前言

云計算與大數據時代隨著現代信息化技術、智能終端、互聯網的興起而快速到來，云計算市場迎來了一個發展的高峰，云計算的實現離不開數據中心的支持，而云計算本身又在驅動著數據中心的變革。云計算的精髓在于資源的虛擬化，IT軟硬件架構與傳統架構相比有很大的不同，特別是硬件的變化，主要表現為IT設備的高度集中、高發熱、高耗能，驅使底層的風火水電等配套設施的作出相應改變，如何破解數據機房的三大挑戰企業機房的高效運轉是一個非常重要的課題？

企業數據中心中心的耗電

數據中心的基礎設施核心保障就是IT設備，形象的說建設數據中心就是為了解決IT設備的“吃”、“住”、“舒適”等生活問題，吃的是UPS的不間斷電源，住的是高檔機柜，享受的是精密空調，當然要實現這些就需要付出相應的成本，其中數據機房的電費是目前企業級機房最大的營業成本之一，為了解決耗電問題，我們先分析能耗的組成，才能對癥下藥，一個典型的PUE=2.3的機房耗電組成如下所示：

其中IT設備用電包括所有的IT設備的負載，如服務器、儲存和網絡設備， 

數據中心總用電包括支持IT設備負載條件的用電，如：

• 電力系統:如UPS、配電及開關、電池和配電損失。

• 空調系統：如冰水機組、機房空調機(CRAC,CRAH)、水泵及冷卻水塔等。

• 服務器、儲存設備及網絡設備等。   • 其他雜項設備，如數據中心照明負載、監控門禁系統及消防系統。

     根據以上耗電系統分析，PUE主要的改善方向如下：

以一個總功率100kW的機房為例，PUE從2.3改善到1.43，一年能節約30多萬度電，5年就可以節約165萬元的電費，為企業更高效的運營提供有力的支持。

總用電量=PUE*信息設備用電量

一年總用電量=總用電量*24h*365T

采用水平送風空調技術 

傳統氣流組織給數據中心帶來的困惑是：

整個架空地板下是個靜壓箱，所以每個機柜所享受到的出風量是一致的，無法按需提供冷風量；如果機柜的熱密度產生差異，高熱密度機柜就會產生局部熱點；

由于冷風從出風地板送出，通過機柜前開孔門板送入機柜，在機柜的垂直方向上，自下而上會產生風量梯度和穩定梯度；

 受機柜熱密度的影響，單機柜裝機容量受到限制：        

在傳統的機房配置空調時，通常會注重機房所需的冷量而忽視服務器機柜所需的風量；        

IT對風量的要求通常是：每1kw熱量，要求提供120CFM（合204m3/hr）的冷風，才能滿足IT設備的冷卻需求；        

按傳統的下送風空調制冷方式計算，每個機柜出風地板的風量為：出風口的風速≤3m/s，出風地板的面積為：0.36m2，地板的開孔率通常為30%，

所以每個機柜前面的總風量為：

3m/s×3600s/hr×0.36m2×30%=1166 m3/hr。

每個機柜的裝機熱負荷為：1166 m3/hr÷204m3/hr=5.7kw    通過上述風量計算，如果采用傳統的下送風空調制冷解決方案，每個機柜IT設備的裝機容量無法做大，導致機柜裝機率不高，浪費機柜的空間，同時也浪費機房的空間；   傳統的房間制冷方式，由于送風距離遠，難免在送風過程中產生風壓、風量的衰減，導致遠端機柜產生局部熱點。

機柜級水平送風制冷解決方案能有效的解決傳統房間級制冷方案的困惑：

由于水平送風空調安裝在機柜旁邊，就近送風和制冷，解決地板下送風風阻導致的局部熱點問題；就近制冷，送風距離短，冷量的利用率更高； 空調可根據機柜的熱密度，隨時調整輸出的風量和冷量，提供單個機柜的個性化風量和冷量需求，制冷更有針對性，效率更高；對數據中心機房建制過程中，是否要建架空地板，無需要求；機房地面的保溫要求也更低；由于緊貼機柜安裝空調，可以給單機柜提供足夠的風量，所以機柜的IT設備裝機容量可以大幅提高，如臺達29kw的空調，風量為4930 m3/hr，那么單機柜的IT熱密度可達：4930 m3/hr÷204m3/hr=24.2kw。與傳統的房間制冷方案相比，單機柜的裝機容量可以提高4倍。

