數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的能源如何實現(xiàn)綠色環(huán)保？
2019-02-26 來源：多智時代
各中小機構不需要建設自己的獨立的業(yè)務處理和安全服務數(shù)據(jù)中心。由安全服務平臺統(tǒng)一提供業(yè)務處理金額安全數(shù)據(jù)服務。各中小機構只需要建立維護自己的辦公管理等系統(tǒng)即可。這一方面為各中小機構減少了在數(shù)據(jù)中心方面投資，另一方面統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心將極大地減少電能消耗、房屋占用、裝修材料消耗。安全服務平臺將建設成為“綠色數(shù)據(jù)中心”。
數(shù)據(jù)中心通常是指在一個建筑物的物理空間場地內(nèi)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲、交換、管理。其中計算機設備、服務器設備、網(wǎng)絡設備、通訊設備、存儲設備等通常被認為是數(shù)據(jù)中心的IT關鍵設備，而供配電設備、空調(diào)設備等是為確保數(shù)據(jù)中心的IT關鍵設備提供安全、穩(wěn)定和可靠運行而設置配置的基礎設施。
在數(shù)據(jù)中心中為了業(yè)務和信息的處理要求，IT關鍵設備通常需要24*7的運行。而IT關鍵設備的運行需要配置和消耗大量的電能，并產(chǎn)生大量的熱量。為保證IT關鍵設備在規(guī)定的環(huán)境要求范圍內(nèi)正常運行，有需要通過空調(diào)設備的運行，來維持IT關鍵設備對溫度和濕度等的環(huán)境要求。此時，空調(diào)設備也消耗了大量的電能。同時，數(shù)據(jù)中心被構建在一個建筑物內(nèi)，采用的構筑材料以及圍護結構的熱工性能，也對數(shù)據(jù)中心的環(huán)境產(chǎn)生直接影響。
舊的數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃是低效的。低效的根本原因如下：
供電和制冷設備的過度規(guī)劃
采用低密度應用的制冷系統(tǒng)為高密度提供制冷.
低效的空間布局設計
低效的氣流組織模式
冗余(可用性)
低效的供電和制冷設備
制冷設備的低效運行設置
氣流或液體過濾器的堵塞
制冷設備節(jié)能模式障礙或不可用
高架地板下部塞滿線纜
數(shù)據(jù)中心的消耗電力因為數(shù)據(jù)中心擴容急速增長。在所消耗的電力中，很大一部分是為了滿足網(wǎng)絡電子設備與樓宇運行的需要。這些電子設備會產(chǎn)生大量的熱，這是數(shù)據(jù)中心所面臨的主要問題之一。隨著溫度的升高，IT 硬件的可靠性大幅降低。據(jù)估計，溫度升高10oC(18oF)，電子設備的長期可靠性降低50%。具有諷刺意味的是，數(shù)據(jù)中心運行所依賴的一些核心網(wǎng)絡電子技術產(chǎn)生的熱量正是會導致其效率和壽命降低：網(wǎng)絡設備每消耗1W 功率，便需要配備1W 的散熱功率。這些配件的頻繁更換一方面產(chǎn)生大量的電子垃圾，同時提高了運行成本。浪費在散熱上的能源相當于浪費資源和金錢。由于氣流管理效率低下，大型數(shù)據(jù)中心提供的散熱容量最高達到了設備所需散熱容量的270%。
以“保護地球、環(huán)境以及各種生物的安全及持續(xù)性發(fā)展，并以行動做出積極的改變”的綠色運動波及全球的各個領域。建筑領域和IT領域也逐漸形成了綠色建筑和綠色IT的概念。
而數(shù)據(jù)中心就其特征而言，是緊密關聯(lián)建筑和IT這兩大領域的。廣義的綠色數(shù)據(jù)中心是“綠色建筑+綠色IT及其范圍的延伸”，狹義的綠色數(shù)據(jù)中心是“綠色IT+綠色IT及其范圍的延伸”。
綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內(nèi)最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)。保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間、與自然和諧共生的建筑。
