IDC机房能耗投资分析与解决方案.doc

Tainet Communications System Corp.,LtdIDC机房能耗节投资分析及节能解决方案北京拓迅科技有限公司2010-8-24 目录1.IDC机房能耗分析与节能技术31.1、IDC能耗分析31.2、节能技术分析52.智能风冷系统解决方案62.1、方案概述62.2、工作原理72.3、产品介绍92.4、优势与特色103.投资与案例分析133.1、投资项目说明133.2、大兴信息中心机房改造投资分析143.3、铜牛IDC机房改造投资分析分析163.4、中国计算所机房改造投资分析183.5、赛尔网络机房改造投资分析201. IDC机房能耗分析与节能技术随着电子信息系统机房IT设备高度的集成化，其能源效率偏差以及机房散热量日渐增高的现象开始受到了各界强烈关注。伴随着我国低碳经济的到来，各个行业针对节能减排的需求与日俱增，对于各数据中心机房尤其突出，如何在业务量不断增加的情况在下，能够更有效的降低能耗成为我们研究的一个课题。1.1、 IDC能耗分析1.1、1. 能耗的评比标准PUE（Power Usage Effectiveness）PUE=数据中心机房总能耗IT设备能耗基准是2，越接近1表明能效水平越好，既意味着单位能耗使用在业务上的效率越高。据有关方面统计，我国现运行的机房PUE值多数是在3.0以上，远超出能效逻辑所阐述的标准机房基准数值。这表明现有机房的能量约有6070%都消耗到空调冷却设施上了。而Google美国公司的数据中心PUE年平均值可以达到1.21，美国Hp的新一代数据中心体验中心机房夏季PUE值可以达到1.61.7。足以见到我们的数据中心机房之能源利用效率与世界水平的差异程度。1.1、2. IDC标准能耗分配图现有机房多数能耗分配状况标准机房能耗分配l IT设备及网络通信设备：30%l IT设备及网络通信设备：50%l 空调的通风及加湿系统：14%l 空调的通风及加湿系统：12%l 空调的制冷系统：36%l 空调的制冷系统：25%l 变压器/UPS供电系统：18%l 变压器/UPS供电系统：10%l 照明设施：2%l 照明设施：3%据美国电力转换公司最近的统计数据显示，数据中心的冷却成本大约占总能源账单的50%。根据国际正常运行时间协会Uptime Institute的统计，由于数据中心机房内气流不适当，用于冷却的冷空气有60%都浪费了；数据中心的过度冷却（overcooling）差不多达到实际需求的2倍，目前多数IDC机房存在过度冷却问题，相应的机房空调机组耗能也比设计工况增加耗电50%以上，最终造成机房居高不下的高额运行费用。故此如何优化数据中心冷却是排在第一位的最有价值的绿色计划！1.2、 节能技术分析1.2、1. 节能技术的原则针对现有机房的节能改造，要充分考虑到如何利用现有资源，而非全面替换的原则，达到最好的能耗利用率，即提高PUE值。并且要考虑投资回报率和长远投资保护。1.2、2. 节能技术的基本方法通过上节的数据分析，我们不难得出提高现有机房的能耗利用率主要在于如何解决如下两个方面问题：l 为了解决机房局部热点，提高制冷量，所造成的机房过度冷却，导致制冷能耗的增加与浪费l 由于运行负载率过低，从而造成电源整体效率降低，带来了供电系统的电能损耗增加。解决附载率过低的问题，相对较为复杂，且各地情况不同，不易解决。另外从整体能耗分析得出，此部分损耗并非最大的部分。如何提高制冷效率，有效避免机房过渡冷却的问题是比较实际可行的，这将是我们关注的重点，并提出相应的解决方案。采取方式：方法一：更换现有高能耗制冷系统，采用更为先进的高效制冷系统。方法二：利用现有制冷系统，针对热点进行定点冷却，降低整体冷却系统的能耗。上述两种发法，不难看出第一种工程浩大、投资过高、收效未必理想，故我们将在重点放在第二种方法上，下述章节将就此方案进行讨论。2. 智能风冷系统解决方案由于现代电子信息系统机房中的空调负荷主要来自于计算机主机设备、外部辅助设备的发热量，其大约占到机房空调总负荷的8097%；而在服务器、存储、网络等主设备中服务器的份额又大约占到设备散热量的80%。所以随着服务器集成密度的持续增高，服务器机柜设备区就成为了机房内主要的热岛区域。