分析數(shù)據(jù)中心機房PUE值偏高問題及解決方案

1、分析數(shù)據(jù)中心機房PUE值偏高問題及解決方案一、冷卻成為數(shù)據(jù)中心最有價值計劃隨著電子信息系統(tǒng)機房IT設(shè)備高度的集成化，其能源效率偏差以及機房散 熱量日漸趨高的現(xiàn)象開始受到了各界強烈關(guān)注。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，我國高端服務(wù)器集中的通信行業(yè)耗電在2007年就已達到 200億度以上，信息產(chǎn)業(yè)儼然已經(jīng)成為一個高能耗行業(yè)。而服務(wù)器又是現(xiàn)在數(shù)據(jù) 中心機房的核心，并且24小時運行。以我國服務(wù)器保有量為200萬臺，按每臺 服務(wù)器平均功耗400瓦，每年的耗電總量約為80億千瓦時。根據(jù)中國電信節(jié)能技術(shù)藍皮書所載，一般機房內(nèi)芯片級主設(shè)備1W的功耗 會導(dǎo)致總體耗電量達到2.68-2.84W，而其中機房空調(diào)冷卻系統(tǒng)的耗電量約占

2、機 房總能耗的40%。由綠色網(wǎng)格組織(Green Grid)所提出的電力效率指標PUE數(shù) 值(Power Usage Effectiveness)是通過計算機房的總能耗與所有IT主設(shè)備 能耗的比值而得出的。故可估算上述機房的PUE值至少為2.68-2.84。由此推算， 我國數(shù)據(jù)中心機房消耗到空調(diào)冷卻系統(tǒng)的能量至少為84億千瓦時。這也就意味 著為服務(wù)器提供冷卻的機房空調(diào)系統(tǒng)能耗大約能達到我國空調(diào)設(shè)備每年總能耗 1/4！據(jù)稱：Google公司的數(shù)據(jù)中心PUE年平均值可以達到1.21，中國Hp的新一 代數(shù)據(jù)中心體驗中心機房夏季PUE值可以達到1.6-1.7。這一指標如何實現(xiàn)？據(jù)美國電力轉(zhuǎn)換公司APC

3、最近的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)中心的冷卻成本大約占 總能源賬單的50%。而國際組織Uptime Institute指出，由于數(shù)據(jù)中心機房內(nèi) 氣流不適當，用于冷卻的冷空氣有60%都浪費了；數(shù)據(jù)中心的過度冷卻 (overcooling)差不多達到實際需求的2倍，目前多數(shù)機房存在過度冷卻問題， 相應(yīng)的機房空調(diào)機組耗能也比設(shè)計工況增加耗電50%以上，最終造成機房居高不 下的高額運行費用。故此優(yōu)化數(shù)據(jù)中心冷卻是排在第一位的最有價值的綠色計劃！二、數(shù)據(jù)中心高效節(jié)能冷卻解決方案由于現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)機房中的空調(diào)負荷主要來自于計算機主機設(shè)備、外部 輔助設(shè)備的發(fā)熱量，其大約占到機房空調(diào)總負荷的8097%；而在服務(wù)器、存

4、儲、 網(wǎng)絡(luò)等主設(shè)備中服務(wù)器的份額又大約占到設(shè)備散熱量的80%。所以隨著服務(wù)器集 成密度的持續(xù)增高，服務(wù)器機柜設(shè)備區(qū)就成為了機房內(nèi)主要的熱島區(qū)域。從機房 基礎(chǔ)架構(gòu)而言，國家標準電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范GB 50174-2008規(guī)定： “當機柜或機架高度大于1.8m、設(shè)備熱密度大、設(shè)備發(fā)熱量大的電子信息系統(tǒng) 機房宜采用下送風空調(diào)系統(tǒng)?！倍滤惋L空調(diào)系統(tǒng)是將抗靜電活動地板下空間作 為空調(diào)系統(tǒng)的送風靜壓箱，空調(diào)機組由通風地板向機柜、設(shè)備等熱負荷送風?？?是機房內(nèi)空調(diào)冷卻系統(tǒng)的送風按照流體力學伯努利原理所陳述的氣流特性 “風速大的壓力小”表明，受此特性制約的空氣流會呈現(xiàn)靠近空調(diào)機組的通風地 板出風量較小