綠色IT是指IT設備的低能耗、低電磁輻射、低噪音、限制使用有害物質(zhì)、節(jié)約空間等。
綠色IT范圍的延伸是指涉及IT環(huán)境與 管理的IT基礎設施供配電設備、空調(diào)設備等設備的低能耗、高能效、降低全生命周期成本以及場地布局優(yōu)化、合理氣流組織、虛擬化以及環(huán)境控監(jiān)等軟件管理措施的應用等。
國際上對綠色數(shù)據(jù)中心的定義為使數(shù)據(jù)中心中的機械、照明、電氣和IT系統(tǒng)取得最大的能源效率和最小的環(huán)境影響。
綠色數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)
1. 綠色數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)的幾個視角
綠色數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)可概括為技術實現(xiàn)和產(chǎn)品實現(xiàn)。綠色數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)包含了從設備的芯片到建筑物內(nèi)外環(huán)境的方方面面，可以從器件層面、設備層面、設施層面、軟件層面、場地層面、建筑層面、環(huán)境層面、管理管層面等由小到大、由里到外的多個視角來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的綠色特性。
綠色數(shù)據(jù)中心的基本特征是期望取得最大的能源效率和最小的環(huán)境影響。因此低能耗、高能效、降低全生命周期成本、節(jié)約與優(yōu)化空間、限制使用有害物質(zhì)、低電磁輻射、低噪音等均是綠色數(shù)據(jù)中心所需實現(xiàn)的最基本內(nèi)容。
2. 器件層面
集成電路芯片、電子器件是構成設備的基礎。而芯片器件的能耗也是決定IT設備能耗的主要因素。因此降低芯片器件的能耗、減少散熱量、提高主頻、采用多核、提高密度、減小空間，并使“功耗不變、性能提升”。是現(xiàn)行芯片器件廠商努力和用戶選擇的目標。
3. 設備層面
數(shù)據(jù)中心的IT設備主要有：計算機設備、服務器設備、網(wǎng)絡設備、通訊設備、存儲設備等。
服務器設備在數(shù)據(jù)中心中是一項重要的設備，占有較多的數(shù)量和空間，也是數(shù)據(jù)中心中能耗較多的設備。近年來，服務器的形式發(fā)生了較大的變化。由原來的主機式、落地式到現(xiàn)在的機架式、刀片式。刀片服務器密度較高比機架式服務器消耗電能要少。
所謂刀片式服務器，就是指服務器外形扁而平，活像個刀片，于是形象的叫做“刀片服務器”。在標準高度的機架式機箱內(nèi)可插裝多個卡式的服務器單元(即刀片，其實際上是符合工業(yè)標準的板卡，上有處理器、內(nèi)存和硬盤等，并安裝了操作系統(tǒng)，因此一個刀片就是一臺小型服務器)，這一張張的刀片組合起來，進行數(shù)據(jù)的互通和共享，在系統(tǒng)軟件的協(xié)調(diào)下同步工作就可以變成高可用和高密度的新型服務器。
這些刀片服務器共用系統(tǒng)背板、冗余電源、冗余風扇、網(wǎng)絡端口、光驅(qū)、軟驅(qū)、鍵盤、顯示器和鼠標，一個機箱對外就是一臺服務器，而且多個刀片機箱還可以級聯(lián)，形成更大的集群系統(tǒng)。因為一個標準機架式機箱通常內(nèi)置了8～14個刀片服務器，這些服務器是共用冗余電源，所以服務器電源的工作效率得到很大提升。而刀片服務器因為體積小，與同等速度與配置的機架式服務器相比，更加省電與節(jié)能。
服務器等IT設備要考慮選用高性能的芯片、低能耗器件，并具有冗余電源和冗余散熱送風設施和動態(tài)管理模式。
IT設備需選用低功耗的產(chǎn)品和選用有效用電率高的產(chǎn)品。IT設備采用低損耗的直流供電方式是未來的一種趨勢。
4. 設施層面
為IT設備提供支持保障的數(shù)據(jù)中心基礎設施主要為：備用發(fā)電機、UPS不間斷電源、配電設備、空調(diào)設備、照明設備、消防設備、安防設備等。
