221v0-提高数据中心温度所带来的意外影响

提高数据中心温度所带来的意外影响 版本 0 作者：Wendy Torell Kevin Brown Victor Avelar 第 221 号白皮书 通常，我们会向数据中心运营人员提出提高 IT 入口温 度的建议，以作为提高数据中心效率的策略。虽然提 高温度的确会延长节能冷却时间，但对整个数据中心 而言，并非总是产生积极的影响。 在本白皮书中，我们对数据中心的成本（资本支出和 能耗）进行了分析，以说明整体评估数据中心的重要 性，包括 IT 设备能耗。本白皮书还讨论了提高温度对 服务器故障的影响。 摘要 施耐德电气旗下 的白皮书现收录于施耐德电气白皮书资料库 由施耐德电气数据中心科研中心数据中心科研中心发表 DCSCSchneider-E 提高数据中心温度所带来的意外影响 施耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 2 2011 年，ASHRAE（美国采暖制冷与空调工程师学会）标准 TC9.9 修订版发布，在此推动下， 目前 IT 行业一直致力于提高 IT 数据中心的运行温度。ASHRAE 的建议是希望通过延长“自然冷 却”时间来降低数据中心的能耗。 尽管 IT 行业在不断努力，但许多数据中心的运行温度仍然在 21C（70F）或以下。可以说，IT 行业奉行保守文化（避免宕机、坚持传统做法等），但我们很好奇为何许多数据中心没有提高 IT 入口温度。如果有大量能源可以节省的话，人们通常的想法是，即便该行业存在固有的保守性， 应该仍有大量的数据中心会利用这一节能优势。 通过我们的研究发现，数据中心经理通常有疑问的两个问题制约了数据中心提高 IT 入口温度的 做法： 升高 IT 温度可以节省多少能源? 温度升高是否会影响 IT 设备的可靠性? 回答这两个问题时，从整体看待数据中心至关重要，因为系统动态变化十分复杂部分系统的 能耗降低，而另一些却在增加。以风冷式冷水机组设计为例：当调高 IT 温度设定值时，冷水机 组能耗下降主要由于两个原因：数据中心可在节能冷却模式下运行大半年；同时冷水机组效率提 高。但这并不能反映整体的情况。尽管冷水机组能耗降低，但会出现下列情况： 干冷器（以节能冷却模式而非冷水机组模式运行）能耗增加，因为节能冷却时数增加。 由于风量（CFM）需求随着温度的升高而增加，所以服务器能耗也随之增加（参见侧栏侧栏）。 机房空气处理装置（CRAH）风扇加速运转以支持更高的服务器 CFM 要求，这意味着 CRAH 能耗增加。 如果尚未过度规划以提供额外的气流，则需要更多的 CRAH 来满足服务器风扇更高的 CFM 要求。这意味着需要增加资本支出。 图图 1 说明了这些相反的作用。在本白皮书中，我们通过分析采用风冷式冷水机组制冷架构的数据 中心，来证明当提高 IT 进风温度设定值时，数据中心地理位置和服务器风扇的特性是如何对潜 在的节能（或成本浪费）产生显著影响的。 IT入口温度升高 CRAH energy IT服务器 能耗 CARH 数量(资 本支出) 干冷器 能耗 冷水机 组能耗 CARH 能耗 我们也研究了固定入口温度（采用更高的温度）与允许数据中心温度在确定的范围内浮动（因为 室外温度波动）所产生的影响。最后，我们再来看一种场景，即，将现有数据中心过度规划 （50%）来阐述负载率对这些结果的影响。 提高 IT 温度对能耗的影响可能截然不同，主要取决于制冷架构、气候、IT 风扇转速和 IT 负载率。 在本白皮书中，我们选择了一种架构 1 ，在不同的气候条件下对其进行建模，以此作为示例来验 证数据中心的复杂性，并阐述变更运行之前了解风险与回报的重要性。 1 第 132 号白皮书数据中心制冷系统的节能冷却模式描述了其他制冷架构。 简介 图 1 系统动态变化十分复杂。 需要从整体角度来评估 数据中心 对数据中心的 分析 为什么服务器风扇转 速提高？ 服务器风扇是用于为服务器机 箱内的组件降温的。