魯少堃：數(shù)據(jù)中心的綠思維
魯少堃 2011/12/30
數(shù)據(jù)中心朝著大型和超大型發(fā)展，對運(yùn)算能力、存儲能力的要求也相應(yīng)提高，但是隨之而來的是能耗的進(jìn)一步提升和運(yùn)維成本的不斷增加。如何降低能耗、提高資源利用率、節(jié)約成本？
魯少堃，華為能源資深專家，在國際上首先提出“多重能源耦合”概念，為低能耗建筑的研究提供了創(chuàng)新思維。
數(shù)據(jù)中心呼喚綠色
斯坦福大學(xué)教授Ohnathan G. Koomey的研究數(shù)據(jù)顯示，2010年全球數(shù)據(jù)中心耗電量達(dá)到了驚人的1988億kWh，約占全球發(fā)電量的1.1%至1.5%；而在擁有大量數(shù)據(jù)中心的美國，這個(gè)比例已經(jīng)達(dá)到1.7%－2.2%。數(shù)據(jù)中心的耗電支出已經(jīng)超過對基礎(chǔ)設(shè)施的投入。
隨著信息化的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)增長越來越快，對數(shù)據(jù)中心的需求和數(shù)據(jù)容量也相應(yīng)地在快速增長。微軟公司的Christian Belady最近在其博文中寫道，預(yù)計(jì)到2020年，美國和全球數(shù)據(jù)中心市場將增長50%，分別達(dá)到180億和780億美元。
數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展對電力等能源的需求也會越來越大，但是能源的緊缺供應(yīng)，將難以滿足這種需求。數(shù)據(jù)中心工業(yè)協(xié)會（AFCOM）下屬的數(shù)據(jù)中心研究所預(yù)計(jì)，在今后幾年里，超過90%的企業(yè)數(shù)據(jù)中心將因?yàn)殡娏Σ蛔愣辽僦袛嘁淮�。在這種供給與需求的雙重壓力之下，越來越多的中小企業(yè)放棄了自建數(shù)據(jù)中心，轉(zhuǎn)而向大型數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商租用其提供的數(shù)據(jù)中心服務(wù)。
數(shù)據(jù)中心朝著大型和超大型發(fā)展，對運(yùn)算能力、存儲能力的要求也相應(yīng)提高，但是隨之而來的是能耗的進(jìn)一步提升和運(yùn)維成本的不斷增加。如何降低能耗、提高資源利用率、節(jié)約成本，建設(shè)“綠色”數(shù)據(jù)中心？
探索“綠色”可行性
綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，需要使用新的節(jié)能技術(shù)與設(shè)備，替代原有的低功效設(shè)備，以降低能耗、提高能源利用率和減少運(yùn)維成本。但是在采用新技術(shù)和新設(shè)備的過程中，不可避免會增加額外的前期投資。
因此，對于數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)者和運(yùn)營商而言，需要在技術(shù)資源、投資回報(bào)率、社會效應(yīng)等多方面考慮，選取最適合的方案，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的平衡。
綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)很多，但是歸根到底在于“開源”與“節(jié)流”。我們將從這兩方面，介紹一下現(xiàn)在比較主流的技術(shù)方案。
綠之“開源”
再生式能源對電力的補(bǔ)充：數(shù)據(jù)中心運(yùn)營的基礎(chǔ)就是電力。電力保障了數(shù)據(jù)中心IT業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行、制冷系統(tǒng)的冷卻降溫、管理監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)作、室內(nèi)照明等等。對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，通過電網(wǎng)獲得電力資源是唯一的選擇，但是現(xiàn)在，情況卻在悄然變化。
