数据中心节能减耗技术探讨

马永荣

（恒锋信息科技股份有限公司）

1 引言

近年来，随着大数据、云计算与人工智能的发展，以及Google、Facebook、阿里巴巴、腾讯等大型科技、互联网企业的业务发展，对支撑这些前沿技术和企业信息运转的数据中心基础设施也提出越来越高的要求，涌现出一大批大型、超大型规模的数据中心。这些大型的数据中心配置有几万台、几十万台的服务器设备，而且设备几乎是不间断的运行着，因此，可以想象所产生的能耗量是巨大的。为降低数据中心的运营成本，满足可持续发展的需要，节能减耗成为数据中心建设的追逐目标，PUE（电源使用效率）成为数据中心的重要指标。

2 数据中心的选址在节能减耗方面的作用

GB 50174—2017《数据中心设计规范》规定，数据中心选址应符合“采用水蒸发冷却方式制冷的数据中心，水源应充足，自然环境应清洁，环境温度应有利于节约能源”。在保障电力、通信和交通的条件下，数据中心的建设应选择在气候环境温度相对较低的地区，有利于降低能耗。

阿里巴巴、华为目前都在内蒙古乌兰察布建设云计算数据中心，乌兰察布年平均气温低，交通便利，能源充足。寒冷地区的数据中心利用气候条件的优势可以实现极低的PUE值，大幅度降低运营成本。

阿里云千岛湖数据中心因地制宜，利用千岛湖的深层湖水通过完全密闭的管道流经数据中心，帮助服务器降温。谷歌在北欧芬兰的一个哈米纳(Hamia)地区的数据服务中心，利用波罗海的海水进行机房冷却。这些巨头企业对其数据中心的选址充分考量了对能源节约的有利位置。

中国数据中心工作组（CDCC）提出关于建设布局的指导意见，新建超大型数据中心应重点考虑气候环境、能源供给等要素。鼓励超大型数据中心，特别是以灾备等实时性要求不高的应用为主的超大型数据中心，优先在气候寒冷、能源充足的一类地区建设，也可在气候适宜、能源充足的二类地区建设。其中，一类地区：气候寒冷（最冷月平均温度≤-10℃，日平均温度≤5℃的天数大于等于145d）、能源充足（发电量大于用电量）、地质灾害较少。

3 空调系统的选用

数据中心制冷系统占用很大能耗，约占数据中心整体能耗的40%～50%，减少数据中心制冷系统的能耗对降低数据机房PUE有着决定性的作用。在数据中心规划与设计阶段，应根据当地气候条件、数据中心的规模、空调系统综合能效等因素进行考虑，选择合理的空调冷源方案，能有效节约能源。

数据中心常用的制冷系统有风冷型空调系统、冷冻水型空调系统、水冷型空调系统、乙二醇冷却型空调系统和双冷源型空调系统。风冷型空调系统可实现每台空调独立循环、控制，属于分散式空调系统；机房无需要引入冷冻水，并且易实现模块化配置，冗余运行，可靠性高，安装、维护简单。冷冻水型机房空调系统采用冷源集中制冷的方式，可以运行高效率的冷水机组，制冷效率较高，制冷量大且节能性好。数据中心空调系统可以根据当地气候条件，充分利用自然冷源。阿里云千岛湖数据中心和谷歌北欧数据中心就是充分利用湖水与海水的自然冷源进行制冷。

4 数据中心的气流组织

空气是数据中心热、湿和洁净的载体。数据中心的空气调节系统产生的冷空气稀释电子信息设备运行中产生的热量。在冷量相同的条件下，机房内空调系统的气流组织是否合理对机房环境的温湿度均匀性有直接的影响。空调房间气流组织是否合理，不仅直接影响房间的空调冷却效果，也影响空调系统的能耗量，气流组织设计的目的就是合理地组织室内空气的流动使室内工作区空气的温度、湿度、速度和洁净度能更好地满足要求。影响气流组织的因素有很多，如送风口位置及形式，回风口位置，房间几何形状及室内的各种干扰等。数据中心主机房的气流组织形式有下送上回（见图1）、上送上回（见图2）和侧送侧回。

图1 下送上回

图2 上送上回

气流组织选用应根据机柜设备的冷却方式、设备布置方式、布置密度、设备散热量以及层高、面积等建筑条件综合考虑。合理的气流组织能减少冷气流与热气流的短路，即由空调送出的冷气流没有去冷却设备就与热气流混合而回到空调，从而提高冷气流的使用效率。利用送回风口、孔板、散流器、输风管等设施可以更好地进行机房内的气流引导，提高送风精确性。

5 冷通道封闭技术

根据美国的TIA-942《数据中心电信基础设施标准》，“面对面，背对背”的方式把机柜排成排，创造“热”和“冷”通道。“冷”通道在机柜的前面。“热”通道在机柜的后面。冷通道封闭技术就是建立冷池的技术，引导冷池的冷气流最大限度地流向机柜正面给服务器设备降温。降温后冷气流变成热气流从机柜背面流出，热气流再进入空调设备制冷后循环使用，如图3所示。

由于机房中传统机柜排列没有对冷热气流进行有效遏制措施，从而形成大量的冷热气流短路现象、机柜冷却不均匀现象，有的机柜过渡冷却，有的机柜散热不良，造成空调冷气流利用率低、空调耗电量增加以及空调运转时间延长等现象，不利于机房节能减排。经过相关测试，冷通道封闭比传统技法可节能达8%～15%。

冷通道封闭技术的气流组织是：由精密空调送出的冷风通过地板下冷风静压箱从冷池内的通风地板送出来，冷风聚集在冷池内，只能通过机柜正面网孔门进入机柜，一般IT设备的前面设有进风口，后面设置风扇排风口，设备冷却后的热气流从机柜背部网孔门排到热通道，热通道是开放的，热通道的热气流在受空调顶部回风口负压吸引下回到空调回风口，经过空调冷却后其冷风再从下部送风口送入地板静压箱，如此完成气流循环。

图3 冷通道封闭

数据中心机柜内设备常常并未占满整个机柜，机柜内设备之间有不同的间隙，冷通道内的冷气流除了进入机柜内服务器，部分冷气流也会从间隙中穿过机柜。此外，机柜背面的热气流受设备进风口的吸力影响，会从机柜间隙倒流至机柜前面与冷气流混合重新吸入设备进风口。为避免以上两种降低制冷效率的情况，可以通过在机柜间隙安装盲板阻挡不利气流流动。

6 结语

目前，云计算时代的数据中心建设规模越来越大，设备密度越来越高，绿色节能是时代发展的要求。因此，降低数据中心的能源消耗和运行成本具有重要的作用。本文从数据中心的选址、空调系统的选用、气流组织形式的选用以及冷通道封闭技术等方面对节能减耗的具体作用进行探讨，以实现更加绿色节能、符合时代发展的数据中心建设目标。