数据中心增效节能技术

数据中心技术专题之“数据中心增效节能技术”
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热通道遏制
热通道遏制通常比冷通道遏制更容易让人接受，在能源效率方面有一个小小的 优势，其支持者提醒其它空间和冷通道拥有一样舒适的环境，不需要做任何制冷， 根据 ASHRAE 修订的数据处理环境热量指导原则，温度应该在 75°F（23.9°C）左 右，另一个版本预计很快就将发布，它可能会为某些设备分类再次扩大温度和湿度 范围。
如果气候条件能满足空气洁净，而且气温低，那么空气侧制冷会是个明智的选 择。如果气候条件一般（包括一些超出你预期的地方，例如夏威夷），仍然可以考 虑空气侧制冷方案。但是，如果一个地方的天气热，而且湿度还高，或是刮风水， 吹污染物，那就根本不值得考虑。即使采用了扩展型“ASHRAE 热信封”技术——
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能耗很大一部分取决于制冷
据近期对 IDC 的调查显示，数据中心 35%的能耗用在了制冷上面，这也是阻碍 PUE 降低的主要因素，但是没有制冷万万不能，一旦制冷停止，机柜也无法运转下 去。但是我们可以从制冷入手降低能耗，因为制冷是区分能耗浪费和高效节能之间 的一道分水岭。
数据中心制冷的“免费午餐”：方法与挑战 数据中心制冷遏制方案
从根本上解决数据中心效率问题
本节中会讲到针对数据中心能耗和效率问题的一些应对技巧。是什么降低了你 的数据中心效率？用什么方法可以减少数据中心的能量消耗？这些可以在这里找e 2 of 35
导致数据中心效率低下的五大因素 了解您数据中心的能源消耗与成本 精确测量数据中心能源消耗的最佳实践
热空气现在完全被捕获到热通道，因此它不会泄露，冷空气被控制在冷通道中， 因此也不会被浪费掉，看起来很简单，但真的是这样吗？我们进一步分析下。 两种遏制类型
我们只定义了冷/热通道遏制，如果你曾听说过或了解这个主题，你可能知道 每个方法都有忠实的拥护者和批评者，为什么只包含这两个通道呢？其它空间的空 气为什么不包括进来呢？不是不能这么做，只不过那样会引起许多不必要的工作和 开支，你如何决定哪个方法适合你呢？实施遏制时遇到了什么问题？可以避免掉这 些问题吗？每个方法都有它的优点和缺点。
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（FPM）的流速估算得出的，也就是时速 28 英里。这简直是微风吹来！以这种速度 推算，要达到每分钟 4 万立方英尺空气流量就需要 16 平方英尺大小的通风口（也 许长 8 英尺，宽 2 英尺）。周转速度更快的是每分钟 1500 线性英尺（FPM），这样 的话，15 万立方英尺空气要求的通风口或者洞口大小就是 100 平方英尺或是 4 英 尺 X25 英尺。
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究竟什么是遏制呢？
冷/热通道设计旨在减少冷/热空气混合的发生，遏制将这个目标提高到了一个 新的水平，冷/热通道朝前迈出了一大步，使得给高密度负载降温成为可能，但随 着热输出量的增加，一些之前频现的空气混合问题又开始慢慢出现了，其主要原因 很容易识别和解决。
对于大型数据中心，要通过通风口直接流转和过滤这么大体积的空气，是不太 实际的。大量的空气通过一个大口流入，必然会带来大量污染物，所以得过滤掉空 气中的微小颗粒，导致任务十分繁重。首先，大型风扇把空气吸入重型过滤器中， 但随着新空气流入，空气量增大，过滤器上的杂质也随之增多，阻力越来越大。这 就导致了电力消耗。当然也要考虑过滤器更新费用。