2007年，Google在其總部安裝了太陽能發(fā)電系統(tǒng)，約9200塊太陽能電池為Google提供了總功率1.6MW的電力。而另一個(gè)IT行業(yè)巨頭微軟，則在其位于美國昆西的數(shù)據(jù)中心采用了水力發(fā)電方案。
除此之外，風(fēng)力、地?zé)�、潮汐等再生式能源，同樣存在為�?shù)據(jù)中心提供電力資源的可能。再生式能源的使用，降低了數(shù)據(jù)中心對電網(wǎng)的負(fù)荷和CO2的排放，并給數(shù)據(jù)中心帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和無法估量的社會效應(yīng)。
再生式能源直接提供制冷：太陽能空調(diào)是目前應(yīng)用較為廣泛的再生式能源制冷技術(shù)。它主要由太陽能集熱器和吸收式制冷機(jī)兩部分構(gòu)成。吸收式制冷機(jī)利用太陽能集熱器為其發(fā)生器提供熱媒水，來加熱發(fā)生器，取代了傳統(tǒng)吸收式空調(diào)用電能加熱的方式。并且，太陽能集熱器的熱媒水溫度越高，空調(diào)系統(tǒng)的制冷效率也越高。這種技術(shù)在太陽能資源豐富的地區(qū)，已經(jīng)得到很好的推廣與應(yīng)用。
目前歐洲最大的太陽能空調(diào)系統(tǒng)位于德國Offenburg。通過此系統(tǒng)，Offenburg高等學(xué)校每年可以節(jié)省500MWh電能。
自然冷源的利用：除了太陽能，還有很多資源可以為綠色數(shù)據(jù)中心提供制冷資源，如江河、湖泊、海洋、地下水，甚至土壤和空氣，等等。
在氣候寒冷的北方地區(qū)，室外冷空氣可以直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)中心，用于冷卻IT設(shè)備。微軟在愛爾蘭都柏林的數(shù)據(jù)中心將這種技術(shù)方案發(fā)揮到了極致：整個(gè)數(shù)據(jù)中心使用的是“無冷卻器”模式，也就是說，數(shù)據(jù)中心不需要任何制冷設(shè)備，而是使用免費(fèi)的外部空氣進(jìn)行冷卻。
除了直接使用室外冷空氣，我們還可以將熱空氣通過換熱器，與周圍低溫水源或地下水，甚至土壤進(jìn)行換熱冷卻，也能為數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)提供額外的冷量。這些資源不僅可以大大降低數(shù)據(jù)中心的電能消耗和耗電成本，更是一種清潔無污染的能源。
選址是關(guān)鍵：美國地產(chǎn)大亨Donald Trump曾經(jīng)在他的電視真人秀《學(xué)徒》中說過，地點(diǎn)選擇是商業(yè)成敗最關(guān)鍵的因素。同樣，地點(diǎn)選擇也是“綠色數(shù)據(jù)中心”成敗的關(guān)鍵，因?yàn)榈攸c(diǎn)決定了是否有清潔、免費(fèi)的能源供給。
目前世界上大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心主要集中在北緯44度到北緯46度之間，究其原因可以發(fā)現(xiàn)，在此緯度范圍的年均日照時(shí)間較長、水資源較豐富、冬季較長、年均氣溫較低，這些條件使提供免費(fèi)的供電及制冷資源成為可能。
綠之“節(jié)流”
與“開源”的“靠天吃飯”相比，“節(jié)流”就偏向于“人定勝天”了。“節(jié)流”旨在通過技術(shù)手段，改造或優(yōu)化數(shù)據(jù)機(jī)房，從而達(dá)到“綠色”的標(biāo)準(zhǔn)。接下來我們看一下IT、制冷、配電、建筑設(shè)計(jì)這四個(gè)能耗大戶如何節(jié)能：
IT系統(tǒng)的節(jié)能：IT設(shè)備是數(shù)據(jù)中心的核心設(shè)備，又是最大的能耗單元。隨著新技術(shù)的產(chǎn)生和新產(chǎn)品的應(yīng)用，IT設(shè)備正朝著高效節(jié)能的方向發(fā)展。
比如刀片式服務(wù)器，通過對服務(wù)器部件的技術(shù)升級和優(yōu)化整合，顯著提升性能、降低用電與冷卻成本，以及占地空間需求；固態(tài)（SSD）硬盤作為存儲單元的應(yīng)用，使得存儲速度更快、能耗更低、發(fā)熱量更��；虛擬化技術(shù)可以將多臺物理服務(wù)器整合到一臺服務(wù)器上來，按照5:1的比例，虛擬化技術(shù)可以節(jié)省最多80%的物理服務(wù)器所消耗的電力和冷卻資源。
