消耗，已成为高校数据中心建设的重要任务之一．

2.1 虚拟化技术

虚拟化是一种从逻辑角度出发的资源配置技术[2]，是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行．虚拟化可使物理硬件与操作系统分开，从而提供更高的 IT资源利用率和灵活性．虚拟化允许具有不同操作系统的多个虚拟机在同一实体机上独立并行运行．每个虚拟机都有自己的一套虚拟硬件(例如 RAM、CPU、网卡等)，可以在这些硬件中加载操作系统和应用程序．无论实际采用了什么物理硬件组件，操作系统都将它们视为一组一致标准化的硬件．虚拟机封装在文件中，因此可以快速对其进行保存、复制和部署．可在几秒钟内将整个系统(完全配置的应用程序、操作系统、BIOS和虚拟硬件)从一台物理服务器移至另一台物理服务器，以实现零停机维护和连续的工作负载整合，从而提高了效率、灵活性和响应能力，减少了设备数量，降低了IT系统的能耗．

2.2 服务器虚拟化

以某高校的数据中心为例，现有的应用平台由 42台PC服务器及2台企业级数据库服务器组成，支持着全校多个业务系统的运行，包括 WWW、E-mail、DNS、教务系统、网络教学平台、计费管理系统、资产管理系统、一卡通系统、视频点播系统等．通过对服务器进行虚拟化规划，将其移植到10台IBM3850服务器上，每台服务器安装虚拟化软件 VMware系统，利用每台IBM服务器的强大处理能力，生成10台虚拟机服务器，而每台虚拟机等同于 1台物理服务器，利用原有的 PC服务器安装 VMware Virtual Center软件，集中管理整个虚拟化系统，保留原有 2台数据库服务器．

为实现数据集中存储、集中备份及在线迁移等功能，配置了 EMC CLARiiON CX3-40光纤存储，组成SAN架构，由VMware虚拟架构套件生产出来的虚拟机的封装文件都存放在SAN 存储阵列上[3]．通过共享的 SAN存储架构，可以最大化地发挥虚拟架构的优势，进行在线迁移正在运行的虚拟机(VMware VMotion)，进行动态的资源管理(VMware DRS)和集中的基于虚拟机快照技术的Lan Free的整合备份(VMware VCB)等，而且为以后的容灾提供扩展性，并奠定架构上的良好基础，系统的拓扑图如图2所示．

图2 某高校数据中心虚拟化服务器系统的拓扑图

2.3 节能分析

2.3.1 服务器效能分析

迁移之前的服务器的平均资源利用率在 5%～15%左右，迁移之后服务器的平均资源利用率达到了65%左右．在能耗方面：迁移之前服务器功耗为500,W×42＝21,000,W，迁移之后服务器功耗为1,300,W×10＝13,000,W．由此可以看到迁移前后服务器的能耗减少了 61.54%，同时还可根据迁移后服务器的情况，调整 UPS电源和空调的设置，以进一步降低能耗．

2.3.2 存储效能分析

通过Avamar Virtual Edition与VMware相结合，利用重复数据删除技术，在虚拟机内和跨虚拟机减少备份数据的大小，然后再通过网络或虚拟架构进行传输并存储，重复删除可达近 50∶1，有效地缩减了数据空间，提高了存储的利用率，降低能耗的效果显著．

3 空调机房的设计与运行

数据中心的 IT设备会产生大量集中的热量，同时部分设备对温湿度的变化又极其敏感．根据 IT设备供应商提供的数据，数据中心要求的运行温度为24,℃，相对湿度为 30%～80%．因此空调系统的节能需从系统冷负荷计算、机房气流组织设计及空调系统的运行维护入手．

3.1 空调系统冷负荷的计算

计算机房的空调负荷来源有：围护结构传热负荷和太阳辐射热负荷；数据中心内IT设备的散热量；照明，人体和新风负荷．其中 IT设备传热形成的冷负荷占到总显冷负荷的 95%左右[4]，主要包括电子设备、电力设备，均属于稳定传热，形成瞬间冷负荷．其相关计算：①电子设备冷负荷为

