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提高数据中心冷却效率

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2011年5月4日

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以前,数据中心制冷设备中的水泵和冷却器均为定速马达驱动。在这种方案中,必须按照最高预期负载和最差(最热)的室外环境条件配置马达。但是,数据中心运行时通常只能达到其部分设计容量,而且其运行寿命的 大部分时间都是在室外较凉爽的情况下度过的。因此,就采用定速马达驱动的冷却器和水泵而言,其马达将在 大部分运行时间里以高于所需的速度运转。

水泵和冷却器内的变速驱动器

配备变速驱动装置 (VFD) 和相应控制装置的水泵和冷却器能够降低其运转速度和能源消耗,以适应当前的 IT 负载和室外条件。这种能效提升随运行状况而变化,但可达到 10% 或更高,特别是数据中心不在满负载条件 下运行时,或在数据中心中的水泵或冷却器采用冗余设计配置。水泵和冷却器内的变速驱动器可以看作是一种"自动容量优化"形式。

使用变速驱动装置所得到的效率提升也可以通过阶段控制或多个定速水泵和冷却器来实现。但是,这些系统可 能需要进行大量的工程设计,且借此获得的效率提升通常不到 变速器的一半。

与定速设备相比,水泵和冷却器内的变速驱动器是额外的成本。对于某些季节性或间歇性应用而言,这种额外 投资所带来的投资回报并不高。但是,对于那些全年不间断运行的数据中心来说,投资回报期可能只需几个月 时间,具体情况视特定的数据中心而定。

容量管理工具

提高电源容量、冷却能力和机架空间的利用率

大多数数据中心未充分利用电源容量、冷却能力和机架空间。这种情况的主要表现是数据中心的平均运行功率 密度低下;现代 IT 设备的功率密度范围是每机柜 5-20kW,典型的数据中心运行情况为每机柜 3kW 或更低。 这种差异表明该数据中心的物理规格大大超出需求,其通风模式、气流混合、配电线路及照明系统均超过实际 需求。

数据中心经常以低功率密度运行的主要原因是无法以一种可预测的有效方式管理电源容量、制冷能力和机架空 间。将 IT 负载分散的结果就是导致电源和冷却系统的效率降低。有效的工具和规则体系可以让数据中心在高 功率密度下运行,并具备以下效率优势:

l 气流路径缩短,导致更低的风扇功率

l 气流混合机会减少,导致回风温度较高

l 回风温度较高,导致冷却器效率提升

l 回风温度较高,导致空调制冷量提高

l 配线长度缩短,导致配线和 PDU 损耗降低

l 同等电源和冷却基础设施能够带更多的 IT 负载

除了在低功率密度下运行的问题外,大多数数据中心运行时还有 15% 到 50% 的电源和冷却"安全系数"。 安全系数是 IT 负载与电源/冷却设备额定功率间的最小容许百分比差值。考虑安全系数限是一种有意为之的过 度规划,用于避免因对系统性能了解不确切而导致系统超载或过热。事实上,考虑安全系数恰恰说明了对系统 的无知。

安全系数会对数据中心系统的性能产生两大影响。第一,使用安全系数显著增加数据中心的资本成本,因为它 迫使您购买和安装无法使用的设备(容量)。第二,安全容限使得数据中心的运行效率无法达到负载曲线中的 最高效率点,降低了数据中心的效率。

有效的容量管理系统包括一些工具和规则,能够使数据中心以较高的密度和较低的安全容限(不影响安全性) 运行。一个可行系统的优势在于除因功率密度较高(5-10% 左右)实现资本节约外,整个基础设施的电力效 率应为 5% 左右。能够在给定电源和冷却基础设施"承受范围"内运行更多 IT 设备的系统既可增加经济效 益,又可提高电力效率。可以清楚地看到,在电源和冷却系统承受范围内放入更多 IT 负载,进而增加的电力 效率要高于数据中心的整体效率,也就是说在现有数据中心内放置更多 IT 负载与将其放入到新数据中心相 比,通常前者效率更高。

有关高效电源容量和冷却能力管理系统原理及运行状况的讨论,请登陆www.apc.com/下载 APC 第 150 号白皮书数据中心的电源容量和冷却能力管理。

图 1 显示了一个商用容量管理系统的示例:

提高数据中心冷却效率

机房布局工具

优化机房布局,提高冷却效率

数据中心内的许多电力效率低下问题均源于整个系统内电源和冷却设备的配置方式。即使采用效率非常高的电 源和冷却设备,仍会经常出现整体效率低下的现象。造成该问题的最大因素之一是冷却设备和 IT 设备的物理布局。

针对效率优化的机房布局应具备以下特征:

² 尽可能缩短气流路径的长度,以降低风扇功耗

² 尽可能减小气流阻力,以降低风扇功耗

² IT 设备排出的热空气在高温状态下直接回流至制冷设备内,以最大限度地将热量传回制冷设备

² 空调的安装位置应使其所能提供的冷空气是与附近的负载需求保持平衡

以上的一些要求可以通过制冷来实现设备基本设计(如列式冷却)。但是,IT 设备和空调的地板布局会极大 的优化制冷设备。最佳地板布局随数据中心的具体情况而异,具体来说,它取决于机房的形状和大小、机房内 的目标 IT 功率密度及其他场地特点。要设计出最佳的布局,一方面需要遵守相关规范,另一方面还必须进行 复杂的计算。好在这些相关规范可输入计算机辅助设计工具和计算也可交给计算机辅助设计工具自动完成。

图 2 所示为用于优化空调布局的数据中心布局工具示例。

提高数据中心冷却效率

新型架构带来的整体效率提升

将此改进型架构的各个要素组合到一起后,与前文所述的传统设计相比,其耗电量降低幅度达到 40%。整个数据中心基础设施的效率(DCiE – Green Grid联盟确立的度量标准)是一条随 IT 负载而变化的曲线,如图 3所示。

提高数据中心冷却效率

欲了解更多可应用于特定数据中心使用的模型、技术和分析。请登陆www.apc.com/参见 完整版APC 第 126号白皮书或参考APC 提供的数据中心效率评估服务 (Data Center Efficiency Assessment Service) 。

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