这些组件 中最重要的是 CPU 芯片，其 温度可高达 90C（194F）。 当 IT入口温度升高时，CPU 的温度也会随之上升。这通常 会触发服务器风扇加速运转增 加气流量，以降低 CPU 的温 度。气流增加必然会增加服务 器的能耗。 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 3 架构分析 对于这项分析，我们选择了我们认为在当今数据中心非常普通的一种制冷架构 带有节能冷 却模式的风冷冷水机组（图图 2）。在节能冷却模式下使用的干冷器是当外部空气条件在规定的设 定范围内时直接冷却数据中心冷冻水的热交换器。水泵将冷冻水输送至干冷器，外部冷空气在干 冷器中对向 CRAH 供应的冷冻水进行冷却。 室内CARH干冷器 风冷冷水机组 该分析中使用的主要假设如下： 1MW 数据中心，负载率 100%。 3 个风冷式冷水机组 2， 采用 N+1 配置，符合 20 年极端温度。 所有冷水机组在正常运行状态下（包括冗余冷水机组）处于部分负载。 冷水机组能够在更高的冷冻水温度下运行（参见边栏边栏）。 用于节能冷却模式的干冷器（不采用蒸发冷却）采用变频驱动器（VFD）。 定速水泵 CRAH 3采用热通道气流遏制，N 冗余配置。 服务器的气流需求与 CRAH 气流供应相匹配（即服务器的 CFM = CRAH 风扇的 CFM） 功率密度：4kW/机架 用于 TCO 计算的资本成本为 3% 电费每千瓦时 0.10 美元 气象数据来自 ASHRAE Weather Data Viewer 5.0 TCO 分析基于 10 年运营成本 我们创建了三种不同的工作温度场景，并对每种场景的能耗和 TCO 进行了比较。 基准基准情况情况：我们假设 IT 入口温度设在固定的 20C（68F），这是当今数据中心典型的工 作温度。 第二种情况第二种情况：温度可以在 15.6-26.7C (60-80F)之间浮动 4。 第三种情况第三种情况：我们假设 IT 入口温度固定为 26.7C (80F)。 2 冷水机组规格采用 BREC Uniflair 冷水机组，因为它们是针对数据中心应用设计的且可以获得相关数据。 3 3 CRAH 规格来自 InRow CW 设备，因为我们可以随时获得这些数据。选择另一种空气处理装置产品（即机 房级或行级）将不会对结果产生实质性的影响。 4 由于存储（磁带/磁盘）产品需要稳定的环境，根据 ASHRAE 热指导准则，对于采用磁带驱动器的数据中心， 温度变化率应保持在 5C /小时，对于采用磁盘驱动器的数据中心，温度变化率应保持在 20C /小时。 图 2 用于分析的风冷冷水机组 架构 冷水机组的工作温度 每个冷水机组都有其能够达到的 最高冷冻水温度。这一最高温度 由冷水机组的类型和设计决定。 例如，在离心式冷水机组 3中， 压缩机必须能够降低速度以产生 较低的制冷剂压力，且不会损坏 电机或将润滑油泄漏到制冷回路 中。取决于冷水机组的类型，其 他冷水机组件可能需要特定功 能，以提高冷冻水温度。建议在 提高您的冷冻水温度设定值之 前，向您的冷水机组供应商咨 询。 请注意，如果您的数据中心中配 有高效冷水机组，且它位于气候 温和区，则通过提高 IT入口温度 使冷水机组节省的能源可能不足 以抵消其他设备（例如 CRAH、 干冷器、冷却塔、IT）的能耗增 加。 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 4 然后，我们分析了美国三座城市的数据中心：芝加哥、西雅图和迈阿密，以说明不同气候对结果 的影响。 分析采用的方法论 我们采用下列方法论分析了整个制冷系统的能源成本和资本成本： 1. 基于热力学原理/公式，采用来自 ASHRAE Weather Data Viewer 5.0 的气象数据计算制 冷系统每隔 1.11C（2F）的能耗。该模型的输入包括 CRAH 盘管效率，IT 设备的平均 温差，IT 风扇、冷水机组、干冷器、水泵和 CRAH 设备的损耗。 