式中

Qs——电子设备冷负荷，W；

n1——负荷系数，可按0.9～1.0计算；

n2——同时使用系数，可按主机 n2＝1.0，外部设备n2＝0.8计算；

N——电子设备铭牌电功率，kW．

②UPS冷负荷为

式中

Qu——电子设备冷负荷，W；n3——UPS工作负荷系数，可按0.8计算；

cosφ——功率因素；

kVA——UPS容量，kV·A．

3.2 气流组织的设计

数据中心的电子设备密集布放，总冷负荷较大，大约在 300～600,W/m2，有的甚至更高．针对数据中心的余热量大、发热源集中的特点，需要有合理的气流组织的分配和分布，以满足数据中心的需求．在参考了美国 22个数据中心的建设经验[5]及经笔者调研，高校数据中心的气流组织普遍存在这些问题：机柜上部以及周围的热空气短路；由架空地板上电缆桥架穿孔不密封造成空调送风短路；不合理的穿孔地板的布置；不合理的机房空调的布置；不合理的吊顶空间高度的设计造成过小的回风静压箱；架空地板下大管径的水管，或者地板下大量的桥架造成的空气阻塞；机柜前后左右开放的面板造成的空气从热通道到冷通道的短路；由于机柜内部阻力太大造成的内部空气不流通；一些 IT设备采用侧面排风(通常机柜都是前进风，后出风)；架空地板下静压箱的压力过大或过小．

要避免上述问题，就要遵循 TIA-942标准关于数据中心通信基础设施中有关冷热通道的定义进行设计[6]．该标准中对于冷热通道的设计有助于对相对集中的设备进行散热和促进整个数据中心的气流循环．将数据中心的机柜采用“面对面、背对背”式隔离交错排列，形成间隔的冷通道和热通道．这样，在设备面对面的通道(冷通道)中，冷空气从机柜前面的架空地板散出孔出来后，经过机柜和设备的内部运行后变成热空气，再从机柜背面排除；在背对背的通道(热通道)中，热空气上升，从天花板的排气口溢出．这种方法使冷热空气形成更强的对流循环，增强了机柜冷却效果，相对于传统的单排机柜部署降低了空调系统的能耗，如图3所示．

图3 基于TIA-942标准的冷热通道设计图

此外，还需要密封所有架空地板上的桥架开孔和桥架上由于电缆分布而设置的开孔；封住机架上所有不使用的空间或者面板上的开孔，减少冷量损耗，避免空气短路；架空地板下的主桥架也应尽可能靠墙布置；而且在气流组织设计时也应有效利用大自然新风的供冷能力，以降低机房空调系统的能源消耗．

3.3 机房空调的运行与维护

为使机房空调高效运行且节能，需要在以下几方面引起足够的重视．

(1)提高制冷系统温度设置值．为了最大限度地提高空调系统的容量和优化效率，设置点不应低于维持设备进气温度所需的数值[7]．

(2)适当设定回风温度值．当机房需要降温时，空调工作在制冷状态，此时若将回风温度值设高些(在满足机房温度要求的条件下)，会使压缩机的运行时间缩短，从而起到节能作用．同理，当机房需要升温时，空调工作在加热状态，此时若将回风温度值设低些，会使加热器运行时间缩短，起到节能作用．

(3)改变空调 7×24,h不间断运行方式为间断性的运行方式．

(4)通过现有机房新风换气系统，充分利用室外温度来调节室内温度(冬季)．

(5)加强机房密封性能，夏季合理利用机房窗帘调温(经验数据显示，通常窗帘可以有 10,℃左右的调温能力).

(6)搞好空调的定期维护、保养工作．定期清洗室外机、滤网、蒸发器和冷凝器翅片；检测压缩机电流、压力、出风口温度、电机和轴承运行状况，避免压缩机空转不制冷的情况发生；定期补充空调制冷剂，提高制冷效率；定期校对温湿度传感器．

4 供电系统的设计与管理

供电系统是数据中心的心脏和血管，数据中心的电源系统无一例外地采用 UPS供电，但许多数据中心在购买UPS电源的时候，热衷于追求UPS的绝对效率，并且想“一劳永逸”，盲目大规模装备 UPS电源．在实际应用中，许多数据中心UPS的运行负载率一般也就在 20%左右，UPS的供电效率一般也只有50%～60%[8]．供电效率低就意味着很多的电能在转换过程中变成热能给浪费了，而运行负载低，意味着很大一部分在运行的负载是被浪费的．

4.1 UPS的设计

在进行数据中心的供配电系统规划时，需要考虑模块化 UPS冗余并机系统来降低能耗[9]．首先，根据 IT设备的情况及其将来的需求规划，计算所需UPS的电源功率；其次，根据需要的 UPS功率，规划 UPS的架构，选用供电效率高的模块化 UPS，采用N+X的模块化UPS并联冗余架构，保证UPS的容量和可靠性，提高UPS系统的负载率，并可按需配置 UPS容量，减少容量的闲置，提高 UPS利用率，降低能耗．