 圖1-3傳統下送風空調與機柜式空調適應熱密度比較

從圖中，我們可以看出傳統下送風空調，滿足單機柜6kw一下的需求，而水平送風空調可滿足單機柜30kw一下的需求。

        經過對下送風空調（房間級）與水平送風空調（行級）的比較，水平送風空調更加靠近IT設備，送風距離短，效率更高，更加節能。

冷熱通道封閉技術 

熱通道封閉冷通道封閉為了提升制冷效率,提高單機柜制冷能力,結合現場情況,使用冷熱通道封閉技術為核心的IT設備進行冷卻.通過改善空氣循環的管理，提升制冷功率密度.有效減低PUE值，而設計一套散熱效果好、安全可靠的機柜冷熱池解決方案。

主機房機柜采取背對背擺放，網絡機房采取面對面擺放

A 冷池系統設計

冷池采用鋁合型材框架+鋼化玻璃，頂部為全封閉鋼化結構，冷池是通過設置全封閉式冷空氣循環系統環境，提高室內空調使用效率，達到節能降耗的效果。冷池的頂部設置部分開啟扇，開啟面積應不少于冷池頂面積的30%。由于機房采用氣體滅火系統，當滅火系統啟動時，冷池的頂部開啟扇部分開啟。冷池的地面設置大面積的帶風口的架空地板，作為下送風的出風口。冷池末端設置鋼化玻璃門，滿足人員工作進出疏散、消防保護及管理監控。開啟扇考慮與消防聯動，當氣體釋放時開啟扇放下。

機房冷通道內的玻璃頂板在現場探測器報警后，于氣體噴射前將電磁鐵失電，通道敞開。本系統電磁鐵采用交流電供給，如消防電源可提供本次設備容量，并現場條件允許的情況下，可由消防電源直接引一回路至控制箱；若消防設備無法提供電源，為保證電磁鐵不失電，建議由PDU中引一回路至控制箱，并在控制箱中安裝整流設備，提供磁鐵所需電源。 B系統優勢

1) 靈活性  冷通道為單元模塊化設計，冷通道兩側的兩臺機柜占用1個單元，每個單元均能獨立安裝

 2) 智能性   每個頂部密封板均可實現與消防聯動。當機房內火災信號確認后，頂部密封板自動打開，滿足消防氣體噴放要求。

3) 安全性  所有冷通道窗口材料為透明鋼化玻璃，機械強度比普通玻璃高，而且不影響冷通道內正常采光。

4) 方便性  當需要在冷通道內搬運設備時，通道兩端門打開后，下門框可方便拆卸下來，方便小型運輸設備在機房地板上進出。

封閉冷通道，降低冷風損失，提高冷源利用率；

自然冷卻技術

 自然冷卻技術就是利用免費的自然資源進行熱交換，最大限度的降低機房能耗，目前常用的免費冷源主要是冬季或春秋季的室外空氣。因此，如果可能的話，數據中心的選址應該在天氣比較寒冷或低溫時間比較長的地區。在中國，北方地區都是非常適合采用免費制冷技術。采用水冷空調系統，當室外環境溫度較低時，在低于15度以下（上海地區每年約有120天）就關閉制冷機組，可以利用冷卻塔、冷卻水泵、板式換熱器組成的系統進行熱交換，因系統中沒有大功率的壓縮機運轉，極大的降低了系統的效率，當溫度高于15度又切換回冷凍水系統。上述介紹的水冷自然冷卻由于只需要增加一臺不需要動力的板式換熱器，投資和占地都比較少，是我們推薦的企業數據中心最佳免費制冷節能方案，系統的原理圖如下。

