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随着互联网及数据业务的飞速发展,全球新一轮数据中心的建设高峰已经来临,而如何在保证数据中心安全运行的前提下,节约电能、降低成本、在竞争中取胜,是一个重要课题。

据统计,2008年全球所有数据中心的耗电量已达到40,000,000,000千瓦时/年,占世界用电总量的1.2%,而数据中心将近60%的电能被空调制冷及周边电气设备的损耗所吞噬。美国斯坦福大学的一项研究显示:全球数据中心的能耗在2000-2005年间翻了一番,到2020年将再增75%。美国高德纳咨询公司(Gartner)的近期调查报告中也提到,电力和制冷问题是数据中心面临的最大问题,国外数据中心的能源花费的比例已激增至运营预算的48%。而在国内的数据中心,电费通常占到实际运营成本的70%左右。这是由于国外数据中心的总耗电量和IT设备用电量的比值(PUE)为1.8左右,而国内数据中心的PUE值一般为2.5,甚至高达3。在如此严峻的形势下,建设技术先进的“绿色数据中心”已迫在眉睫。

目前,业界许多的领军厂商都在研讨针对“绿色数据中心”的解决方案,从不同的层面向用户阐述了如何构建高效节能的绿色数据中心。数据中心节能方案主要包括四个层面:一、从制冷及关键电源入手,在机房基础设施的设计及实施方案上进行节能工作;二、在硬件设备环节开展节能工作,减少设备能耗;三、从芯片降耗入手,降低数据运算功耗;四、加快数据中心虚拟化、自动化和云计算的研发及推广应用的步伐。从以上四个层面的降低能耗来看,硬件设备层面和芯片层面的节能已被越来越多的设备生产企业所重视并着手进行研制,但以制冷和关键电源为代表的基础设施层面的节能和服务器虚拟化的应用还需要做大量的工作。事实上,由于电能耗费的飙升,使数据中心成为了“电老虎”,因此从制冷及用电设备(包括电源设备及IT设备)入手,提高物理层及用电设备的效率,才是建立“绿色数据中心”的“治本”之道。因为这是从源头上开始解决问题,是节能的“重中之重”,在节能方面有着事半功倍的效果。以下就“制冷”、“后备电源设备”、 “可升级、可扩展”、和“节能的规划及管理”等四个方面,建议如何选择“绿色数据中心”的制冷与关键电源设备。

一、关于数据中心的制冷设计及设备选型方案

根据中华人民共和国工业用电规程,在电机容量大于200kW时, 电力驱动设备宜选用高压电机。在多数情况下,高压冷冻机组的大功率输出更适用于大规模数据中心机房,单台机组的制冷量即可供5000m2以上的机房使用。

用高压驱动机组的优势在于:

1.提高了IDC机房电力运行的可靠性

冷水机组采用10KV高压电机降压启动方式后,启动电流仅为380V电机星三角启动时机组的1/8左右,能有效降低冷水机组启动时对电网的冲击,并减少对供电系统的干扰。同时,10KV高压冷水机组启动和运行时,因为电涌不经过楼内的高低压变配电设备(如变压器等),不会对服务器等其它380V供电的低压通讯设备带来干扰。

2.可降低总的制冷投资

与380V低压机组相比,在可直接使用10KV高压机组的场合,用户不需配置供水冷机组的降压变压器、相应的低压配电设施和昂贵的大截面电缆。并可节省这些设备的安装、调试等一系列费用。

3.有效节能使运行费用减少

由于高压线路传输电流值非常小,可有效减少线路损耗;同时可以避免使用380V低压机组带来的变压器的损耗,例如:冷水组机基本为常年带载运行,以单台2800冷吨的冷水机组,总制冷量为14000冷吨的系统为例:其变压器的年运行时间为8760小时,运行的损耗约为150000 kWH。按照每度电平均0.8元计算,单台380V冷水机组所配的变压器每年的有功电能损耗为120000元,另外无功功率造成的损耗可按照每年约有10000元计算,合计为130000元人民币。如再考虑低压电缆及低压电机等的运行损耗,则使用高压冷水机组所带来的实际节能效果则更加可观。

4.减少配电室及机房面积

占地少:在占地面积同等情况下,高压冷冻机组的制冷量是低压冷冻机组的一倍。制冷机组数量减少时,制冷机组辅助的水泵、冷却塔设备的数量也随之减少。而在总制冷量一样的前提下,单台大制冷量的冷水机组的效率要优于多台小制冷量的冷水机组。

