2022年云数据中心节能技术研究

1、云数据中心节能技术研究目录1. 数据中心用能现状及问题2.数据中心排热过程分析3. 数据中心能效评价指标及节能途径4. 数据中心节能技术应用案例5. 结论与展望1.1 数据中心数据中心用能现状及问题数据中心是一类特殊建筑，用来集中放置和管理各类IT设备（如服务器、交换机、高性能计算机、工作站等）及其配套设施（电源、照明、空调等），以实现对大量数据的存储、运算、通信、网络服务等功能，为不同需求的用户提供实时高效的信息处理服务。数据中心结构和功能示意图数据中心内部服务器机架1.1 数据中心数据中心用能现状及问题不同类型的数据中心由造纸厂改造的芬兰谷歌数据中心俄勒冈州谷歌数据中心冷却塔水蒸汽布法罗地

2、区Yahoo数据中心呼和浩特中国移动数据中心1.2 数据中心能耗现状数据中心用能现状及问题世界数据中心耗电量分析1我国数据中心耗电量分析1 数据中心能耗高：单位面积发热密度高，全年连续运行预计到2020年，全球信息技术相关的碳排放量将达到15.4亿吨2 ，占全球总碳排放量5%，已经成为温室气体排放的重大来源之一。2015年我国数据中心耗电量逼近1000亿度3。 数据来源: 1 ICTresearch；2 信息产业如何减少碳排放； 3 中国数据中心能效研究报告1.3 数据中心的建设及扩张趋势数据中心用能现状及问题发展趋势数据机房投资年增长率25%耗电量年增长率10%15%服务器功率增长，散热密度

3、急剧增加11 ASHRAE TC 9.9. 数据处理环境热指南. 杨国荣, 陈巍, 王振华, 译. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.1.4 数据中心能耗结构数据中心用能现状及问题能耗构成主要能耗：信息设备、空调系统其他能耗：电源系统、照明等辅助设备能耗高信息设备（43%） 空调系统（47%）、 供电系统（8%）辅助设备所占比例过高1.5 数据中心能效指标数据中心用能现状及问题PUE=数据中心年总耗电量/信息设备年耗电量北京市数据中心机房PUE情况PUE1.52.02.02.52.53.03.0合计机房数（座）7165937比例18.92%43.24%13.51%24.32%10

4、0%国内 大部分数据机房PUE2.0 有少量PUE在1.70附近的大型数据机房国外 欧美国家相当数量的机房PUE2.0 先进的机房PUE1.70 Google的机房(类型特殊)PUE T时，可以用室外冷源排热当芯片温度室外冷源温度 T时，需要运行制冷机，提供不足的T，以满足排热要求T 越小，可以利用自然冷源的时间越长；在必须启动冷机时，要求冷机提供的T 也越小，从而冷机功耗小怎样减少T？或者是怎样降低排热系统的等效热阻R？是充分用好自然冷源的关键2.2 数据中心热量采集过程数据中心排热过程分析典型架空地板送风方式冷通道温度分布热通道温度分布机柜局部温度分布2.2 数据中心热量采集过程数据中心排

5、热过程分析传统数据中心散热形式运行时间长（全年不间断供冷）送风参数相对稳定高显热潜热比（显热负荷与潜热负荷之比通常大于0.95）大风量，小焓差模式耗电量大气流组织复杂传统集中式送回风方式存在的弊端2.3 冷源过程数据中心排热过程分析选择合适的冷源形式风冷：干球温度 蒸发冷却：湿球温度 间接蒸发冷却：露点温度风冷（冷源为室外干球温度）蒸发式冷却（冷源接近室外湿球温度）间接蒸发式冷却（冷源接近室外露点温度）目录1. 数据中心用能现状及问题2.数据中心排热过程分析3. 数据中心能效评价指标及节能途径4. 数据中心节能技术应用案例5. 结论与展望3.1 数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途

