IDC机房节能技术研究分析

刘剑楠

近年来，随着计算机技术的不断发展，IDC（也称互联网数据中心）机房的建设规模不断扩大，其所需消耗的电能也越来越多，因此，如何实现IDC机房的节能减排，成为多方关注的焦点话题。因此，在确保系统设备正常运行情况下，提高电能的利用率，解决消除机房过热问题成为IDC机房日后发展过程中需要解决的一个重要问题。本文通过实际工作经验，着重就IDC机房节能减排技术的应用进行探讨。

一、IDC机房能耗现状及原因分析

（一） IDC机房能耗现状

IDC机房能耗计算参考值PUE，PUE值作为衡量数据中心电能使用效率的常用指标，主要是指数据中心所消耗全电能消耗量与负载消耗量的比值，通过计算发现，当PUE值接近1时，数据中心节能水平较高。目前来说， IDC机房的PUE值一般在1.6-1.9范围内。近年来，随着我国移动通信业务客户量的持续攀升，IDC机房电能消耗不断增加，一些大型互联网公司开展节能型IDC机房工作，采取了产品能耗优化，配备节能服务器等各种节能措施。目前这些企业虽然在IDC机房节能建设方面取得了一定成效，但从总体上来看，IDC机房仍存在能耗问题，其节能空间较大。

（二）IDC机房能耗原因分析

根據IDC机房PUE值的偏高原因分析，主要包括以下几个方面。（1）机房设备能耗偏高。IDC机房设备普遍存在容量低、能耗高的现状。（2）空调制冷系统利用率普遍不高，加上机房空调设备采用分期策略，从而导致空调设备出现空置。另外，在大型水冷空调系统未能得到广泛应用，覆盖率较低。（3）供电系统布局不合理，不能得到优化。例如，IDC机房部分供电设备（如变压器）负载率偏低，供电线路存在冗余现象。另外，机房配置UPS（不间断供电系统），此系统在机房运营初期，电能损量较大，占整个IDC机房能耗损量的20%左右。

二、IDC机房节能减排技术

要降低机房的PUE值，需要从空调系统节能、供配电子系统节能、照明系统的节能等几个方面着手。

（一）空调系统本身的节能

先谈谈空调系统本身的能耗有四部分组成：系统方面的能耗、热交换方面的能耗、动力方面的能耗、介质输送方面的能耗，对于这四方面能耗的控制和解决方案：

1.针对系统方面的能耗

准确计算制冷量，在空调制冷量计算过程中，确保制冷量计算的准确性，可避免制冷过度现象的发生，降低空调系统的能源消耗。然而，在制冷量计算时，还要考虑到IDC机房的迅速增长，在方案设计时要预留空调放置空间、管线位置等，确保随时能够增加制冷量。设计阶段选用空调制冷量匹配的主机， 为避免不必要的浪费，建议不使用一台大制冷量的空调， 以避免大机组在部分负荷的低效率下运行。而选用多台合适制冷量的紧密空调，运行时要注意根据实际空调机组的负荷变化及时变换空调机的运行参数和运行模式，使运行模式与环境现状保持一致，达到运行状态最佳。

2.针对热交换方面的能耗

热交换器（冷凝器和蒸发器）在常年连续的使用过程中会有灰尘和污垢结在热交换器的表面，增加了阻力降低了热交换效率，也会造成较大的浪费；对于热交换器应该进行定期清洁和维护，尤其是对于室外冷凝器的定期清洁和维护更为重要。

3.针对动力方面的能耗

压缩机电机、风机电机等能耗， 是系统维持运行的能耗， 按照目前的技术条件完全可以采用变频控制，使主机“按需”运行，避免出现大马拉小车现象。较大的系统，应采用多个设备搭配统筹运行， 这样可以避免比较大的系统在低负荷时的低效率运行。