5.冷媒用量少,更加环保

目前,高压冷冻机组最大功率为2800冷吨,而低压冷冻机组最大功率为1250冷吨,在同样制冷量的条件下,单台机组的冷媒用量远少于多台机组的冷媒用量。在采用高压冷冻机组时,要注意在高压供电方面的条件和要求。一方面,要先期和当地供电部门沟通,获得相应的技术支持;另一方面,企业需要配备具有高压操作资格的高压电工进行值守。

二、大型IDC数据中心后备电源设备的设计及选型方案
(一)交流发电机组的使用

在高可靠性要求的MW级别的数据中心推荐使用多台10KV电压等级的高压油机并联使用,其特点在于:

1.由于使用高压油机,所以在同等功率的情况下,机组输出电缆的截面积大幅减小,约为低压油机的1/25,降低材耗。目前金属材料采购费用大幅度攀升,如从2004年到2007年,三年间电力电缆的价格涨幅达100%以上。因此直接使用高压电机,电缆的同比采购费用将下降75%以上。并且同时,在资源匮乏的今天,降低材耗也是基础建设的目标。

2.由于采用高压输电,因此降低了电力传输中的线路损耗,适于电力的长距离传输。

3.与380V低压机组相比,在可直接使用10KV高压油机的场地,可与供电网使用的绝大多数的高、低压配电设施公用,因此节省了相关设备及部分大截面电缆的投资,以及这些设施的安装、调试等一系列工程施工费用。

4.发电机组并联时,其并机柜用母线连相应减小,并具有更大的输出能力。

5.在与高压冷水机组配合使用时,与低压油机相比,免去了升压变压器。

在采用高压发电机组时,要注意在高压供电方面的条件和要求,一方面,要先期和当地供电部门沟通,获得相应的技术支持;另一方面,企业需要配备具有高压操作资格的高压电工进行值守。

在电力紧缺的MW级别的数据中心可考虑使用10KV电压等级的工业持续运行8400小时以上的高压燃气轮机发动机组,其特点在于:

1.噪声小 燃气轮机发电机组配有全天候的隔声、消防机罩。在离机组1米,高于地面1.5米处,噪声<85dBA。余热烟气机同样配有隔音装置,在离机组1米,高于地面1.5米处,噪声<72dBA。

2.集成度高 机组设计集成度非常高、占地面积小,燃料系统、 启动系统、控制系统、装置和励磁系统等都安装在撬上, 大大节约了安装时间和工作量。大约需要1个月左右就可以完成机组的安装。发电机不需要冷却水,空冷风扇随机组提供,非常简单。

3.高可靠性、高可用率 机组可靠性高,启动成功率达99.97%,可用率高达到98%以上。 机组的大修周期为30,000小时,在大修前几乎没有维护工作,仅需更换一些消耗性配件。大修采用交换机组,仅用1天时间。每年的消耗性配件大约为10,000美元。

4.初期投资较大 机组在设计中遵循的原则,是让用户对设备生命周期中拥有设备的总成本进行稳定性控制(燃料+初投资+维护),以使它在效率,维护成本和价格中取得平衡。使用户以相对较小的成本使用设备20年以上。

5.具一定的节能性。

(二)UPS系统的构成方案

在UPS自身可靠性相同的前提下,UPS供电系统的可靠性往往通过提高冗余度来保证。而UPS运行的冗余度越高,则实际的负荷率越低。因此,在现阶段,新一代网络UPS对以下几个指标进行了改进:

1.输出功率因数指标的实用性调整: 由于新型服务器的电源输入功率因数均大于0.9(较早期的服务器输入功率因数最差的为0.6-0.7左右),针对新型服务器类负载的这一指标的改善,新型UPS的输出功率因数也由原来的0.7-0.8调整为0.9(容性负载),使同等容量的UPS设备可提供的有功功率提高10%,这意味同等容量的UPS对新型服务器可增加10%的带载量。

2.输入功率因数及谐波得以改善: 目前,由于12脉冲整流器技术、有源滤波器技术及IGBT整流器技术的成熟与完善,整流器的输入功率因数指标由早期的0.88-0.93提高到现有的0.94-0.99,而电流谐波(THDi)到达小于5%的指标,使UPS设备对电源的干扰减小,并提高了供电的效率及可靠性。