空气侧制冷利用“空气对空气”热交换机，能够避免污染问题和湿度问题。原 理是把室内空气的热量直接转移到室外清凉空气中，同时尽量减少室内空气流失和 室外新空气的渗入。当然，由于空气导热效果远低于水导热，所以空气导热设备体 积很大。Kyoto Wheel 就是一款不错的设备。
数据中心制冷的替代设备和方案
Kyoto Wheel 是缓慢旋转的大型铝制蜂巢装置——是早期转轮式换热技术的现 代改进版——专为数据中心设计。每分钟转动 3 至 10 圈，转动所需能量达到最小。 增加的特殊风扇可以有效抽空蜂巢中的空气，虽然也要消耗电力，但据称该装置所 耗电能只占同等机械制冷的 8-25%。而且，室内外空气交换量低于 1%，装置表面覆 盖的涂层可以避免灰尘堆积和侵蚀，导致导热效果降低。要移除 600-850 千瓦热量， 该装置直径需达 20 英尺，其容纳外壳在屋顶上或临近建筑物处要占据 1000 平方英 尺面积。然而，如果该装置转轮全速运转，那么在美国中部的达拉斯地区就可以在
如果存在开放的空间，则热空气不能留在热通道内，冷空气不能留在冷通道内， 因此，机柜中的所有开口必须堵住，防止热空气在计算机和非连续机架之间的空间 重新循环，同时也防止宝贵的冷空气从这些开口流失，在未使用的机架空间使用空 白挡板的原则最容易被大家忽略，它会导致大量无效的数据中心制冷，浪费能源。
但还有两个因素需要考虑：热量增加后，风扇将会带走它们能带走的热空气， 随着热量密度的增加，热空气会溢出机架的顶部，再次返回到服务器，随之设备需 要更多的冷空气，最显著的解决方案的是在这些地方设置障碍，在通道的末尾设置 墙体和门，将机柜顶部通道塞进天花板，这就是所谓的遏制。
解决空气侧制冷难题
控制空气的湿度也很重要。如果空气湿度太高，可以使用冷盘管凝结水分；若 是湿度偏低，则可用热盘管加湿。这都需要用到电力。相比冷盘管来讲，除湿剂 （一种吸湿化学物）比较节约电力，但会造成空气阻力，导致风扇电力消耗增大。 这样一来，又把原先的省电效果抵消了，所以不存在真正意义上的“免费”。我们 甚至还没将气态污染物考虑在内，这种物质很难从空气中剥离出来，久而久之还会 对硬件造成损害。
解决方案与成功案例
IT 部门是如何解决数据中心的能源危机的？如何应对高密度的机房设备？需 要计划合理、安排周全的解决方案。以下是施耐德电气旗下的 APC 公司所提供的解 决方案。
建行北京数据中心部署 260 套 APC 机柜系统 银华基金建起动态数据中心
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大部分空间的温度都保持在合理范围内，因此设备风扇可以从任何地方吸入空 气，虽然我们应该尽力给硬件提供充足的空气，但也不用像冷通道遏制那样控制得 那么严格。
热通道遏制主要的缺点是工作环境，温度可能会达到 95°F 或更高，这可不是 什么舒服的工作环境，但与流行的看法相反，它不会超出 OSHA 标准，为了降温， 一些设计在控制区域引入了适量的冷空气，使温度保持在可接受的范围，但很明显， 这会抵消掉遏制解决方案获得的效益。
我完全赞同遏制的意义，但需要采取正确的方法，遏制的方法多种多样，适用 于地板下和地板上的制冷。虽然遏制仅仅是冷/热通道设计的一个延伸，但它却并 没有得到普及，也不是每个数据中心在任何情况下都可以轻松地采用。那么实施一 套遏制方案时需要考虑些什么呢？市场营销人员在我们面前隐藏了什么？
