PDF《气象数据中心节能实践与展望》

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2018 2015年,工信部联合国家能源局、国家机关 事务管理局印发了《国家绿色数据中心试点工作方 案》,其中指出: 全球数据中心建设步伐明显加 快,总量已超过300万个,耗电量占全球总耗电量的 1.

1%~1.5%. 国际上普遍通过应用节能、节水、 低碳等技术产品以及先进管理方法建设绿色数据中 心,实现能源效率最大化和环境影响最小化.例如, 美国政府实施了 数据中心能源之星 、 联邦数据 中心整合计划 ,欧盟实施了 数据中心能效行为准 则 ,国际绿色网格组织开展了数据中心节能标准制 定和最佳实践推广,建立了绿色数据中心的推进机 制,引导数据中心节能环保水平的提升.目前,美国 数据中心平均电能使用效率(PUE① )已达1.9,先进 数据中心PUE已达到1.2以下.我国大多数数据中心的 PUE仍普遍大于2.2,与国际先进水平相比有较大差 距,节能潜力巨大 . 气象部门数据中心作为数据中心界的一个独特分 支,有着自身显著特点,需制定适合的节能策略,打 造出绿色气象数据中心.

1 数据中心节能技术综述 数据中心的能耗通常来自两个方面:IT设备能耗 和基础设施系统能耗(主要为空调系统能耗和电气系 统能耗).以PUE为1.8的数据中心为例,其IT设备与 基础设施系统能耗比例如图1所示.数据中心节能同 样应从这两方面展开,其中,基础设施系统节能又可 分为基础设施设备节能和基础设施架构合理. 气象数据中心节能实践与展望 王晶 别毅 孔令军 从源头性节能、 技术性节能和结构性节能三方面对气象数据中心节能技术进行了 综合概述, 分析了气象部门数据中心已有的节能实践, 展望了尚未应用的节能技术, 提 出了四点关于气象数据中心节能的进一步思考. ① PUE,Power Usage Effectiveness,电源使用效率已成为国际上通行的衡量数据中心节能的主要指标.PUE值是指数据中心消耗的所有能 源与IT负载消耗的能源之比.PUE值越接近于1,表示数据中心的节能程度越高. 图1 IT设备与基础设施设备能耗比(PUE=1.8) 1.1 源头性节能――IT设备 IT设备是数据中心所服务的对象,IT设备节能主 要包括以下三方面:一是IT设备自身技术发展带来的 节能效益,如:芯片能效比的提升、分布式存储技术 的应用等.二是数据中心遇到了节能瓶颈,需从IT设 备突破解决方案,反向促使了IT设备探索最新的节能 技术,如:耐高温服务器的研发、液冷服务器的应用 等.三是数据中心迫切的节能需求使得直接对IT设备 尝试了节能方案,而进一步的节能方案还需IT设备厂 家做出配合改进,如:IT设备从交流供电变为直流供 电等. 1.2 技术性节能――基础设施设备 基础设施设备包括数据中心运行所必需的电气系 统、空调系统、安防系统、消防系统、监控系统等. 数据中心基础设施设备节能以空调系统和电气系统为 主.基础设施设备节能主要包括以下三方面:一是对 气象科技 进展

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2018 清洁能源的使用,如:太阳能光伏微电网、合理利用 自然冷源等.自然冷源技术分为空气侧、水侧及热管 的应用.二是精准、高效的节能技术,如:供电架 构的变化、各种冷背板技术以及CFD(计算流体动力 学)气流组织仿真的应用.三是不容忽视的辅助节能 技术,如:电缆的路由的立体设计,封闭冷热通道、 设置盲板等以及有关CRAC(机房空调)的综合节能 (适当调高送风温度、变频器变频驱动、EC风机、管 路设计、室外机组放置空间及雾化喷淋等). 1.3 结构性节能――基础设施架构 数据中心节能不仅是节能产品和节能技术的应 用,更应该是结构化的节能,从基础设施的架构设计 入手,将以设备为中心的节能转到以架构为中心的 节能.合理的架构不但能使维护变得简易和便捷,还 能取得可观的节能收益.合理的基础设施架构设计包 括两方面:1)基础设施资源的合理分配,如以等级 而非属性划分机房,从而取得可靠性与节能性的平衡 (N、N+X、2N等架构的选择);

2)基础设施建设 模式,如数据中心模块化、基础设施系统模块化等.