2. 20 年极端温度作为最恶劣的室外温度条件用来进行风冷式冷水机组的选型。这种设计是 普遍认可的用于确定冷水机组选型的实践，也是 Uptime Institute 推荐的做法 5。 3. 制冷系统能耗取决于不同的运行模式：完全机械制冷，部分节能冷却模式和完全节能冷却 模式。计算每种运行模式下的小时数 6。 4. IT 进气设定值用于计算冷冻水温度。根据最大允许的 IT 入口温度，冷冻水温度允许在 7.3-25.6C（45-78F）之间波动。 5. 当 IT 入口温度高于 20C（68F）时，增加的服务器能耗被添加到制冷系统总能耗中。采 用图图 7 7 估算 IT 服务器功耗的增加，采用图图 8 8 中的中点估算 IT 服务器气流（CFM）的增加。 6. 浮动温度场景代表了理想（最好）的情况，其中冷水机组和节能冷却控制允许动态设置冷 冻水温度。在大多数数据中心，冷冻水温度整年设定在一个固定温度，这比这个模型项目 更消耗能源。 7. 资本支出根据 1MW 数据中心项目中常见的组件、劳动力和设计价格进行估算。大部分数 据来自 数据中心投资成本计算器。随着 IT 入口温度变化，IT CFM 也会变化，由此导 致的 CRAH 资本支出变化也考虑在内。 结果 首先，我们将基准情况和第二种情况的结果进行比较。基准情况的 IT 温度固定在 20C（68F）， 第二种情况的 IT 温度上下浮动。在这之后，我们将基准情况和第三种情况的结果进行比较。第 三种情况的 IT 温度固定在 26.7C（80F）。 基准基准 vs. 浮动温度浮动温度 基准与浮动温度情况的 TCO 差异显示在图图 3 中中。注意 显示的 TCO 不包括系统的资本成本， 因为在这两种情况下资本成本不变，即冷水机组和干冷器。从这项分析中，我们可以得出如下结 论： 虽然冷水机组的能耗总是改善的（减少），但净能耗却不总是改善的。 更高的 IT 入口温度会造成 IT 设备的气流增加，这会减少 CRAH 的温差。在低温差值下， 需要更多的 CRAH 气流来排出相同的热量。 服务器和 CRAH 能耗增加的程度取决于 IT 设备的特性。这将在下面的章节中进行解释。 对于决定浮动温度 15.6-26.7C (60-80F) 是否会带来成本节省，气候数据是重要的驱动因 素。 5 Uptime 的数据中心物理基础设施的 Tier标准: 拓扑结构，” content/uploads/2012/10/TIERSTANDARD_Topology_120801.pdf 6 在完全节能冷却模式下，室外条件允许关闭所有机械制冷组件（即那些在制冷循环中使用的部件）以节省 能耗，同时仍然有效地冷却规定的负荷。当室外温度限制完全节能冷却模式运行时，制冷装置进入部分节 能冷却运行模式，其中一部分制冷容量由节能冷却模式提供，其余的由机械制冷系统提供。这个比例会发 生变化（随着室外温度的升高机械制冷比例增加），直到需要完全机械制冷。 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 5 固定温度到浮动温度 CRAH energy 芝加哥固定温度$1,186,000$162,000$0$571,000$258,000 能耗减少1%， TCO无变化 芝加哥浮动温度$861,000$241,000$173,000$583,000$320,000 西雅图固定温度$1,196,000$313,000$0$571,000$258,000 能耗减少14%， TCO改进改进6% 西雅图浮动温度$569,000$423,000$175,000$583,000$321,000 迈阿密固定温度$2,420,000$13,000$0$571,000$258,000 能耗增加12%， TCO变差6% 迈阿密浮动温度$2,238,000$54,000$342,000$583,000$386,000 IT服务器 能耗 CARH 数量(资 本支出) 干冷器 能耗 冷水机 组能耗 CARH 能耗 表表 1 中列出了其他结果，包括总能耗（千瓦时）和部分能源使用效率（pPUE）差异 7。