數(shù)據(jù)中心常用柴油備用發(fā)電機、電池、UPS主機等構成備用及不間斷電源系統(tǒng)。由于發(fā)電采用柴油為動力燃料，運行時需作通風、排煙及噪聲處理。而電池采用免維護密封鉛酸蓄電池，均對環(huán)境有一定的影響。對此， 采用“綠色”的替代技術與產(chǎn)品將成為一種趨勢，如：可再生能源的生物燃料(生物柴油、植物油、乙醇、甲醇等);生物柴油不含鉛和硫，無毒、滲漏可降解;金屬化鎳氫電池;綜合燃料電池系統(tǒng)(可替代電池組和柴油發(fā)電機);無需傳統(tǒng)蓄電池而采用磁懸浮飛輪儲能技術的UPS電源系統(tǒng)等。
UPS不間斷電源主機的“綠色”主要涉及：采用數(shù)字控制技術，具有精度高，抗干擾能力強，易于實現(xiàn)對故障診斷和隔離， 易于監(jiān)控和管理。選用高效節(jié)能的UPS應具有實現(xiàn)交流電源的功率因數(shù)校正和電流諧波抑制、輸入諧波失真低、功率因數(shù)高、非線性負載的適應能力強、在低負載率下也能具有高效率。UPS模塊化方式可隨需而變、靈活擴容。與IT設備配套采用免逆變的直流供電方式等。
空調(diào)設備在綠色數(shù)據(jù)中心中成為主要的關注對象�？照{(diào)設備由原來的針對機房房間的獨立機柜式發(fā)展為針對IT設備機柜列組的區(qū)域機柜式，針對高密度設備機柜的門板式、側板式、頂置式和彌補下送風不足的吊裝式、吊頂式等。冷源也由常用的風冷式、水冷式發(fā)展為冷凍水式、乙二醇水溶液式、乙二醇自然冷卻式、自然低溫空氣冷卻式、雙冷源式等�？照{(diào)設備的多樣化形式和冷媒多樣化，其目的是為能夠具有針對性地選擇，以取得更有效的制冷效果和更高能效比。
空調(diào)設備選用制冷性能系數(shù)、能效比高的空調(diào)設備。采用精密制冷和動態(tài)智能散熱技術，對IT設備機柜采用熱傳感器進行環(huán)境的實時檢測，通過軟件計算散熱需求，動態(tài)調(diào)節(jié)，精確制冷。有效地降低能耗成本。
照明設備選擇高效節(jié)能型的光源、燈具及附件。場地的照度、照度均勻度等照明指標以及照明負荷功率密度值按照《建筑照明設計標準》的要求進行照明配置。采用高效、靈活、組合式照明控制系統(tǒng)。
5. 軟件層面
虛擬化是通過軟件實現(xiàn)硬件“綠色節(jié)能”的一種有效手段。虛擬化技術是合并多臺低端使用率比較低的IT設備(服務器設備和存儲設備)到一臺或少量的幾臺高端IT設備上運行。如：可以將一臺物理服務器虛擬劃分成多個相互隔離的小服務器，并且每個虛擬的小服務器都擁有獨立的IP。虛擬化可以提高系統(tǒng)適應性，提高IT設備的有效利用率，同時降低設備的使用能耗。
電源管理軟件也是一個可有效降低電源消耗的工具。IT設備的處理器都有的電源節(jié)流裝置，可采用電源管理軟件設置管理策略控制電源損耗，還可對設備進行監(jiān)測、統(tǒng)計、控制電源消耗狀況。
環(huán)境設備監(jiān)控軟件具有對環(huán)境及空調(diào)設備、電氣設備照明設備等進行顯示、記錄、計量、控制、報警、趨勢分析和提示功能。以先進的技術和合理的方式達到節(jié)約能耗的目的。
6. 場地層面
場地是IT關鍵設備、IT基礎設施設備安置場所也是人員的工作場所。
場地合理的總體規(guī)劃、空間與平面布局是采用“綠色”技術實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)�？傮w規(guī)劃確定場地的等級規(guī)模和系統(tǒng)構成�？臻g與平面布局確定場地的分隔和設備的布局�，F(xiàn)行場地采用密閉護圍、大空間、少隔斷、適宜的空間容積(架高、凈高、層高)、人機區(qū)域分離等都是其所推崇的設計理念與節(jié)能策略。
場地中的IT設備區(qū)域的布置，應根據(jù)IT設備種類、系統(tǒng)成組特性、設備的發(fā)熱量、機柜內(nèi)設備布置密度、設備與機柜工藝所確定的冷卻方式等要素，合理地考慮機房區(qū)域、機柜列組、機柜內(nèi)部這三個層面的空調(diào)制冷的氣流組織，包括空調(diào)設備的位置布置、送回風方式、送風口設置、回風口設置等。采用“冷端”與“熱端”的送回風通道、平衡和散列高密度機柜中的設備布置等是主要的氣流組織節(jié)能策略。
在場地中，現(xiàn)行均以機柜為IT設備承載安裝方式，特別是IT設備高密度的流行趨勢，需要機柜具有60%至80%的高通孔率以達到良好的散熱性能，配置CPU、安置電流、溫度、濕度、熱量傳感器，實現(xiàn)精密配電和精確制冷提高機柜單元的能效。