随着数据中心的扩容，可逐步添加 UPS模块，达到 UPS容量的增加，来支持 IT设备的正常运行；并可增加配电箱或配电柜，来满足逐渐增加的设备和使用空间对用电的需求．

4.2 电池管理

UPS都配备了电池组，用户在电池组上的投资往往占整个UPS供电系统投资的很大一部分，甚至超过了UPS本身的投资，而电池的使用年限明显低于UPS设备．由于电池的主要材料是重金属铅、硫酸和不易分解的塑料，这些会对环境造成严重的污染．因此，减少电池的使用数量，延长电池循环使用寿命，不仅节省了对电池的投资，而且还减少了对环境的污染．

(1)并机共用电池组．通过整流器控制及故障隔离技术，使并机系统中的两台或多台 UPS的整流同步、母线均流，系统中各台 UPS母线直接并联，然后将满足系统后备时间要求的电池并联后接入并联母线系统中，实现电池的共享，减少电池的投资[10]．以“传统1+1的UPS配置，电池后备1,h方案”为例，其中一台UPS故障时，另一台 UPS的电池不能为其使用，所以UPS1和UPS2必须各配置1套1,h的电池组，才能保障系统在断电后还能备用 1,h．采用共用电池组方案后，在 UPS1故障后，系统中的电池仍能为 UPS2提供能量，所以整个系统仅需配置 1套1,h电池即可．这样不仅节省了电池的直接投资，同时也节约了空间、承重及空调等方面的投资，降低了对环境的污染．

(2)智能电池管理技术．影响电池寿命的因素有很多，主要包括温度、充电、放电、循环次数等．如果能够对上述几个因素进行综合处理，就可以大大延长电池的使用寿命，延长电池更换周期，节约电池投资．通过采用电池均浮充管理、充电温度补偿、智能放电终止电压控制等技术，使用电池定期自动检测和电池漏液检测等功能，可使电池寿命延长2～3年．

5 结 语

数据中心的绿色节能建设是高校信息化过程中持续被关注的重要问题，也是一个全面的、整体的建设过程．本文从 IT系统、空调系统、供电系统三个方面入手，在满足数据中心业务需求的前提下，分析了降低其能耗的方法和技术，并给出了应用实例和设计方法，对高校数据中心的绿色节能建设进行了有益的探索．要实现绿色数据中心，就需要把“绿色节能”贯彻到数据中心的规划、建设和维护的整个生命周期活动中，不仅需要考虑节能、环保，也要从需求、功能、性能、安全、成本以及技术的可行性与产品的可实现性等诸多方面综合考虑，寻求因地制宜的、高效的解决方案．

［1］李成章. 现代信息网络机房对节能降耗的技术需求[J]. 电源世界，2008，7(26)：56-58.

［2］于 耳，盛 靖. 数据化校园服务器虚拟化整合[J].中国教育网络，2009，1(1)：118-121.

［3］向宁宁. 绿色数据中心的建设实践[J]. 金融电子化，2008，11(11)：58-60.

［4］张成泉. 机房工程[M]. 北京. 中国电力出版社，2007．

［5］周兰兰，潘毅群. 某数据中心空调系统设计与节能优化分析[J]. 暖通空调，2009，39(10)：102-107.

［6］TIA-942，Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers[S].

［7］中国绿色数据中心. 绿色节能机房之道[EB/OL].(2009-11-15)[2009-12-15].http：//www.jifang360. com/special/datacenter/index_3_2.html

［8］朱利伟. 中型数据中心机房的规划与设计[J]. 智能建筑与城市信息，2009，3(3)：58-60.

［9］郭 栋. 大型绿色数据中心的规划研究[D]. 上海：复旦大学，2008.

［10］王其英. 数据中心的环境设计与供电系统选型[J]. 电源技术应用，2009，10(10)：31-34.

Study on Green Energy Saving of College Data Center

ZHANG Zhi-gang，WANG Ze-sheng
(Information Construction and Management Center，TIUC，Tianjin 300384，China)

To meet the needs of the rapid development of college data center，improve the running efficiency of IT equipment，and reduce the energy consumption，this paper discusses three major parts of energy consumption，i.e.IT equipment，air-condition system and UPS system，and analyzes the methods and techniques of energy saving，thus giving a basis for designing and running of a green data center.

college data center；virtualization；air-condition；UPS；green energy saving

TP393

A

1006-6853(2010)02-0136-05

2010-01-05；

2010-03-09

张志钢（1977—），男，河北张家口人，天津城市建设学院讲师，硕士.