6、径气候类型、制冷形式影响数据中心制冷系统能耗IT负荷率、规模、安全等级影响数据中心整体能耗各影响因素带来的数据中心能效差异如何评价？3.1 数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径GB 50178-1993建筑气候区划标准 能效如何比较？规模不同安全等级不同气候类型不同制冷形式不同解决方案将各因素对PUE的影响进行精细化考量分析不同条件给各个分系统带来的PUE变化将条件变化对各分系统的影响叠加后，作用于整体的基准PUE3.1 数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径1寒冷地区、空气冷却式、安全等级B、负荷率100%、中等规模数据中心设定评价基准：PUE=22单一系统因不同条

7、件引起的PUE差值累加例：将气候条件、安全等级、负荷率等的变化对制冷系统、UPS等能耗的影响分别进行计算3不同系统PUE差值累加例：将制冷系统、UPS、照明等的PUE变化差值进行累加，并作用于基准PUE值4条件变化后的PUE评价指标例：严寒地区、空气冷却式、安全等级A、负荷率25%、小规模数据中心3.1 数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径100%25%50%75%负荷率负荷率直接影响IT设备能耗，制冷负荷的改变又会影响压缩机及输配系统能耗3.1 数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径安全等级B级C级A级安全等级涉及冗余设施的配备，对安防设备等的要求3.1 数据中心能

8、效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径不同地区数据中心空调系统全年能效比AEER3.1 数据中心能效评价指标数据中心能效评价指标及节能途径25数据中心能效综合评价指标修正值单一条件变化的能耗要求修正量压缩机加湿新风IT设备UPS供电照明其他辅助用房安全等级A000.02000.140000.02000.180B0000000000C0-0.020-0.0600-0.023-0.0040-0.0100-0.117气候条件（水冷）严寒-0.145000000-0.145寒冷-0.124000000-0.124夏热冬冷-0.058000000-0.058夏热冬暖0.0180000000.018温和

9、-0.069000000-0.069气候条件（风冷）严寒-0.018000000-0.018寒冷00000000夏热冬冷0.0240000000.024夏热冬暖0.0510000000.051温和0.0120000000.012负荷率2500.1200.24000.3180.0360.0600.0600.1300.9645000.0400.08000.1090.0200.0200.0200.0500.3397500.0130.02700.0010.0070.0070.0070.0230.0841000000000000其他0000000000根据安全等级、气候条件以及负荷率对PUE指标进行修正

10、。修正值查表算例：严寒地区A等级水冷式75%负荷数据中心3.2 分离式热管数据中心能效评价指标及节能途径 热管技术 热管技术是利用工质相变可实现远距离传热、装置适应性和密封性好等诸多优点 数据机房热管排热系统基于分离式热管的数据机房自然冷源利用设备通过室内外的自然温差实现循环排热传热能力强、能耗低、可靠性高、环境适应性强3.2 分离式热管数据中心能效评价指标及节能途径列间热管 参数： 风机N+1配置。 即插式风机，便于维护。 列间热管安装于机架旁，占用机房空间（300mm）。 风机具有调速功能。 采用高温冷冻水（12以上），无凝结水。 制冷冷媒为R22、R134a、R407c。3.2 分离式热

11、管数据中心能效评价指标及节能途径顶置式热管参数： 吊顶式热管安装于机房的冷通道上方， 不占用地面空间。 风机具有调速功能。 采用高温冷冻水（12以上），无凝结水。 制冷冷媒为R22、R134a、R407c。3.3 机柜级冷却数据中心能效评价指标及节能途径以机柜为单位进行冷却：换热器安装在机柜内，就近带走热量避免局部热点，增强散热能力可实现冷量按需分配换热器安装位置灵活：侧背板机柜前后双背板机柜后背板机柜工质选择：水（存在安全隐患）氟利昂3.3 机柜级冷却数据中心能效评价指标及节能途径理论方法运用热管分布式冷却方法定量描述了系统各环节耗散成功解决了掺混和发热不均匀的问题3.3 机柜级冷却数据中心