7. 建筑層面
數(shù)據(jù)中心通常是一幢建筑物或建筑物的一部分。在數(shù)據(jù)中心中，通過空調(diào)設備的運行來確保IT設備運行所需要特定的溫濕度環(huán)境。所以數(shù)據(jù)中心建筑物的建筑護圍的熱工特性是影晌空調(diào)設備能效的重要因素，是節(jié)能的重點關注對象。
采用復合墻體節(jié)能技術工藝，在墻體主體結構基礎上增加一層或幾層復合的絕熱保溫材料來改善整個墻體的熱工性能。復合墻體節(jié)能技術工藝根據(jù)保溫材料在墻體中的位置分為：內(nèi)保溫(是數(shù)據(jù)中心建設最常用的一種形式)、中保溫、組合保溫和外保溫四種。通常采用的保溫材料有：礦巖棉、聚苯板、聚氨醋、石膏板等。選用的保溫材料傳熱系數(shù)值越小或熱惰性指標值越大，對圍護結構的傳熱能力越低，其保溫隔熱性能越好越有利于節(jié)能。
8. 環(huán)境層面
綠色節(jié)能主要關注的是各類資源的合理利用和環(huán)境保護。
數(shù)據(jù)中心的建筑施工需充分利用當?shù)毓⿷目稍偕牧辖ㄔO，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、低電磁輻射、低噪音、限制使用有害物質(zhì)保護環(huán)境和減少污染。在數(shù)據(jù)中心的支持區(qū)和輔助房間等區(qū)域適當?shù)乩锰烊还庠礊閿?shù)據(jù)中心的工作人員提供健康、適用和高效的使用空間， 與自然和諧共生的建筑內(nèi)外環(huán)境。
9. 管理層面
管理是一項涉及廣泛、內(nèi)容多樣的工作。有運用國家政策法規(guī)和標準規(guī)范進行綠色數(shù)據(jù)中心建設過程的管理，也有綠色數(shù)據(jù)中心運營階段的管理。
在現(xiàn)行日常運營成本(主要是能耗成本)占總體成本的比例呈逐年上升趨勢的情況下，建設階段需要關注工程先期設計的合理性和適用性，充分地考慮如何在建設期和運營期內(nèi)降低日常運營成本(能耗成本)。運營階段通過IT應用系統(tǒng)的整合運營管理方案的優(yōu)化，保持“綠色”提高能效，通過管理努力降低總體擁有成本，提高數(shù)據(jù)中心的整體經(jīng)濟效用比。
具體措施如下：
(1) 使用已有的房屋組建數(shù)據(jù)中心。
(2) 采用總體的節(jié)能設計和綠色節(jié)能的裝修。
裝修措施如下：
減少裝修鋁材使用量：鋁是能耗最大的金屬冶煉產(chǎn)品之一。減少1千克裝修用鋁材，可節(jié)能約9.6千克標準煤，相應減排二氧化碳24.7千克。如果全國每年2000萬戶左右的家庭裝修能做到這一點，那么可節(jié)能約19.1萬噸標準煤，減排二氧化碳49.4萬噸。
減少裝修鋼材使用量：鋼材是住宅裝修最常用的材料之一，鋼材生產(chǎn)也是耗能排碳的大戶。減少1千克裝修用鋼材，可節(jié)能約0.74千克標準煤，相應減排二氧化碳1.9千克。如果全國每年2000萬戶左右的家庭裝修能做到這一點，那么可節(jié)能約1.4萬噸標準煤，減排二氧化碳3.8萬噸。
減少裝修木材使用量：適當減少裝修木材使用量，不但保護森林，增加二氧化碳吸收量，而且減少了木材加工、運輸過程中的能源消耗。少使用0.1立方米裝修用的木材，可節(jié)能約25千克標準煤，相應減排二氧化碳64.3千克。如果全國每年2000萬戶左右的家庭裝修能做到這一點，那么可節(jié)能約50萬噸標準煤，減排二氧化碳129萬噸。
減少建筑陶瓷使用量：家庭裝修時使用陶瓷能使住宅更美觀。不過，浪費也就此產(chǎn)生，部分家庭甚至存在奢侈裝修的現(xiàn)象。節(jié)約1平方米的建筑陶瓷，可節(jié)能約6千克標準煤，相應減排二氧化碳15.4千克。如果全國每年2000萬戶左右的家庭裝修能做到這一點，那么可節(jié)能約12萬噸，減排二氧化碳30.8萬噸。
(3) 服務器設備采用節(jié)能高效的刀片式服務器。PC設備減少顯示器的配置。
(4) 電源采用UPS設備，空調(diào)制冷采用行級制冷，優(yōu)化氣流。照明采用節(jié)能燈具。
(5) 使用電源管理軟件控制電能使用。
(6) 安全方面設置煙感、門禁、水浸、紅外等。
(7) 完善數(shù)據(jù)中心管理措施。
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