制冷通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能：制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心排名第二的能耗大戶，消耗的電能一般占到數(shù)據(jù)中心總耗電量的25%以上，所以在制冷系統(tǒng)方面，同樣存在巨大的節(jié)能空間。
大型數(shù)據(jù)中心的制冷，可以采用水冷機(jī)組代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)冷機(jī)組，提高制冷機(jī)效率，降低制冷設(shè)備電能消耗。
機(jī)房制冷可以采用密閉冷、熱通道技術(shù)，避免冷熱空氣混合，達(dá)到高效制冷的目的，這種技術(shù)至少可以減少25%的制冷系統(tǒng)能耗。同時(shí)還可以采用熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，使用機(jī)房熱風(fēng)對辦公區(qū)域、配套區(qū)域進(jìn)行供暖，達(dá)到降低建筑整體能耗的目的。
除此之外，精確送風(fēng)技術(shù)也得到越來越廣泛的運(yùn)用，該技術(shù)讓冷風(fēng)直接冷卻機(jī)柜，并根據(jù)每個(gè)機(jī)柜溫度的不同，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，避免資源浪費(fèi)。
此外，使用變頻空調(diào)，或者在保證設(shè)備正常運(yùn)行的情況下調(diào)高空調(diào)溫度，都可以有效地降低能耗。
配電系統(tǒng)的節(jié)能：配電系統(tǒng)的重要組成是UPS，它保證了數(shù)據(jù)中心的電源穩(wěn)定，但是隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，UPS的耗電也變得越來越多。除了傳統(tǒng)的針對UPS和電池的節(jié)能技術(shù)升級以外，飛輪和高壓直流電源成為配電系統(tǒng)節(jié)能的兩個(gè)發(fā)展方向。
飛輪儲能作為一種機(jī)械儲能的方式，比傳統(tǒng)化學(xué)蓄電池的效率高8%左右，達(dá)到98%。同時(shí)，飛輪UPS不需要空調(diào)降溫，節(jié)約了空調(diào)的成本和耗電量。另外，它的壽命長達(dá)20年，可靠性較高，還節(jié)省了更換蓄電池的費(fèi)用。
位于美國科羅拉多州的Broomfield數(shù)據(jù)中心，是世界上最早同時(shí)也是規(guī)模最大的使用機(jī)架冷卻方案的數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)中心應(yīng)用“機(jī)架冷卻系統(tǒng)+節(jié)能冷水機(jī)組+飛輪UPS”方案實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)省和空間的節(jié)約。
除了飛輪儲能，高壓直流電源正成為配電系統(tǒng)一個(gè)新的發(fā)展方向。這是因?yàn)榉⻊?wù)器在內(nèi)部使用的是直流電，直接使用直流電源可以減少交流電轉(zhuǎn)換為直流電這一環(huán)節(jié)，降低了電流轉(zhuǎn)換的損失，實(shí)現(xiàn)迅速節(jié)能。
建筑設(shè)計(jì)的節(jié)能：在建筑設(shè)計(jì)過程中，有很多技巧可以降低建筑的能耗，比如合理規(guī)劃建筑朝向、布局、外觀、間距、層高；合理選用節(jié)能型建筑材料以及規(guī)劃門窗尺寸、材料；合理設(shè)計(jì)樓宇通風(fēng)、采光；在屋頂種植綠色植物等等。
隨著二氧化碳排放量劇增、對全球氣候變暖的影響更加明顯，企業(yè)或機(jī)構(gòu)無疑都將受到越來越多的成本約束和環(huán)境法規(guī)限制。作為人類節(jié)能減排活動的重要組成部分，IT企業(yè)必將越來越努力建設(shè)高效節(jié)能的綠色數(shù)據(jù)中心，更新更優(yōu)秀的節(jié)能技術(shù)也將應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心上，以支持我們創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的計(jì)算環(huán)境。
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