2 气象数据中心节能实践与展望 气象部门数据中心部署于全国各地,以国家气象 信息中心(NMIC)建设的国家级气象数据中心为核 心数据中心,该数据中心IT设备主要类别有:高性能 计算机(HPC)、存储资源池等服务器(以下简称存 储设备)、通信服务器(以下简称通信设备)等.除 国家级气象数据中心外,各省也建有自己的小规模数 据中心,主要以通信设备为主,个别省份也部署了较 小规模的HPC. NMIC数据中心节能实践可分为三类,分别为: 高功率密度机房节能、低功率密度机房节能和通用机 房节能. 2.1 高功率密度机房节能 高密度IT设备的代表是HPC,其冷却系统越来越 接近热源,已从最初的环境冷却发展到冷背板冷却、 芯片液冷等方式.毫无疑问,由于液冷具备冷却效率 高、噪声低等优势,它将是IT设备冷却节能的主要方 向,在今后的数据中心建设尤其是高密度机房建设 领域将成为主流.环境冷却和冷背板冷却已应用在 NMIC以往的HPC建设中,芯片液冷也即将应用在最 新引进的国产HPC建设中. 2.1.1 冷背板 冷背板冷却作为一种机柜级冷却方式,广泛应用 于数据中心,尤其针对高密度HPC机柜,其特点是贴 近热源,输送损耗小,冷却效率高.2013年,NMIC 采购并安装了一套峰值计算能力为1.1 P的进口HPC 系统,该系统共安装了76台机柜,单机柜功率高达

30 kW,末端制冷采用水冷背板冷却方式,单背板冷 量达30 kW,承载单机柜95%以上的热负荷.由于水 冷背板贴近机柜,为避免背板表面结露,背板供水温 度不低于15 ℃,背板的出风温度不高于27 ℃. 2.1.2 芯片液冷 传统的服务器是依靠空气来冷却的,当IT设备的 功率密度不断增大时,空气冷却已不能满足要求,只 能采用液冷方式冷却,目前,服务器液冷主要有冷板 液冷和浸没式液冷两种方式.NMIC即将采购的国产 HPC系统采用了芯片液冷方式:CPU和内存均安装冷 板,芯片液冷可带走设备65%~80%的热量.另外, 由于HPC端的供水温度可以提高至35~45 ℃,因此, 需要独立建设一套供水温度为33~38 ℃的高温水冷源 作为该系统的专用冷源.该国产HPC系统的架构如图 2所示.相比于传统的低温水(由冷水机组提供12 ℃ 冷水)芯片液冷HPC系统,该系统可最大限度的利用 图2 高温水芯片液冷HPC冷却系统架构

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2018 自然冷源,由全年50%时间自然冷却提升至100%自 然冷却,年均PUE值由1.4可提升至1.2,节能效果显 著.但由于需单独建设一套高温水冷源,相比于利 用统一冷水机组提供的低温水冷源,初始投资会有 所增加. 对目前两个主流国产HPC厂商的高温水芯片液 冷HPC产品进行了初始投资和投资回报周期测算,当HPC的采购规模为8 P时,相比于利用统一的低温水 系统,新建一套独立的高温水系统的初始投资将增加 183万~274万元,但节电和节水效果很显著,年运行 费用节约160万~200万元,投资回收期在2年以内, 节能效益明显.因此,在初始投资和场地空间建设条 件允许的前提下,高温水芯片液冷HPC系统具有很高 的节能效益. 2.2 低功率密度机房节能 低功率密度机房节能通常侧重于 分区风冷 和 避免损失 ,因此,低密度机房针对CRAC的节能 是重中之重,另外,低密度机房建设方式通常为渐进 式增长,因此,模块化机房建设方式也是节能不可或 缺的一部分. 低功率密度IT设备的代表是:网络、存储、通 信以及普通服务器等设备,这些设备通常采用CRAC 冷却,围绕CRAC的节能包括:封闭冷(热)通道以 便分区冷却;