虽然所 虽然所 有情况下有情况下 PUE 都有所改善，但能耗并不总是有都有所改善，但能耗并不总是有所所改善。改善。这指出了这指出了仅使用仅使用PUE 来决定运营决策的来决定运营决策的 局限性。局限性。 芝加哥 西雅图 迈阿密 总能耗 (kWh) 节省 1% 节省 14% 增加 12% pPUE (仅制冷系统) 从 1.203 降低 至 1.179 从 1.222 降低 至 1.167 从 1.327 降低 至 1.314 具有最低 TCO 的浮动 温度范围 15.6 - 23C (60 - 74F) 15.6 - 26.7C (60 - 80F) 15.6 - 21C (60 - 70F) 我们也强调了三个城市获得最低 TCO 的最高浮动温度。如数据所示，不同城市之间的数据中心 这个最佳温度有所变化。图图 4 显示当改变最大浮动温度时 TCO（$）变化的图表。在所有情况下， 假设最低浮动温度为 15.6C（60F）。 $3,500,000 $4,000,000 $4,500,000 $5,000,000 $5,500,000 $6,000,000 $6,500,000 60687072747678808284868890 TCO (US$) 最大浮动温度最大浮动温度(F) 迈阿密西雅图芝加哥 7在这项分析中，pPUE 仅代表制冷系统的损耗。 图 4 基准固定温度 (68F)与浮 动温度 15.6- 26.7C (60-80F) 在 100%负载 条件下的结果汇总 基准 表 1 基准固定温度 20C (68F) 与浮动温度 15.6- 26.7C (60-80F) 在 100%负载情 况下的结果汇总 图 3 基准固定温度 20C (68F)与浮动温度 15.6- 26.7C (60-80F) 在全负载情况下的结果汇总 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 6 这个图说明了气候气候数据如何对结果产生重大影响。数据如何对结果产生重大影响。在西雅图，制冷架构的最佳温度在 27C （80F），而在芝加哥，同样制冷架构的最佳最高温度是 23C（74F），在迈阿密，则只有 21C（70F）。这些结果可能令很多人感到惊讶，这是因为服务器和 CRAH 能耗的增加抵消甚 至超过了冷水机组在高于这些温度下运行所带来的节省。在迈阿密，节能冷却时间受到天气的限 制，所以冷水机组节省的能量无法抵消能耗的增长，即使在 22C（72F）的情况下。图图 5 显示 了三个城市的气候数据，表明从一个地方到另一个地方温度分布如何显著变化。不同气候温度下 的小时数决定了当升高温度设定值时可以获得多少节能冷却时间。 基准基准 vs. 更高更高的的固定温度固定温度 当运营人员考虑提高数据中心的温度时，人们通常会认为是将温度升高到新的固定设定值。管理 人员很少通过设置控制系统来处理浮动条件，正如本白皮书的分析所表明的那样。所以，问题是， 如果数据中心的温度升高到固定的 27C (80F) 会对能耗、TCO 和可靠性（X 因子）有什么影响 呢？ 服务器风扇的功耗将总是比基准场景的更大，因为更高的固定 IT 入口温度迫使 IT 风扇在全年以 更快的速度旋转。图图 6 比较了较高的固定温度与基准固定温度的情况。结果是： 服务器的能耗甚至高于浮动温度场景下的能耗，因为服务器的风扇全年都在更高的温度下 运行。 对于确定是否选择更高的工作温度，气候天气数据是一个重要的驱动因素。 相比允许温度上下浮动，采用较高的固定温度结果总是更差，因为当温度固定时，服务器 和 CRAH 的能耗没有一天能够降低一些。 相对于浮动温度场景而言，固定温度对节能冷却小时数、冷水机组和干冷器的功耗没有影 响。 