12、能效评价指标及节能途径运行原理示意图产品外观图供冷量：315kW优点 不占用机房原地面空间 机房按需供冷，机房无局部热点 风机功耗小 提供100kW冷量，风机功率2kW 100kW精密空调的室内风机功率为67kW3.4 芯片级冷却数据中心能效评价指标及节能途径 热管接入服务器带走cpu所占的60%的热量。 其余40%热量由机柜前后两个背板换热器散出。 无水，无泵，维护方便，造价与能效比水冷的方案更优。换热器双级回路热管系统3.4 芯片级冷却数据中心能效评价指标及节能途径双级回路热管系统3.5 自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径直接自然冷源利用优点：直接利用自然冷源，结构简单缺点：灰尘、

13、湿度、滤网维护、空气中微量硫氧化物对IT原件腐蚀直接通风带来对IT元件的腐蚀（微量SO2腐蚀）3.5 自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径间接自然冷源利用优点：通过换热器换热，避免了直接引入室外空气而给室内环境带来的影响 缺点：风阻大，风机能耗过高体积相对较大，与室外联系过多换热器容易堵塞，需经常更换过滤网，增加了机房的维护量 3.5 自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径自然冷源与蒸气压缩循环结合系统运行模式示意图优势：1. 风机数量无需增加，模式切换无需阀门2. 两循环相对独立，杜绝润滑油掺混3. 管路简洁，加工方便4. 过渡季两循环共同运行两循环并联，三种运行模式：分离式热管模

14、式蒸汽压缩制冷模式双循环模式3.5 自然冷源利用数据中心能效评价指标及节能途径自然冷源与蒸气压缩循环结合系统性能年运行时长计算结果北京地区数据中心传统与复合型制冷系统能耗指标CLF全年对比图（黑：传统蒸汽压缩制冷空调 红：复合空调）3.6 分布式系统数据中心能效评价指标及节能途径分布式冷却系统： 减小温差损失，提高冷源温度分离式热管将机架和冷水直接连接，温差损失小，冷源温度高 均匀分配冷量，消除局部热点热量传递和冷量输配由空气改为热管（输配能耗小）通过支管将制冷剂“按需分配”给末端换热器避免大风量送风不均匀，消除局部热点温湿度独立控制热负荷：利用工质相变带走服务器散发的热量湿负荷：实时监测机房

15、环境湿度，根据机房要求判断加湿或除湿3.6 分布式系统数据中心能效评价指标及节能途径温度控制采用分离式热管解决机房显热排放问题，将蒸发端直接安装在机柜内部，就近排走机柜发热量，通过流量调节，可达到按需分配，适应机房发热不均一的特点。系统特点热管排热能力高，可适用于高发热密度机柜；提高送风温度，保证机房不发生结露现象；减少甚至杜绝气流掺混现象，缩短机房排热流程；可有效利用自然冷源，降低机房能耗。3.6 分布式系统数据中心能效评价指标及节能途径多级式：采用多级热管，可进一步提高冷源温度串联式大温差冷水系统：夏季冷机冬季自然冷源过渡季联动3.6 分布式系统数据中心能效评价指标及节能途径湿度控制机房湿

16、度传感器恒温恒湿机控制模块低于要求湿度加湿高于要求湿度除湿达到湿度要求达到湿度要求停止停止加湿方法：湿膜绝热加湿除湿方法：冷凝除湿目录1. 数据中心用能现状及问题2.数据中心排热过程分析3. 数据中心能效评价指标及节能途径4. 数据中心节能技术应用案例5. 结论与展望目录1. 数据中心用能现状及问题2.数据中心排热过程分析3. 数据中心能效评价指标及节能途径4. 数据中心节能技术应用案例5. 结论与展望5.1 结论结论与展望数据中心的冷却系统存在巨大的节能空间节能的核心是减少传热温差，利用自然冷源尽可能避免各种不同温度的气流掺混对机柜或服务器冷却，而不是对机房进行冷却采用温湿度独立控制技术合理选择自然冷源，并充分利