绿色节能时代 有效降低制冷设备成本

1 绿色节能时代 有效降低制冷设备成本 随着经济的飞速发展 数据业务的普及和壮大 数据中心 网络机房作为一种物理载体在 各企业的发展和运营中越来越突出 与此同时 数据中心也正在以一种能源消耗 黑洞 的形式 成为企业成本的隐形 杀手 能源变得越来越稀缺和昂贵 如何有效降低能耗支出 成为当前 各企业急需解决的问题 据统计 全美国的服务器年耗电量超过 100 亿美元 其中三分之一以上的费用用于服务 器的散热 我们看到 平均每度 10 美分的电价 使大多数 IT 经理 IT managers 敏锐地察 觉到公司数据中心的电费正在飞速攀升 而在中国有些电力供应紧张的城市 电价甚至更高 但有趣的是 大多数的数据中心经理却对这些费用视而不见 对他们来说 最大的关注点在于 能否为数据中心持续增加的工作量提供充足的电力 同时 设备经理们在付电费账单时也不会 关心这些问题 未来 随着电源和散热问题变得更加普遍和突出 能源资源越来越紧迫 降低 能耗这是必然的趋势 据美国 Lawrence Berkeley 国家实验室进行调查显示 一个典型的数据中心电能消耗比例为 1 IT 设备 服务器 交换机 路由器等 占 44 2 制冷设备 机房精密空调 风机 占 38 3 电源设备 UPS SPM 等 占 15 4 照明占 3 从上述比例我们不难看出其中制冷设备的耗电量仅次与 IT 主设备的耗电量位于第二位 那么 怎样将这 38 的耗电量降至最低 如何更有效的降低数据中心的运营成本 我将从如下几个 问题来探讨 一 合理选择机房制冷设备 数据中心各设备产生的热量需采用空气冷却的方法去解决 那么数据中心的最佳制冷设备就是 机房专用精密空调 但有的客户会问为什么普通的商用空调不可以 二者都是用来降低空间环 境温度的 而且商用空调要比机房专用空调价格便宜许多 其实机房环境调控设备并不是大家 想象的那么简单 只需要将环境的温度降低就可以 它需要从多个方面去考虑 比如温度控制 精度 环境的湿度 洁净度 控制管理等 机房专用空调就是为机房设备控温的 而民用空调 都是直接服务于人的 它们的设计理念和功能都完全不同 设计理念最大的区别在于 机房专 用空调是大风量 小焓差 高显热比 显热比的概念是指空调降温与除湿两种功率相对之比 民用空调刚好相反 是小风量 大焓差 低显热比 数据中心和网络系统的 IT 硬件运行时会产生大量集中的热量 同时对温度和湿度的变化也极 其敏感 温度和湿度的轻微浮动 就可能导致系统发生严重问题 轻则系统产生无用信息 重 2 则系统停机 在 IT 设备机房中 热负荷几乎全部来自 IT 硬件 照明设备 支持设备和发动机 散发的显热 IT 设备机房含有很少的潜热 因为人员较少 外部空气有限 物理结构上还往往 含有防潮层 用以满足机房环境的空调 SHR 要求非常高 达到 0 95 0 99 精密空调系统设 计用于满足这些显热比例极高的系统 相比而言 舒适空调系统的 SHR 通常为 0 65 0 70 从而只能提供较低的显冷量 同时潜冷量较高 过多的潜热制冷意味着空气中大量水分被移除 为了保持所需的 35 50 相对湿度范围 那么就需要空调设备连续进行加湿 从而将会耗费 大量能源造成不必要的浪费 在 IDC 机房里空气的循环次数会达到每小时 30 次左右 即每两分钟对机房的空气处理一遍 民用空调的风量则会很小 处于空调出风口的位置 IT 设备散热很好 但离空调出风口位置越 来越远的 IT 设备散热效果会越来越差 甚至出现无法冷却空气导致 IT 设备过热而宕机 机房 专用空调的风量会很大 严格按照机房环境设计的出风量 不会出现局部过热现象 另外机房 专用空调的连续运行能力更强 使用寿命也更长 比如艾默生的机房专用空调 DataMate 3000 系列 PEX 系列 高热密度 XD 系列 能够提供 24 小时 365 天连续 10 年以上不间断地连续运 行 而对于民用空调来讲 如果保持 24 小时 365 天运行 那么这台民用空调的寿命不会超 过三年 所以在选择机房制冷设备时 需要严格的按照机房环境的要求去选择制冷设备 而不 是为了初期投资的 蝇头小利 茫然选择非机房专用制冷设备 二 正确选配机房 IT 设备机柜 机柜是什么 很多人把机柜看作是用来装 IT 设备的柜子 机柜是柜子 是 IT 应用中的低值 附属产品 只是用来容纳服务器等设备的容器 并不被重视 但并不仅仅如此 随着计算机与 网络技术的发展 数据中心的服务器 网络通信设备等 IT 设施 正在向着小型化 网络化 机架化 刀片化的方向发展 这都给数据中心的构建模式带来了新的变化 1 个 42U 的机柜可 以放置 42 台服务器 这样就会对我们的机柜带来新的挑战 机柜的散热 线缆管理 机柜监 控等 机柜的选择首先需要遵循的规则是 IT 设备的散热风道设计理念 目前服务器 交换机 路由 器等 IT 产品都采用的是前进风后出风的散热风道设计理念 所以我们选择机柜也需要根据这 个理念来设计机柜散热风道 