原理圖

實際安裝效果圖

變頻節能技術

空調系統為IT數據機房空調，機房采用臺達精密空調，冷水系統及冷卻系統與IT數據中心精密空調位于同一樓層。 冷凍水泵2臺5.5kW，冷卻水泵2臺5.5kW，冷卻水塔1臺1.1kw。 水泵及冷卻塔當前控制模式均是定頻定流量工作；現場有風冷熱泵、水冷機組、以及板換，當冬天或者溫度較低時，通過冷卻塔冷卻空調冷凍水溫；當溫度稍高時，采用風冷熱泵機組制冷；當夏天溫度很高時采用水冷機組。

當前對于冷水系統控制采用西門子S7-200PLC控制，含觸摸屏。 模擬量包括環境溫度2個，冷卻塔出回水溫度，冷凍水出回水溫度各1個。PLC無多余點位余量。

對于室內精密空調，目前采用三通閥的方式，改變空調所需流量時并不改變系統管網阻力，水泵側流量壓力都不改變。

系統采用冬夏過度季節不同冷源切換，盡可能少的減少冷熱源方面的能量損失，達到免費利用外氣環境冷卻的目的，在制冷方面實現了節能，合理且先進。

 但是，大多數系統在初建時都會按實際最大負荷考量，包括冷機，冷卻塔，水泵，在冷源上實現了節能的同時，并沒有在水泵負荷與制冷量上相互匹配，也就是說當末端空調負荷很低的時候，對于制冷機主而言，實現了冷量的按需分配，電流百分比隨著負荷下降而降低，但是對于水泵而言，過多的流量其實是造成能耗浪費的關鍵。

實現節能的原理：低流量大溫差與熱交換能力的關系，對于一個換熱器(板換或者精密空調表冷器)來說，其流量與溫差的關系見下圖，在部分負荷下，其冷量與流量不會同比下降，如圖，在50%的流量下，可以提供大約80%的負荷，也就是說系統的冷量與流量不會完全對應，但是每個廠家的換熱器性能不一定，故最佳換熱流量并不統一，這個最佳流量基本會在30%-70%之間，使得溫差最大會高于5℃。

其次，對于水泵而言，限流變頻帶來的最大好處是節能，離心式風機水泵都遵循相似定律， 即流量與水泵轉速（頻率）成正比；楊程與轉速的平方成正比；功率與轉速的立方成正比。 因此改變頻率可以有效的節能。

高壓微霧加濕技術

高壓微霧加濕器的工作原理是利用高壓柱塞泵將水壓提高到7Mpa以上,然后將加壓后的水經耐高壓輸送管線由專業噴嘴將其霧化，產生3—15?m的微霧顆粒，使其能夠迅速從空氣中吸收熱量完成汽化并擴散，從而完成空氣加濕、降溫的目的。

該系統即可以作為大空間加濕作用，也可以作為降溫用途。

實際產生的加濕量是由安裝多少噴嘴來決定的。例如，某型號噴嘴的噴霧量是4L/h，總共100個噴嘴，則最大噴霧量是400L/h。

高壓微霧用于機房加濕存在很多技術優勢：

 1. 節約能源

相對電極加濕的等焓方式，高壓微霧加濕系統本身的耗電量是極少的。每小時30公斤的加濕量耗電量在300W左右，是電極加濕器的1.4%。在機房環境中使用時，其節能下過尤其顯著。

 如果原先機房空調配置了9kg/h的電極式加濕器，我們可以用10kg/h噴霧量的高壓微霧加濕器來取代。對于高壓微霧加濕器的10kg/h的噴霧量，消耗電能約100W。水霧進入機房后，需要吸收空氣熱量而氣化。每1kg水霧，需要吸收空氣中750W熱能才能氣化。就是說，10kg/h的高壓微霧加濕器每小時對空氣產生7.5KW的冷量，從而可以大幅度降低空調機的制冷負荷。

按照每天高壓微霧加濕器累計運行12小時計算，其自身耗電量為3300度，電費支出約3300元。但是，其產生的冷負荷約為3萬KW，相當于壓縮機消耗1萬度電產生的冷量，相當于制冷系統節能1萬度電，節約電費支出10000元。