为机柜安装盲板、封堵等防止冷空气短 路、回流或混流;

安装室外机组雾化喷淋系统降低冷 凝器周围空气的温度;

避免过长的管路设计以降低损 耗等.以上这些节能技术在NMIC均已应用,模块化 机房建设方式尚未在NMIC得以应用,但是,由于其 可以较好的解决容量浪费、效率低、交付时间长、初 设投资大等问题,相信在今后的建设项目中会得以应 用,并取得较好的节能效益. 2.2.1 封闭冷通道 由于封闭冷(热)通道具有较好的节能效果、建 设成本低、可在线安装等优势,使它几乎成为所有低 密度机房节能的必选方案.2011―2017年,NMIC先 后在老楼二层、三层机房共建成8组封闭冷通道,用 以改善机房气流组织,隔绝冷热气流,从而达到降低 送风温度、提高CRAC制冷效率、降低CRAC能耗的 目的.由于冷通道封闭措施节能效果明显,且安装过 程不影响IT设备运行,安全可靠,因此,该节能措施 也逐步推广至各省局低密度机房的建设中,具有很强 的通用性.通过CFD模拟软件,可直观看出封闭冷通 道对IT设备进风区送风温度的降低和机房气流组织的 改善效果.图3为NMIC神威机房神威区域的CFD建模 仿真及封闭冷通道前后温度场对比,通过距地板1.5 m 处的温度场对比可得出以下结论: 图3 神威机房温度场模拟及封闭冷通道前后温度场对比 1)封闭冷通道后,冷通道内温度场与周边区域 完全隔离,冷通道两侧及顶部不存在回风短路现象 (地板送风口出风未经过机柜换热直接回到空调回风 口),冷通道顶部不存在出风回流现象(机柜出风直 接回到机柜进风口). 2)封闭冷通道后,机柜的送风、出风温度明显 降低,提高了精密空调送风效率、显著降低了压缩机 运行时间,使该区域空调机组能耗减少约10%. 目前,NMIC增加的8组冷通道区域对应CRAC共13台,均无备份,全年7*24 h不间断运行,总功耗约

300 kW,封闭冷通道后节能约10%,全年CRAC运行 可节电约263000 kW・h,每年可节约电费24.4万元. 2.2.2 室外机组雾化喷淋 空调室外机组雾化喷淋系统是利用蒸发降温的 原理,将水以雾状喷洒在空气中,雾粒气化时吸收热 量,降低了冷凝器周围空气的温度,低温空气吸收冷 凝器翅片的热量,达到对金属表面降温的作用,冷凝 器散热效果的增强使得精密空调冷凝压力降低、压缩 气象科技 进展

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2018 机输入功率降低,从而提高了制冷量,有效提升了空 调的能效比,实现节能的目的. 在北京市发改委 2015年公共机构数据中心节能 低碳示范改造工程 的支持下,室外机组雾化喷淋系 统在NMIC机房空调系统中得到应用,建成了3套雾化 喷淋系统覆盖NMIC老楼的全部57台CRAC室外机和6 台冷水机组,并实行分区管控. 空调室外机组雾化喷淋系统由软水机组、过滤 器、微雾主机、微雾高压水管、微雾喷嘴、压力、温 度控制器组成.该系统耗水量低,相当于直接水喷淋 冷却系统的1/60........