4.针对介质输送方面的能耗

空调的冷媒管对冷热的输送， 管路系统应做好全面严密的保温， 这一点是非常关键的。空调系统在长时间运行以后， 对管路系统的保温层需要进行检查、检修和补损，确保保温系统有效， 减少管路系统的热量损耗，同时过滤网部位的清洁也十分关键，定期清洁不但可以减少阻力损失，还能减少细菌、灰尘对室内空气的污染，间接地减少空调机能耗，提高空气质量。

（二）新风系统的节能

空调机本身的能耗无疑是整个空调系统最大的，通过调节运行参数和运行模式可以有效的减少耗能。而另外一种节能的方式是依靠新风系统，根据以往经验分析，合理选择新风处理设备以及合理运行是减小能耗的关键，新风系统是指从自然界中获取温度比机房内温度低的空气，不需要压缩机制冷耗电的情况下，给机房降温的系统。运行中的新风引入首先应该注意的是新风的所在地的空气质量要有所保证，空气质量需要达标，其次新风的引入口与室内之间的距离不宜过长，以免新风在到达室内的过程中再次受到二次污染，再次选择空气过滤网时，应选杀菌性能好，吸附能力强的过滤网，可以有效杀灭有害细菌，清除大部分空气中的灰尘颗粒等，还需着重注意的是过滤网要及时清洗更换，保证风口畅通清洁。

（三）变频空调的节能

变频空调的节能优势不言而喻，相对于定频空调而言，变频能够在能源节约上体现出明显优势。其内部装设有变频控制器，通过对压缩机转动速度的调节以及对制冷量的连续性调节，具备温度曲线平稳、噪音小、节约能耗的效果。变频空调加快空调的制冷速度，利用变频技术可在每次启动过程中在功率上处于最大额度，此时风量最大，在短时间内便可达到设定温度。达到预计温度时，压缩机转速会自动下降，并维持低能耗状态。这样不仅可以在更短时间内达到设定温度的要求，还能在维持设定温度前提下避免压缩机频繁开停，对于压缩机的耗电量可明显控制并延长压缩机寿命，据统计可让压缩机节约能耗20%左右，在相关技术上可分为以下几种，①稀土永磁电机。这类电机的转子为稀土永磁，能够帮助压缩机在较宽幅度的频率及电压范围内实现高效率运转，达到节能效果。②模糊控制技术。这一技术可帮助变频空调自动感知室外温度变化并加以调节，让室内温度始终维持在设定温度左右。③超宽变频。超宽变频通过微电脑技术控制，可在短时间内测量出环境变化，并精确判断温度改变，让室内温度维持在设定温度恒定状态。

（四）优化气流组织的节能

利用气流组织形式，实现空调节能。精密空调制冷的气流组织包括空调布置、送风口和回风口设置、送回风方式等。其中，水平送风作为送风口设置的一种新的解决方案，能够有效地解决IDC机房设备密度或发热量不匀而引发的局部热点问题。因设备局部的温度较高，若采用均匀的送风方式，需要降低机房的温度，导致设备能耗的增加，而采用水平送风方式，可以将空调内机与过热的机柜组相互结合，并封闭部分柜组，这样能够大幅度地降低能耗，有效地解决局部热点问题，实现空调系统的节能减排。

（五）供配电子系统的节能

1.优化UPS配置

UPS的效率与负载率有关，如对于高效率的高频机要确保UPS的效率超过90%，需要确保其负载率在50%以上。如果高频机负载率在40%以下，将会大大降低UPS的效率，经过调查发现，UPS机房在发展过程中的单机负载率很低，一般不会超过30%。因此，为了避免UPS负载率过低，需要选用具有扩展性的模块化UPS，结合实际情况来进行负载配置。随着IT设备的增加，为了提高UPS的最大负载，需要增加模块数量，使UPS负载率控制在50%～60%。

