一种节能的新结构数据中心

文/北京北洋华诚新能源科技发展有限公司 陈庆洪

一、数据中心节能形势

随着大数据时代的到来，数据中心愈建愈多，愈建愈大。据统计，全球正在服务的服务器多达5500万台以上，最大的数据中心总功率达到100万千瓦以上。节能被提上日程。据2019年工信部、国家能源局和国家机关事务管理局三部委联合发出24号文件要求，新建大型数据中心PUE值不高于1.4，改造的数据中心PUE值不大于1.8。国际上在积极探索各种降低数据中心PUE值的方法：微软把服务器扔到海里，说是真正的“水冷”；KOLOS则把全球第二大数据中心建在北极圈以北；联想为北京大学建了一个水冷数据中心；许多单位把数据中心建在贵阳，利用贵阳的低温空气来降低PUE值；阿里云在浙江利用水库底层的低温水源做冷源，建造了据说PUE值达到1.1的数据中心。由此可见，节能是当前数据中心面临的重大问题。

微软把服务器沉到海里

二、新结构数据中心

我公司经过多年的研究，发明了一种节能的新结构数据中心，起名为“北洋云”，其PUE值可轻易做到1.1以下。如果全国现有数据中心按此方法改造，每年可节电费67亿元以上。

下面介绍北洋云数据中心的结构及节能原理。

把成千上万台服务器工作时的热量带走是机房散热的具体任务。我们发明的新的数据中心机房结构——北洋云数据中心机房，其原理是：先用密封机箱把服务器保护起来，再用风扇吹风冷却。自然风到处都有，取之不尽，用之不竭，所以比其他任何方法都节能，做到PUE<1.1。

普通云机房与北洋云机房结构对比图

普通云的冷却过程：

① 经过滤冷却的冷风从进风口进入机房；②经风口进入机箱内带走热量，同时留下部分尘土；③流出机箱；④流出机房。

北洋云的冷却过程：

① 室外空气经过纱窗被吸入机房；②经风扇吹至密封机箱表面带走热量，同时留下部分尘土在机箱表面；③被抽风机排出机房。

从上图可见：

普通云机房结构：风冷机箱服务器+密封机房。

散热方式：用空调（热泵）把服务器热量泵出去。

北洋云机房结构：密封机箱服务器+风冷机房。

散热方式：用风扇+自然风把服务器热量带走。

三、北洋云PUE值计算

以下图北洋云的一个机柜为例，其标配是：装10台2U服务器，每个机柜标配3台50W风扇，一个10W功率的LED照明灯。

主机总功率：每台服务器500W, 主机总功率10X500=5000W。

辅机功率3X50+10=160W。

PUE=5160/5000=1.032。

剩余的0.068（340W）作为机房排风及湿度调节、安保系统用。

全国在使用的服务器有500万台，以平均功率500W/台计，全国服务器总功率为500x0.5=250万千瓦。如果PUE值从1.4降为1.1，则：250×0.3×8760=65.7亿千瓦时。如以工业用电价1元/度计，全年可节省电费65.7亿元。

北洋云机房的建设成本要比普通云低，普通云机房建设要100%保供电+100%保供水+空气过滤。北洋云机房建设只需100%保供电。

四、北洋云实际运营测试数据

自冷密封机箱服务器实际工作的温度测试：

把1#—6#服务器放在机柜上，每台服务器都用鲁太师测试软件CPU加100%负载，测试CPU温度。结果如下表：

运行中的北洋云机柜及冷却风扇

服务器NO 1# 2# 3# 4# 5# 6# 平均机箱表面温度 37.4 30.1 35 33.8 37.8 35.7 34.97机箱内气温 35.4 31.7 32.8 34.4 35.6 31.8 33.62 CPU温度 54-55 55-54 58-56 54-55 49-48 53-52室温(ºC) 26 26 26 26 26 26 26开机时间 1:15:00 1:15:00 1:15:00 1:15:00 1:15:00 1:15:00风速（m/s) 2.3 2.4 2.2 2.5 2.2 2.5

1.在2～3m/S风速时，服务器密封机箱散热已能满足要求。此时，机箱内空气温度在31～36之间，平均33.62ºC。机箱外表面平均温度35ºC左右。而所有CPU温度都在75ºC以下（在100%负载条件下）。

2.机箱内空气平均温度与室温之间的温度梯度约为8ºC。这说明，即使在室外空气温度35ºC的情况下，机箱内空气温度亦只有35+8=43ºC<50ºC，符合CPU的环境温度要求。

因为自然风随处可得，使用自然风+风扇的冷却方式是最经济的。

但是，这样做的前提是必须使用具备散热功能的密封机箱，才能避免尘土对服务器机芯的污染。而这正是北洋云所具有的核心技术。北洋云因为使用了自冷密封机箱技术，确保服务器机芯不会受到自然风中所含尘土的污染，节能效果显著的自然风冷却技术才能在数据中心机房中推广应用。

五、电气固废大幅度减少，更加环保

普通云现在流行的使用的各种服务器都是使用风冷机箱，由于空气尘土污染，5年折旧报废，产生大量电气固废，污染环境。目前全球在用的服务器有6000万台以上，5年折旧报废，平均每年产生1200万台服务器固废。北洋云采用密封机箱结构，服务器工作在超净环境中，使用寿命可延长至30年以上。（美国1979年发射的旅行者号航天器，到现在已经40年了，它的电脑系统还在工作。）北洋云服务器的折旧可达10年以上。所以，北洋云产生的固废要比普通云减少一半以上，这是北洋云对环保的另一种贡献！

六、机房空气含尘量标准要修改

因此，我们在这里提出修改标准问题。美国通信行业协会 TIA 942数据中心通信设施标准，中国国标GB50174-2008中规定：A级和B级主机房的空气含尘浓度，在静态条件下测试，每升空气中大于或等于0.5μm尘粒数应少于18000粒。现在，这条规定成了推行以自然风冷却机房节能技术的障碍，所以，建议修改标准。把上述标准从“要求”改为“建议”。或者，干脆取消。这样，以后设计数据中心机房时，就可以不考虑机房空气过滤的问题，因而可以节省大量投资。