见下图 机柜散热风道示意图 3 1 机柜的通孔率 从图 1 1 我们看出空调的冷风从机柜的正前房进入 从机柜的背部热风抽出 形成一个风道循 环 在日常的机房管理当中 很多机房管理人员误认为只要整个机房的温度降下来 机柜内的 服务器温度也就降下来 但事实上我们会发现机房总体的温度降下来了 可机柜环境管理单元 却报警 机柜温度超高 这又是为何 其实我们分析一下原因就可以看出问题的所在 在这个 问题上我们就将要提到一个机柜上的专业术语 通孔率 即机柜前面板上的开孔占有率 从图 1 1 看出当冷风从前面送入机柜内 当我们的通孔率越高则送进去的冷风就越多 反之由于通孔 率低 冷风则有一部分被阻挡在机柜外面 无法充分送入机柜内部 则形成了机房温度低 达 到规定要求 但机柜内部环境管理单元报温度过高报警 所以在选择机柜时通孔率是一个重要 的参数 因为通孔率越高 冷风使用率就会越充分 大大降低空调制冷运行率 有效降低运行 成本 2 机柜的线缆管理 刚刚我们提到 1 个 42U 的机柜可以放置 42 台服务器 且多数大量采用冗余配件 如冗余电源 存储阵列等 机柜内设备配置频繁变换 数据线和电缆随时增减 所以 机柜必须提供充足 的线缆通道 和线缆管理附件 能从机柜顶部 底部进出线缆 在机柜内部 线缆的铺设必须 方便 有序 与设备的线缆接口靠近 以缩短布线距离 减少线缆的空间占用 保证设备安装 调整 维护过程中 不受到布线的干扰 并保证散热气流不会受到因为线缆没有合理排部导致 热气流无法充分被排出 残留一部分在机柜内部造成气流短路循环 所以合理的线缆管理可以 有效的提高气流循环迅速降低机柜内部温度 大大降低制冷设备运行时间 3 盲板的使用 在机柜附件的组成中有一个叫盲板的附件 有 1U 2U 3U 规格等 在选配中很少有人会选择 盲板这个附件 因为多数人认为盲板是为了使空缺的 U 看上去更美观更整齐才设计这样一个附 件 来填补空缺的 U 高度 其实人们忽略了这个盲板最大的作用 其实设计人员设计盲板这个 附件是为了解决废气热循环 更加有效的将热空气和冷空气阻断 避免冷热空气短路循环 见 下面 2 组图 盲板效果使用图 4 绝大多数人认为机柜是用来承载物理 IT 设备的一个机架 而忽略了它是防止将 IT 设备排出的 热空气阻断避免进入 IT 设备的进气口 热气排出被增压 加上进气口冷风的吸力将可能导致 热气被重新吸入进气口 从上图我们可以清楚的看到没有盲板排除的热空气从空缺的 U 空间到 达进气口 使进气口的冷空气和出气口的热气混合后进入 IT 设备 将进气口的冷空气温度提 高 具相关权威实验室实得出的参数显示 冷热空气再循环会导致机柜内的 IT 设备温度将上 升 8 由于无盲板阻挡的机柜大大降低冷空气的使用率 严重浪费了制冷设备的制冷量 再 看有盲板的机柜 有效地将出气口的热空气阻挡 避免了冷热空气再循环 通过上面三点我们不难看出合理的选择机柜对 IT 设备的散热和制冷效率的充分利用有着很大 的作用和经济效益 目前业界主流的机柜有 EMERSON APC 威图等 其中艾默生公司其下 的德国 Knurr 子公司生产的 Miracel 系列机柜有着业界最高的通孔率 83 业界标准是 72 丰富的电缆管理单元和多样的附件 是专门为满足今天及未来数据中心环境需要而设计的新一 代 高品质机柜解决方案的最佳产品 三 正确的机柜布局和 IT 设备的摆放 1 机柜布局 在现代机房的机柜布局中 人们为了美观和便于观察会将所有的机柜朝同一个方向摆放 那么 如果按照这种摆放方式 我们上面提到的机柜盲板有效阻挡冷热空气的效果将大大折扣 为什 么会这样说 当我们的机柜朝统一方向摆放时就形成了第一排机柜背面正对着第二排机柜的正 面 这样 2 排机柜中间的通道就会出现冷热气流混合循环 形成冷热气流短路致使第二排机柜 的冷风进口温度大大提高 严重破坏了冷风通道的环境温度 我们正确的摆放方式应该是将服 务器机柜面对面或背对背的方式摆放 这样便形成了冷风通道和热风通道 机柜之间的冷热风 不会混合在一起 形成短路气流 大大提到了制冷效果 保护好了冷热通道不被破坏 正确摆 放方式见示意图 机柜布局摆放示意图 5 2 IT 设备摆放 随着服务器的小型化 高密度化 刀片式服务器的产生 这些服务器摆放的位置越来越不容 IT 管理者的忽视 我们大家都知道高功率设备有一个最显著的特点就是发热量大 比普通 IT 设 备可能要高 1 倍或更多 如果将这些高功率负载和高密度的服务器组合摆放在一个机柜内 这 样便会出现一个高密度设备群 形成了一个巨大的发热群体 这种情况最容易导致数据中心的 局部热点 通常 IT 管理人员将这些设备摆放在一起是为了美观和便于管理 但从上面的分析 显然这种摆放是错误的 它将需要付出相应的成本来换取 为了解决这个局部的热点 IT 管理 人员不得不降低整个机房环境的温度或添加专门的制冷设备 来处理这个局部发热点 其实针 对这样的问题 我们完全可以将这些高功率设备和高密度服务器均分在每个机柜内 这