图 5 3 个地方的气候数据变 化：芝加哥、西雅图和 迈阿密 (纵轴表示小时 数) 迈阿密 西雅图 迈阿密 温度分布 芝加哥 西雅图 迈阿密 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 7 表表 2 总结了其他结果包括总能耗(kWh)和 pPUE。这再一次说明：（1）当提高 IT 温度时，能耗 并不总是有所改善；（2）PUE 作为衡量标准是不足够的。 芝加哥 西雅图 迈阿密 总能耗 (kWh) 增加 13% 节省 2% 增加 12% pPUE (仅制冷系统) 从 1.203 降低 至 1.183 从 1.222 降低 至 1.171 从 1.327 降低 至 1.314 当服务器温度上升时，气流（CFM）要求和风扇功耗会增加。第 138 号白皮书，服务器入口 温度增加对能耗的影响提供了一项研究结果，这项研究在实验室环境中对各种型号的服务器进 行了能耗测量。图图 7 中的图表是这些测量的复合曲线。我们的分析使用该曲线作为随温度升高时 假设的功耗上升。 根据 ASHRAE 公布的数据，CFM 的增加是温度的函数，如图图 8 所示。我们的分析使用了平均值 （图中红色虚线），但如图所示，当达到较高的温度时，不同服务器之间有一个相当大的差异。 服务器风扇功耗 和 CFM 的影响 图 7 复合服务器功率与入口 温度的关系，如第 138 号白皮书所示。 表 2 基准固定温度 20C (68F) 与更高的固定温度 27C (80F)在 100%负载条件 下的结果汇总 图 6 基准固定温度 20C (68F) 与更高的固定温度 27C (80F) 在 100%负载条件下的结果汇总 复合服务器功耗 入口温度 瓦特 CRAH energy 芝加哥固定温度20C$1,186,000$162,000$0$571,000$258,000能耗增加13% TCO变差5% 芝加哥浮动温度27C$861,000$241,000$345,000$583,000$388,000 西雅图固定温度20C$1,196,000$313,000$0$571,000$258,000能耗减少2%， TCO改进1% 西雅图浮动温度27C$569,000$423,000$345,000$583,000$388,000 迈阿密固定温度20C$2,420,000$13,000$0$571,000$258,000能耗增加12%， TCO变差6% 迈阿密浮动温度27C$2,238,000$54,000$345,000$583,000$388,000 IT服务器 能耗 CARH 数量(资 本支出) 干冷器 能耗 冷水机 组能耗 CARH 能耗能耗 从固定温度从固定温度20C 到固定温度到固定温度27C 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 8 如果服务器 CFM 要求没有随着温度的升高而增加（意思是如果曲线是平的），则这项分析的结 果会有很大的不同。在更高温度下 IT 设备的行为抵消了冷水机组节省的能耗，因此这将是一个 复杂的分析。平坦的曲线意味着更高的温度结果总是更好的，因为您通过节能获得了成本节省， 且 CRAH 和服务器端没有增加的能源损耗。 为了说明 CFM 曲线对整体结果的影响，我们进行了敏感性分析（表表 3），其中冷冻水流量恒定， CFM 随着温度从平坦（即不升高）升高到最高（蓝色区域的顶部曲线，如图图 8 所示）而增加。 随着曲线更陡峭，会出现以下情况： 服务器风扇功耗变得更大，因为功耗与轴转速的立方成正比。 CRAH 的数量需要增加，因为需要更多的气流。 CRAH 能耗增加，因为需要更多的气流。 节能冷却时间减少，因为需要更冷的冷冻水来弥补 CRAH 温差的减少以及 CRAH 盘管有 效性的降低。 