2.减少UPS电池容量

大部分IDC机房配备了长时间的电池容量，以防止停电时能够及时为IDC机房供电。然而，由于大容量电池充放电时间过长，将会产生大量的能耗。对于大型IDC机房来说，当柴油发电机系统停电后再启动，共切换时间只有几分钟，因此UPS的电池容量只需要30分钟用于柴油发电机的切换。

（六）照明系统的节能

在数据中心机房照明系统节能方面，应从以下几个方面入手。

在数据中心照明系统节能设计时，要严格按照国家规定的标准进行设计。尽可能避免照度过亮或不匀现象的出现，选择节能型的光源和灯具。设计高效、灵活的照明控制系统，对于不工作区域的照明，设计自动关闭控制功能。在远程可实现IDC机房设备操作、环境监控等，减少工作人员进入机房操作次数，降低机房照明能耗。

三、IDC机房节能减排的新思路

近年来，随着我国IDC机房节能技术及措施的应用，在IDC机房节能减排方面，出现新的设计思路。

（一）一体化机房

一体化机房主要以先进的设计理念，标准化的设计程序和系统配置来实现标准化的工作模式。这种理念是集装箱数据中心和一体化机柜以及所有子系统在一个狭小的空间，只需供电就可以稳定运行。但它具有一定的封闭性，且设备密度较高，从而导致PUE水平较低。某厂商在一体化机房实际应用当中，通过利用这门技术将PUE值降至1.18。目前，集装箱数据中心和一体化机柜在各领域中得到广泛的应用。

（二）高压直流供配电

1.供电可靠性大大提高

采用直流供电的最大优点在于提高了供电的可靠性。这可以从三个方面体现：一是采用直流供电，蓄电池可以作为电源直接并联在负载端，当停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，确保供电的不间断。二是直流供电只有电压幅值一个参数，各个直流模块之间不存在相位、相序、频率需同步的问题，系统结构简单很多，可靠性将大大提高。三是虽然交流UPS系统可以提高冗余度来提高安全系数，但是由于涉及到同步的问题，每个模块之间必须相互通信来保持同步，所以还是存在并机板的单点故障问题。而直流模块没有这些问题，即使脱离控制模块，只要保持输出电压稳定，也能并联输出电能。

2.工作效率提高

和交流UPS系统相比，直流供电省掉了逆变环节，一般逆变的损耗在5%左右，因此电源的效率提高了。其次，由于服务器输入的是直流电，也就不存在功率因数及谐波的问题，降低了线损。再次，由于并机技术简单了，可以采用大量的模块并联，使每个模块的使用率可达到70%～80%，比交流UPS系统提高了很多。

3.系统可维护性增强

现在的交流UPS系统，涉及复杂的同步并机技术，整机的维护也只能依靠厂家。即使出现紧急情况时，我们的维护人员也只能等待厂家技术人员来解决，这些先天不足对安全供电存在较大的隐患。而采用直流供电，就如现在一直使用的 48V直流系统一样，系统由模块组成，虽然电压增高了，但只要做好安全防护措施，维护人员还是可以自己进行维护的，比如更换模块等。

4.扩容便捷

由于采用模块化结构，现在一个模块的容量一般在10kW左右，只要预留好机架位置，扩容是非常方便的。同時在建设的时候，可以根据服务器的数量逐渐增加模块数，使每个模块的负载率能尽量提高。这对于节能也是非常有好处的。

5.不存在"零地"电压等不明问题的干扰

因为是直流输入不存在零线，因此，也就不存在"零地"电压，避免了一些不明故障，维护部门也无需再费时费力去解决"零地"电压的问题。

四.结语

综上所述，在IDC机房节能建设过程中，要实现数据机房运行节能，我们需要结合实际情况，合理地选择不同技术、设备，并根据实际需求，选用最优化的节能方案。本文结合工作实践，针对IDC机房节能减排技术的应用进行了分析，旨在为IDC机房设备的节能建设提供依据。

作者单位：沈阳电信工程局（有限公司）