遏制并不是什么新技术，多年前的商业产品中就可以看到它的影子，但最近有 发扬光大的气势，原因很简单，随着功率和热量密度的增加，硬件制冷变得越来越 困难，能源效率的重要性变得越来越有吸引力，市场营销者总是热衷于推销最新的 技术，在未充分曝光之前，很容易让人们落入陷阱。
为了理解遏制技术的工作原理，我们先温习一些重要的基础知识，优秀的数据 中心制冷方案具有 4 个基本原则，特别是高密度负载数据中心：
1.向设备通风口送入温度适宜的足量空气。 2.最小化冷/热空气混合。 3.控制到空调的回流气体路径。 4.最大化到空调的回流气体温度。 5.如果正确实施，遏制可以帮助实现这 4 个原则。
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一定程度上能使一个地方更多区域延长免费制冷时间——仍然有局限性。不管应用 何种技术总得考虑到成本收益问题。
归根到底，驱热都是能量从一个介质转到另一个介质的过程。我们用到的机械 制冷，是利用不需要的热量把液态冷冻剂转化成气态，然后再利用机械系统把它变 回液态，这样可以在转化过程中往复循环使用。根据具体使用的系统类型不同，冷 冻剂可能会流转到冷凝器上把热量释放到空气中；或是与冷却塔中的水进行热交换。 如之前提到的，这两种方法都要消耗电力。热水侧制冷的关键在于添加绕开机械制 冷系统的阀门，当室外温度足够低时，只需让水循环就能把热带走。控制系统设置 可能会有点棘手，但是原理上却很简单。
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数据中心制冷的“免费午餐”：方法与挑战
这里提到的免费方案并不是真的不花钱，除非你在某怡人的春日把数据中心窗 户打开进行换气。不过，如果利用户外低温空气来驱散大楼或数据中心里的热气， 那会比机械制冷省电得多。所以我们称之为“免费制冷”。
利用空气侧方法给数据中心降温
免费制冷有两种形式，通常是空气侧和热水侧。目前为止，热水侧（更普遍的 说法是液体侧）仍然是较常用的方式。利用水循环（或是冰冻天气时的水和乙二醇 混合物）把热带到室外的冷却塔。当水流从塔的高处往低处倾泄而下时，巨大的风 扇会把空气吹向水流方向，从而使水里的热量散发到空气中，哪怕户外气温较平时 更高——但是这需要电力。当气温低时，几乎不需要风扇耗能，电力消耗主要在水 泵运转上，用于带动管道中的水流。
空气侧免费制冷只涉及到空气的流动，无需液体介入。由于不再需要把液体通 过水泵输入到管道中，所以应该算是最节能的方式。但是，真的是这样么？就像很 多事情一样，这要视情形而定。
很多人认为，空气侧方法只不过是在墙上凿个洞或是在屋顶通个口，在夜里或 是冬天把冷空气引进来。但实际上，空气侧制冷远没有想象的那么简单。与热水侧 制冷消耗的水量相比，这种方法需要更大量的空气。一个 250 千瓦的数据中心每分 钟需要 4 万立方英尺空气。一个兆瓦数据中心每分钟需要的空气量则超过 15 万立 方英尺。所以，这个洞或者口要特别得大。以上数字是按每分钟 2500 线性英尺
使用空气侧冷却方法最大的缺陷在于，能让数据中心在所有时间段享受免费制 冷的气候几乎不存在。最新的“ASHRAE 热指南”可能会改变这一状况，但是它与 现今多数运算硬件不匹配。虽然任何时候使用免费制冷都可以节省不少能源，但是 毕竟也有失灵的时候，所以机械空调系统必不可少。热水侧制冷，唯一要添加到冷 却装置上的就是阀门和控制器。而空气侧制冷，除了机械制冷系统费用，还要增加 空气侧制冷设备的支出。在决定是否要采用免费制冷方案时，一定要作充分的投资 回报率分析，尤其应该 考虑空气侧制冷方案。先不论免费制冷方案的货币回报率 高低，毫无疑问它是有利于环境保护的。而且，新型设备也使得这一方案更加现实 可行。