芝加哥 西雅图 迈阿密 没有增加 节省 23% 节省 36% 节省 13% 小幅增加 节省 12% 节省 26% 增加 1% 适当增加 节省 1% 节省 14% 增加 12% 大幅增加 增加 16% 增加 10% 增加 26% 图 8 服务器气流要求与工作温 度的函数关系 表 3 在全负载条件下，从基准 固定温度 20C (68F)到浮 动温度 15.6- 26.7C (60-80F)下 CFM 变化曲 线对总能耗 (kWh) 的影响 模型中假设 的 CFM 曲线 服务器气流量增加 环境温度 来源：ASHARE 2011年热指导原则，图4 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 9 在所有三个城市中，对于设定更高的（浮动）温度，IT 设备行为是影响整体能耗的关键驱动力。 这说明了在进行运行变更之前了解您的 IT 设备行为和从整体上对数据中心进行分析的重要性。 到目前为止，分析主要集中在最佳温度带来的能耗和 TCO 方面的节省，但可靠性是选择运行温 度时必须考虑的另一个因素。X 因子 8是 ASHRAE TC9.9 委员会发布的一个指标，是指在给定干 球温度下的故障率与 20C（68F）时的故障率之比。请参见图图 9。 这些数据说明，相对于服务器在 20C（68F）下的故障率，随着温度的升高故障率将会增加。 因此，如果服务器遵循图图 7 的曲线，那么简单地增加固定温度的设定值将总是会降低服务器的可 靠性。 上下浮动温度将是维持可靠性的唯一方法。举个例子，假设我的数据中心在半年时间内在 61F 下运行（X 因子= 0.8），在另外半年时间内在 75F 下运行（X 因子=1.2），则我的平均 X 因子 将等于 1。换句话说，我的整体故障率没有受到影响。 图图 10 显示了在分析的每个城市中，最大浮动温度对 X 因子的影响。这些数据显示，在芝加哥， IT 环境温度向上浮动到 23.3C（74F）可以节约成本，且不会降低可靠性，超过这个温度，相 对于基准而言故障率会增加。对于西雅图，这个温度是 21.1C（70F），而迈阿密则是 20C （68F）。这很大程度上受气候数据驱动。如果有很多较冷的温度时间（如芝加哥），则其可以 抵消温度升高的时间，但在更热带的环境中（如迈阿密），对于高于 20C（68F）的温度来说， 并没有很多较冷的时间来抵消这些高温度时间。 0.6 0.8 1 1.2 1.4 15.5C (60F) 20C (68F) 21.1C (70F) 22.2C (72F) 23.3C (74F) 24.4C (76F) 25.5C (78F) 26.7C (80F) 27.8C (82F) 28.9C (84F) 30C (86F) 31.1C (88F) 32.2C (90F) X-factor Max floating temperature ChicagoSeattleMiami 将基准场景与较高的固定温度 27C（80F）场景进行比较时，故障率增加了故障率增加了 31%。这与地理位 置无关，因为现在 IT 设备全年都在相同的较高温度下运行。 8 /documents/ASHRAE%20Networking%20Thermal%20Guidelines.pdf 对可靠性的影响 图 9 ASHRAE 的 X 因子与 IT入口 温度的函数关系 图 10 在芝加哥、西雅图、迈阿 密，X 因子与浮动温度的函 数关系 X 因子重要吗？ 由于下列原因，数据中心运营人 员可能会质疑 X 因子变化的重要 性： 从供应商处获得实际的故障率 数据很困难，因为它一般是不 对外公布的。在很小故障率 下，X 因子增加 30%运营人员 可能不会关心。 故障率随时间而变化（即更长 的刷新周期会有更高的故障 率）。 服务器以外的设备（如存储设 备）可能有不同的故障率。 可靠性 X 因子 入口温度 迈阿密 西雅图 芝加哥 最大浮动温度最大浮动温度 X 因子因子 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 10 另一个常见的讨论就是关于提高 IT 温度对应用过程中可靠性的影响，如果停电会发生什么情况。 如果数据中心初始温度更高，在 IT 设备过热宕机之前，如果制冷系统宕机，不间断运行时间会 减少 9。 