3.半载输入效率大大提高: UPS的半载的效率由早期的75-80%提高到93-95%,提高约15-18%。该项改进为UPS系统在利用增加冗余度来提高可靠性的可用性大大增加,并为保持供电系统的高效率提供了保障。 基于新一代网络UPS性能的提高,在保证并机系统供电能力基本相同的条件下,产生了减少UPS并联数量的系统改进方案:即在新建UPS并机供电系统时,使用输出功率因数为0.9的3台500KVA的UPS并机系统替代原有输出功率因数为0.8的4台400KVA的UPS并机系统,以获得更高可靠性,更高性价比的系统。

新型动态UPS使用趋势的介绍

该类动态UPS由柴油发电机组、飞轮储能装置、电控离合器、电抗器、静态电子调节器等环节构成(见下图)。在市电供电时,驱动同步电机和飞轮储能装置处于同轴状态,与电网保持电动同步运行并向负载供电,电控离合器使柴油发动机保持静止状态;在市电中断时,首先由飞轮储能装置驱动同步电机以稳频稳压(国内为50HZ 400V)发电状态不间断地向负载供电,当柴油发动机迅速空载启动至接近额定转速时,在离合器控制下投入发电系统不间断地向负载供电;在市电恢复后,UPS系统返回上述电动同步运行状态。该设备亦可构成多台冗余并机系统。

由于该类动态UPS主电路内没有电力半导体器件,其可靠性远远高于静态UPS,是一种具有相当高的可靠性和可用性的成熟产品。该类动态UPS将现代飞轮储能技术、滤波技术、功率因素补偿技术、电控断路器的无间断转换技术与燃油发电机组冗余启动技术进行有机的组合,在主电路中采用热容量极大的电力电抗器、同步机构成“T”型滤波网络,既具有很高的抵御浪涌过电压和过载的能力,又起到将负载与输入电源完全“隔离”的功能:“T”型滤波网络可吸收95%以上由非线性负载产生的谐波电流,使负载对电网的谐波影响极小;通过调节同步机的励磁,还起到调节输入功率因数的作用,所以从绿色IDC的理念而言,动态UPS与普通的静态UPS相比,是真正的绿色电源。

在美国、英国、法国、荷兰、日本、韩国等国外的IDC数据中心,1700KVA以上容量的该类UPS已有近10年的运行经验。在国内,目前输出容量达2000KVA的动态UPS已应用于需要无间断后备供电的半导体芯片制造的工业场合,但在国内的IDC数据中心尚无使用案例,具体实施有待于进一步的论证和实验。动态UPS的特点如下:

---主供电电路无功率电子元器件,具有高可靠性和可用性

---输入的谐波失真和带非线性负载能力可达到静态UPS的水平

---有效的突波和谐波的过滤功能,使输入谐波失真≤3%

---具有功率因数校正功能,输入功率因数高达0.98

---效率可达 96%以上

---较强的抗冲击电流能力(典型值 10 - 15 In.)

---不需要在安装空调的场合使用,降低能源消耗

---飞轮存储能来替代经典的后备电池系统,更加环保

---使用寿命长达25年

---系统构成灵活,可逐步升级

---与静态UPS相比,系统的维护量减少50%

---占地面积比传统UPS系统减少40-50%

三、IDC机房的建设和使用应遵循“可升级、可扩展”的理念

事实上,过度规划也是导致数据中心能耗高和效率低的原因之一。传统数据中心往往采用“一次到位”的工程设计,这样不仅导致采购UPS和空调等设备时投资过高,还增加了后期能源消耗和服务成本。因此,应根据未来的需求划分几个阶段,分阶段采购所需的机房设施。“可升级制冷设备及电源设备解决方案”就是针对“边使用边升级”理念进行的,在机房初期使用时,能为数据中心节省超过一半的电力和制冷损耗。

四、 新建IDC机房节能的规划及管理

目前,数据中心机房的节能管理正在向精确化发展,因此,一套行之有效的电源及制冷容量的规划及管理已成为节能的必备条件。比如,对机柜的环境进行实时检测,避免不必要的供电和制冷容量产生;采用带有风量控制功能的智能化机柜,可根据机柜内IT设备的实际需求提供冷量;对冷冻水、冷却水及大型送风设备的电机实行闭环调速控制以降低能耗;具有利用自然冷源设备的机房还可以制定相应的自动化管理程序,最大限度地降低空调器的使用率;用户还可以通过监控软件实时了解机房的电量、温度、湿度等参数,并据此来制定空调系统、电源设备的运行方案,使设备负载处于最佳运行状态,达到提升效率、节约能源的目的。