如何解决好这些热岛区域的冷却散热系统成为我们研究的课题。2.1、 方案概述从机房基础架构而言，电子信息系统机房新的国家标准电子信息系统机房设计规范GB 50174-2008规定：当机柜或机架高度大于1.8m、设备热密度大、设备发热量大的电子信息系统机房宜采用下送风空调系统。而下送风空调系统机房建设物理环境的具体架构是将抗静电活动地板下空间作为空调系统的送风静压箱，空调机组由通风地板向机柜、设备等热负荷送风。可是机房内空调冷却系统的送风按照流体力学伯努利原理所陈述的气流特性 “风速大的压力小”，受此特性制约的空气流会呈现靠近空调机组的通风地板出风量较小；又由于机房空调系统的靠近空调机组的前部通风地板已然输送出了一定的风量，后部的通风地板的送风量即会显现有所减少；而到了地板末端又会因为伯努利原理风速小的压力大之特性，导致地板下送风风压的增加，使得此区域内的通风地板输送风量却增大了；因为现有数据中心机房面积为了规模效应而愈建越大，一般安置的机房空调机组的方式是临近机房四周墙壁包围着IT主设备送风冷却，由此会出现在抗静电地板下产生风压相抵、通风地板送风量减小的现象。从以上分析可见将抗静电活动地板作为空调系统送风静压箱进行设计时，其参数选定的误差可能会很大，导致机房投入运行时各个区域通风地板实际送风量的差异会十分明显、各块截然不同。现有的机房架构最终让区域里高热密度设备负荷的散热状况日渐恶化，主设备运行的安全性、可靠性及机房整体能耗表现得差强人意下图表示了机房中的热岛效应，传统冷却方式是提高制冷量，造成机房过冷的环境，以解决此问题，从而造成能耗的浪费。 2.2、 工作原理针对上述数据中心机房能效现状，我们提出具体的解决方案是：首先，通过对整个数据中心的红外温度热场分布以及气流流动情况，准确找出问题点以便用来改善数据中心的热效率。帮助用户建立他们数据中心精确的模型，提出数据中心地板室温以及返回天花板静压模型的能力，在温度调节设置时从4个CRAC边界条件中选择设定，并通过CFD方法能够得到流动和热传递的耦合解，用以正确说明气体流动和热的交换；根据得到的PDU具体热负荷来提供数据中心的详细分析报告。其次，在送回风不畅的机房区域施行将原先的通风地板更换为智能风冷设备，以辅助下送风机房空调的送风效果。由于现有电子信息系统机房的气流组织现状十分复杂，导致主机房高热密度负荷不能及时被空调机组所冷却，所以须在主机房高负荷服务器机柜前方更换专用的智能风冷设备（智能风冷设备送风量可高达4000m3/h、送风风压达65Pa，可提供约25kw的制冷量，能满足现有刀片服务器等高热密度负荷满配、满载运行的微环境需求工况）；还可通过集约探测分布式群控智能风冷设备，高效节能整体地解决机房服务器机柜冷却难题。进而，再通过上述控制系统的上位机平台实行调整机房空调的温湿度设置参数，使之设定在2025/4055%Rh的合理范围内，让机房空调机组系统达到既满足机房设备冷却所需；又避免出现机房过度冷却的效果。在应用以上步骤的前提下；再对机房空调系统采用联控运行的模式，以达到最优散热效果的情况以及避免出现空调机组功效抵消的状况；最终可以实现提高数据中心的能源利用效率、节约机房散热之冷却系统的电耗。经优化改造后的机房其PUE值类比可达到Hp公司的动态智能散热解决方案(Dynamic Smart Cooling)之降低数据中心散热成本40%的同级别水平。2.3、 产品介绍本项应用技术所采用的智能风冷设备样式如上图所示配用了红外探测控制可调速风冷系统，结合一体化强化全钢防静电地板（每块地板承重均布负荷1400kg）的机架至少可以满足4KW（即标准19机柜能够满足输入功率4KVA，或者是能够装载下20个标称200W的1U服务器）热负荷的散热；如配用特殊定制高风量风机的通风地板可满足最大25KW/机架 热负荷的散热需求，足以解决诸如刀片服务器、或虚拟化应用等类型的高热密度负荷进入机房场地后的局部热点问题；进而可解决机房整体能耗飚高等系列难题。由于具体施行过程中的机房改造应用环节十分简单、快捷，其关键步骤是采用模块化的红外测控智能风冷设备替换高热密度负荷机柜前方的原有防静电地板即可。