不幸的是，今天似乎缺乏有关可靠性含义的量化数据，虽然这些相对指标是有用的，但它们并不 完整。 以上分析是基于特定架构和特定假设。下面的章节中解决了两个关键的变化，因为它们是当今数 据中心中常见的问题：过度规划 CRAH 和负载率低的数据中心。 如果 CRAH 过度规划会怎样？ 在上述分析中，我们假设 CRAH 气流（CFM）与 IT 服务器的气流要求是完美匹配的，从资本支 出的角度来看，这是一种最佳情况。但是，这在实际中几乎从来不会发生，因为总会有一些冷气 流绕过 IT 设备的进风口。在一个实际的数据中心中，安装的 CRAH 气流量总是大于 IT 设备的需 求量，这是为了确保所有 IT 设备都能获得适量的冷气流。有些 CRAH 的过度规划可能是故意的， 是为了安全余量或冗余考虑。有些则是偶然的，因为负载难以预测或由于虚拟化而减小了负载。 Uptime 评估 10发现，CRAH 比 IT 设备需要的容量平均大 2.6 倍。这显然增加了资本支出，但实 际上与理想的“完美匹配”情况相比，这却减少了能耗。 这是因为风扇定律（有时称为立方损耗），即风扇功率与风扇轴转速的立方成正比。当 CRAH 气流过大时，变速风扇以较低的 CFM（即较低的速度）运行，因此能耗减少。我们让 IT 入口温 度浮动到 27C (80F)，将 CRAH 气流增加 25%、50%、75%和 100%，以此分析 10 年期的制 冷能耗。 图图 11 显示，虽然过度规划 CRAH 后，所有 3 个城市的数据中心的能耗都减少了，但迈阿密数据 中心的能耗减少得最多（陡峭的坡度）。这是因为迈阿密的数据中心在较低温度下运行的时间有 限，在较低温度下运行时风扇可以降低它们的转速。因此，几乎所有气候小时都可以通过过度规 划 CRAH 装置来减少风扇能耗。请注意，过度规划 CRAH 会导致资本支出增加，通常会超过 10 年的制冷节省的成本。一些过度规划的 CRAH 有助于防止 IT 设备前面出现热点，这种做法必须 采取适当的气流管理实践进行平衡。 $1,000,000 $1,500,000 $2,000,000 $2,500,000 $3,000,000 No oversizing25%50%75%100% (US$) CRAH Oversizing 10 Year Energy (kWhrs) ChicagoSeattleMiami 如果数据中心负载率只有 50%又会怎样？ 这是一个很好的问题，因为大多数数据中心的容量（千瓦）是基于不确定的未来负载进行设计的， 导致系统在实际中未能得到充分利用。大部分数据中心的负载率在 30%到 60%之间。 9 参见第 179 号白皮书，数据中心在制冷系统中断期间的温升。 10 d03fafbdaa0016-00000web4.pdf 可能的场景 图 11 CRAH 过大对 10 年能耗 成本的影响，浮动温度 15.6-26.7C (60 -80F) 迈阿密 西雅图 芝加哥 1010 年能耗（年能耗（kWhkWh） CARH 过度规划过度规划 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 11 我们进行了与上述相同的分析，但是采用 1MW 数据中心，负载率 50%（500 千瓦），另外还设 计了 25%的额外 CRAH 容量。结果显示在表表 4（基准 vs. 浮动温度）和表表 5（基准 vs. 较高的固 定温度）中。 当我们在负载率 50%的数据中心浮动温度时，能源节省（占固定基准温度下的能耗百分比的） 得到改善。大部分额外的节省是来自制冷能耗的减少，这是节能冷却时间增加的结果。这是因为 干冷器在 50%负载下，在一年中能够较早的实现冷冻水温度（较小的趋近温度）。 重要的是要记住，只有数据中心的温度可以浮动，才能获得这些节省。但在实际中，这几乎从来 没有实现过，因为管理人员没有设置控制系统使其能够动态/自动调整温度。