 總體來說，使用高壓微霧加濕器產生的額節能效應是：40000-3300+10000=46700度電，折合46700元。

 就是說，如果用高壓微霧加濕器取代原先內置了9kg/h電極式加濕器的機房空調來說，每年的節電為46700度，約合46700元。

2. 使用安全

 由于將水加壓到70Bar壓力以上，很小的漏點都會導致主機加壓端壓力的顯著下降，系統可以迅速采取關斷措施保證安全。所以說，高壓微霧系統可以非常容易地實時監控到高壓水路中的泄漏情況。而普通低壓水路系統則不具備這樣的優勢，在跑水已經很嚴重的情況下仍然無法察覺。

 高壓管道的內徑只有1-2mm，內部容積非常小。高壓水路一旦關閉，整個管道中的存水量十分有限，數十米的管線僅僅容納和殘留0.2升水，折合一個茶杯的水，不會對機房產生破壞性地損害。

3. 無水垢影響

高壓微霧系統因為無需向外排水，所以沒有任何水垢的問題，水的前端處理系統比如純水機、軟化水設備等都可以自動運行，并安裝有排水管道的工作間或洗手間內。

4. 安裝布置方便

由于高壓管路可以傳送達數百米乃至上千米，所以對用戶來說配置起來相當容易。在不同樓層或相隔甚遠的機房可以采用同一套主機系統，通過在吊頂空間布排直徑10mm左右的PE管線，不會對原有建筑格局和裝修產生任何大的變動，工程量也很小。

5. 擴容升級方便

高壓微霧加濕器最小型號的機器的滿負荷噴霧量為50kg/h。對于用戶來說，新增加一個機房有加濕需求時，只要主機還有空余的流量，連上一條新的高壓線路和濕度傳感器就完成了。

6. 加濕度效率高

針對其他很多加濕方法，高壓微霧的加濕霧化效率非常高，高達98%以上的水霧都會蒸發為水蒸氣，這個效率甚至大于電極式蒸汽加濕器，因為電極系統要定時排水以帶走水垢。

高效率模塊化UPS技術

采用轉換效率高的UPS系統。目前，新一代數據中心的設計基本采用新型的高頻（IGBT技術）UPS系統，電源轉換效率和功率因數都比傳統的工頻（可控硅技術）UPS系統有非常大的提升，而且重量輕和體積小。由于UPS的電源轉換效率和負載率成正向關系，因此在設計和運維時要盡可能提高UPS的負載率。

虛擬及燈光控制技術

主要監控架構為EMS3000, 藉由以太網絡(ethernet)架構SNMP協議整合臺達設備及監視, 消防等外部組件, 及監視具備IPMI協議內部之服務器之內部風速及溫度狀態，結合對服務器芯片及燈光控制的管理，實現虛擬化節能及照明節能。

 總結：

本文根據對企業級數據機房耗電的分析，主要集中在制冷、UPS、IT設備、照明及其它，結合現在節能技術的介紹，采用免費自然制冷、替代傳統的空調系統、替代傳統的UPS系統、變頻控制、冷熱池系統等降低能耗措施。

■ 采用轉換效率高的UPS系統。目前，新一代數據中心的設計基本采用新型的高頻（IGBT技術）UPS系統，電源轉換效率和功率因數都比傳統的工頻（可控硅技術）UPS系統有非常大的提升，而且重量輕和體積小。由于UPS的電源轉換效率和負載率成正向關系，因此在設計和運維時要盡可能提高UPS的負載率。

■ 采用高效節能的綠色制冷系統。主要是采用水冷空調和自然制冷措施。

■ 采用LED綠色節能光源取代或部分取代傳統光源，另外就是運維管理，做到人走燈關

采用先進的冷凍水平送風空調、冷池封閉技術、高效率UPS來整體實現高效節能，使得機房的整體運行成本降低，實現綠色數據中心的規劃。計算機機房應充分體現環境保護的意識，加強環保措施，采用綠色材料，使其真正體現現代化綠色計算機房的風范。

結合臺達對數據機房的經驗，提供系統方案中供配電系統、交流不間斷系統、精密配電系統、機柜系統、精密空調系統、監控系統等。

我們以臺達InfraSuite集成一體化架構，系統模塊化設計來達到五大價值理念設計新一代機房：