智能风冷设备型号与技术规格：红外测控标准型智能型红外压差测控高流量全能型型号 HCCT-200/4-S5HCCT-200/4-F7外形尺寸（mm）600*600*180H600*600*180H送风总量3200M3/h4000M3/h输出冷量10KW25KW送风风压25Pa65Pa额定电压220v/50Hz220v/50Hz额定功率230W410W额定电流09A19A外观颜色浅白面板/黑色机箱2.4、 优势与特色2.4、1. 智能风冷设备系统特点：l 模块化设计，可以任意放置，使用灵活，可以针对改造项目和新增加的服务器单独设置l 配合一体化高强度防静电地板提供高流量风口，送风效率100%，冷热风短路率0%（在机柜进气口端面形成冷风幕）l 空调选型可完全根据服务器冷量选配，无需放大设计余量l 可采用智能风冷设备群控系统，可与IT机柜的进风口红外温度+机柜PDU耗电量+芯片SPEC利用效率控制系统联动l 可以根据IT设备及服务器运行情况，从0-100%分段调节输送的风量及风压，送风风压保证25%功率段的运行即可满足IT机柜顶部的冷却，可满足虚拟机和刀片服务器满配载应用l 在冷通道上使用，减少冷通道尺寸和占地面积，增加装机密度和机柜有效利用面积；节约机房建设面积及业主投资l 提高机房送风准确度及送风效率，能效比节约显著，真正做到定点送风。l 通过智能风冷设备群控系统联动机房空调机组，可满足按需开启的功能，达到智能化节能运行，可令空调机组运行数量减半，机房耗电下降2045%l 冗余设计的高效长寿风机，并有超温停机、报警功能l 每台总风量4000m /h，送风风压高于65Pa，开启部分风机即可满足机柜上部冷却需求l 单台重量30kg，方便搬移2.4、2. 红外/风压测控智能风冷设备突出特点l 采用标准地板尺寸600x600x175mm，而且智能风冷设备对地板架设最低高度要求仅180mm（此亦包括了地板下吸气空间），可满足绝大多数现有下送风机房的环境应用和改造；l 单/双向可调角度百叶风口，可满足冷通道内两侧分布的机柜双向4590送风；l 对原有机柜无需进行任何改装和接触（机柜背面无需安置排风感温探头），安全可靠，移动灵活方便，适合于新建和已运行的项目以及应用的临时调整需求；l 简洁机柜进风口红外温度+送风温度探测控制模式，参数采集无误，冷却迅速；可控制IT机柜进气口的气流温度保证在222之内。l 配备德国原装红外送风温度传感器，均装在高通风率一体化地板风口的内部l 可实现集中监控的电脑控制器，具备RS485联网监控接口l 完备的报警功能，配备消防、远程紧急关断接入点l 配备照明型开关及保险，保证风机地板供电、维修关断时对UPS电源无浪涌、对网络无闪断等干扰l 配有完备的防静电地板工作地与机组保护地绝缘隔离的措施l 板面可选配标准全钢和不同高度木地板以及面板花纹、颜色等规格的产品。3. 投资与案例分析针对上述系统，提供如下案例进行分析，以供参考和更好的了解投资回报的效果。3.1、 投资项目说明3.1、1. 机房改造项目流程图3.1、2. 投资项目说明项目总投资 = 前期机房勘查 + 专业热成像分析 + 产品采购及施工在总投资过程中，前期勘查是必要的，所有改造方案均根据勘查结果制定，至于专业热成像分析则视情况而定，此部分费用较高，适合高端客户，需要非常精准的知道每寸空间的热流量，才考虑投资此项目。3.2、 大兴信息中心机房改造投资分析3.2、1. 概况大兴信息中心机房属于小规模机房，仅有两台空调系统，机房设备摆放密度相对较低。经勘测共计有2个热岛效应区域，采用智能风冷设备替换原有通风地板，取得满意效果。3.2、2. 节能量与节能效益分析改造前能耗数据2台空调机组运行数据功耗(kw)全年运行时间(h)年耗电量（kw.h，度）年运行费用（元）制冷量（预设标准工况：室内24/50%Rh，最高制冷功耗65.2kw）278,760236,520189,216.00改造后能耗数据1台空调机组运行数据功耗(kw)全年运行时间(h)年耗电量（kw.h，度）年运行费用（元）总制冷量（标准工况：室内24/50%Rh，最高制冷功耗32.6kw）13.58,760118,26094,608.00智能风冷设备 x 40.23x5=0.8287608,059.206,447. 