表表 5 显示当将 IT 空 间温度升高到固定温度 27C（80F）时，50%负载率数据中心的能耗结果。相比基准固定温度， 所有三个分析城市的数据中心的能源损耗都增加了。另外，这也意味着 X 因子增加，因为 IT 设 备运行在一个恒定的较高温度下。如前所述，这可能是一个可靠性问题。在所有场景中，PUE 增加，这就意味着以此作为唯一指标来指导决策制定具有局限性。 芝加哥 西雅图 迈阿密 总能耗 (kWh) 节省 13% 节省 11% 节省 1% pPUE (仅制冷系统) 从 1.185 降低 至 1.150 从 1.183 降低 至 1.158 从 1.320 降低 至 1.273 具有最低 TCO 的温度 27C (80F) 27C (80F) 21C (70F) X 因子 从 1 降低至 0.94 从 1 降低至 0.87 从 1 增加至 1.27 芝加哥 西雅图 迈阿密 总能耗 (kWh) 增加 5% 增加 10% 增加 1% pPUE (仅制冷系统) 从 1.185 降低 至 1.148 从 1.183 降低 至 1.156 从 1.320 降低 至 1.272 X 因子 从 1 增加至 1.309 从 1 增加至 1.309 从 1 增加至 1.309 在这些表中显示了几个因素的改善/损耗百分比。50%负载率的数据中心拥有过度规划的干冷器， 能够使我们获得更多的节能冷却小时数，这意味着冷水机组运行时间更少。这不仅影响干冷器和 冷水机组的能耗，还会影响（在浮动情况下）IT 能耗。这些变化因地而异（特定气候数据），并 且随着这些变化动态变化，总能耗的主要驱动力也会改变。 出于这个原因，您可能会发现这篇文章中的结果似乎与直觉相反。请记住，所显示的所有结果都 是相对的，是基于特定地理位置和负载与基准进行比较得到的相对节省/损耗的结果。 本白皮书的分析表明，影响成本节省（或浪费）的因素很多，提高温度并不总是一件好事。数据 中心在制定温度变化决策之前，必须切实了解设计条件、系统属性、负载等等，这是非常重要的。 我们建议在提高数据中心温度之前做到以下事情： 在尝试提高 IT 入口温度之前，气流管理措施如气流遏制系统和盲板必须安装到位。这可以 避免热点的产生。欲了解更多有关这些措施实施的信息，请参阅第 153 号白皮书, 在已 有数据中心部署冷热气流遏制系统。 建议 表 4 基本固定温度 20C (68F) 与浮动温度 15.6- 26.7C (60-80F)在 50%负载率条 件下的结果汇总 表 5 基本固定温度 20C (68F) 与更高的固定温度 27C (80F)在 50%负载率条件 下的结果汇总 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 12 当提高温度时，确保了解 IT 设备的特性（功耗和 CFM 要求）。向您的 IT 供应商询问这些 信息。 考虑是否可以调整 IT 设备的 BIOS 设置以优化其在较高温度下的性能。这需要设施和 IT 部 门之间进行更高水平的协作。 X 因子预测故障率相对增加，与您的 IT 供应商一起确定实际的故障率是否需要引起足够的 重视。 由于数据中心不是完全由服务器组成的，因此请确保了解对其他设备如存储和网络设备的 可靠性影响。 确保您的制冷架构可以在更高的温度下运行（一些冷水机组不能在较高的冷冻水温度下运 行）。 确保在制定成长计划时了解提高 IT 入口温度带来的潜在的不利能耗影响。换句话说，负载 率 50%可能节省成本，负载率 80%可能就会增加成本。 采用模型比较通过提高温度与其他优化策略可以节省多少能量。一些公司如 Romonet 11采 用软件来帮助分析特定数据中心的系统动态。这是很关键的，因为每一个数据中心的行为 都会有所不同。 当评估更改时，请务必将总能耗视为一个衡量指标，仅使用 PUE 可能会引起误解。 11 提高数据中心温度所带来的意外影响 耐德电气 数据中心科研中心 版本 1 13 数据中心运营人员正在为是否提高其 IT 区域的温度而苦苦挣扎。