36 全年机房冷却系统总能耗费用：101,055.36较改造前节约能耗费用：88,160.64如上数据基于预设情况分析，其中空调系统采用普通工况设定值，实际工况全年因季节不同，有所差异，故采用固定静态工况统计数值应小于实际能耗情况。另，智能风冷系统设备的功耗统计是依照全年最大功耗情况统计，实际功耗应远小于统计数值。预计全年节电量110,200.08kwh、节能率46.5%、节电费8.8余万元3.2、3. 投资回报分析改造前后年节约能耗费用88,160.64改造费用(机房勘测分析、智能风冷设备、改造施工)113,200.00年投资回报率ROI88,160.64113,200.00=77.8%静态投资回收1 77.8% = 1.28年注：电价暂按0.8元/度计算3.3、 铜牛IDC机房改造投资分析分析3.3、1. 概况铜牛IDC机房属于较大规模机房，共有八台空调系统，机房设备摆放密度相对较高。经勘测共计有7个热岛效应区域，采用智能风冷设备替换原有通风地板取得良好效果。3.3、2. 节能量与节能效益分析改造前能耗数据8台空调机组运行数据功耗(kw)全年运行时间(h)年耗电量（kw.h，度）年运行费用（元）制冷量（预设标准工况：室内24/50%Rh，最高制冷功耗=594kw）193.488,7601,694,884.801,355,907.84改造后能耗数据4台空调机组运行数据功耗(kw)全年运行时间(h)年耗电量（kw.h，度）年运行费用（元）总制冷量（标准工况：室内24/50%Rh，最高制冷功耗461kw）96.748,760847,442.40677,953.92智能风冷设备 x 300.23x25=5.75876050,37040,296.00 全年机房冷却系统总能耗费用：718,249.92较改造前节约能耗费用：637,657.92如上数据基于预设情况分析，其中空调系统采用普通工况设定值，实际工况全年因季节不同，有所差异，故采用固定静态工况统计数值应小于实际能耗情况。另，智能风冷系统设备的功耗统计是依照全年最大功耗情况统计，实际功耗应小于统计数值。预计全年节电量797,072.40kwh、节能率47%、节电费63万余元3.3、3. 投资回报分析改造前后年节约能耗费用637,657.92改造费用(机房勘测分析、智能风冷设备、改造施工)713,500.00年投资回报率ROI637,657.92713,500.00=89.3%静态投资回收1 89.3% = 1.11年3.4、 中国计算所机房改造投资分析3.4、1. 概况中国计算所机房属于中型规模机房，共有六台空调系统，机房结构特殊，建设较早。经勘查必须保留4台空调系统的运作，在主要的热岛效应区域和风阻点采用智能风冷设备替换原有通风地板，收到良好效果。3.4、2. 节能量与节能效益分析改造前能耗数据6台空调机组运行数据功耗(kw)全年运行时间(h)年耗电量（kw.h，度）年运行费用（元）制冷量（预设标准工况：室内24/50%Rh，最高制冷功耗=610.2kw）170.48,7601,492,704.041,194,163.20改造后能耗数据4台空调机组运行数据功耗(kw)全年运行时间(h)年耗电量（kw.h，度）年运行费用（元）总制冷量（标准工况：室内24/50%Rh，最高制冷功耗406.8kw）108.18,760946,956.00757,564.80智能风冷设备 x 300.23x24=5.5876048,18038,544.00 全年机房冷却系统总能耗费用：796,108.80较改造前节约能耗费用：398,054.40如上数据基于预设情况分析，其中空调系统采用普通工况设定值，实际工况全年因季节不同，有所差异，故采用固定静态工况统计数值应小于实际能耗情况。另，智能风冷系统设备的功耗统计是依照全年最大功耗情况统计，实际功耗应小于统计数值。预计全年节电量497,568.04kwh、节能率33%、节电费39万余元3.4、3. 投资回报分析改造前后年节约能耗费用398,054.40改造费用(机房勘测分析、智能风冷设备、改造施工)684,000.00年投资回报率ROI398,054.40684,000.00=58.2%