5、；又由于機房空調(diào)系統(tǒng)的靠近空調(diào)機組的前部通風地板已然輸送出 了一定的風量，后部的通風地板的送風量即會顯現(xiàn)有所減少；而到了地板末端又 相反；又因為現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心機房面積為了規(guī)模效應(yīng)而愈建越大，一般安置的機房 空調(diào)機組的方式是長距離的氣流對吹，由此會出現(xiàn)在抗靜電地板下產(chǎn)生風壓相 抵、通風地板送風量減小的現(xiàn)象。從以上分析可見將抗靜電活動地板作為空調(diào)系統(tǒng)送風靜壓箱進行設(shè)計時，其 參數(shù)選定的誤差可能會很大，這必將導(dǎo)致機房投入運行時主設(shè)備運行的安全性、 可靠性及機房整體能耗表現(xiàn)得差強人意?，F(xiàn)代機房在設(shè)計空調(diào)冷卻系統(tǒng)的送風氣流時一般是參照設(shè)備發(fā)熱量、機柜前 后溫差，以及地板高度和地板下有效斷面積等因素，再按照

6、空調(diào)機組送氣量的 30-40%來計算通風地板開口面積；并且規(guī)定用于機柜冷卻的送風口必須能夠提供 大于機柜冷卻所需的風量。理想狀態(tài)下機房內(nèi)活動地板下的送風風壓按照送風靜 壓箱的設(shè)計模式姑且認定均勻風壓為20Pa左右；機房通風地板送風風速按照國 家標準要求取值3m/s；在實際應(yīng)用中選用通風率（通風量）高達25%的通風地板， 則當處于理想流體狀態(tài)下的單個通風地板理論上可以供應(yīng)的最大送風量約為 500立方英尺/分鐘（849.45m3/h）或是其能提供約3.125kw的制冷量。而現(xiàn)實 運行中的機房通風地板最好的送風風速也就是1.5m/s ；這就嚴重影響了空調(diào)系 統(tǒng)的冷卻效果，使機房空調(diào)、以致整個機房的能

7、效偏低。由于現(xiàn)在機房服務(wù)器類負荷的最高散熱量近年來已攀升至每機柜20KW以 上；而原有地板下送風機房精密空調(diào)系統(tǒng)理想送風狀況下的機房單位面積最大供 冷量為4KW/（更大供冷量所配置的空調(diào)機組送風量也相應(yīng)增大，其送風風壓 足以把地板給吹起來），已無法滿足其需求；并直接制約著高集成度IT設(shè)備在 電子信息系統(tǒng)機房行業(yè)內(nèi)的推廣應(yīng)用。另外，現(xiàn)在IT行業(yè)服務(wù)器應(yīng)用中普遍存在利用率低下的現(xiàn)象，從而引致現(xiàn) 有的數(shù)據(jù)中心機房諸多能效問題。故IT行業(yè)多是采用虛擬化技術(shù)來整合服務(wù)器 和存儲設(shè)備，以圖機房PUE值得以降低。但是如果IT部門對其服務(wù)器和存儲進 行了虛擬化，將IT電力消耗減少了以后，事實上很可能會產(chǎn)生更加

8、不利的電力 使用效率。譬如將機房內(nèi)部分服務(wù)器進行了虛擬化應(yīng)用，雖然能夠降低IT設(shè)備 電力消耗大約20%，但如果不改變機房現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)和使用面積，就無法避免機 房出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，也就無從降低機房空調(diào)系統(tǒng)能耗。這會使得PUE值反而升高。 所以IT業(yè)界進而采用更直接的手段測定服務(wù)器的利用效率，以圖改善單純 采用PUE能效值進行機房能效評估所造成的誤導(dǎo)。另外還有的是采用SPEC芯片 利用效率測試工具類型的軟件來監(jiān)測IT設(shè)備的數(shù)據(jù)處理流量/秒（或數(shù)據(jù)吞吐量 /秒）與IT設(shè)備的功耗之比的技術(shù)。隨著IT虛擬化技術(shù)的大量應(yīng)用，機房內(nèi)勢必會出現(xiàn)散熱點趨向于關(guān)鍵的、 主要運行的高熱密度設(shè)備轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。導(dǎo)致機房內(nèi)會出

9、現(xiàn)少量高熱密度的熱島區(qū) 域，而其它非主要（輔助運行）設(shè)備區(qū)域的空調(diào)環(huán)境冷卻需求度相對卻較少的狀 態(tài)。此時如果不改變機房現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)和使用面積，并為了避免主設(shè)備宕機或使 用壽命的減少而必須維持機房內(nèi)的少量高熱密度散熱點微環(huán)境狀況不超標，就無 法避免地出現(xiàn)機房整體區(qū)域過度冷卻的現(xiàn)象。造成機房能耗及PUE能效值顯現(xiàn)得 奇高。據(jù)Uptime學會統(tǒng)計目前全球85%以上數(shù)據(jù)中心機房存在過度制冷的問題。針對機房過冷問題，在最近的調(diào)查顯示數(shù)據(jù)中心機房實際提供的冷量平均是熱負 荷所需冷卻功能的2.6倍；即使這樣機房出現(xiàn)過熱部位的可能性還是達到了 10%。 所對應(yīng)的機房空調(diào)機組耗能也比設(shè)計工況增加能耗大約50%以

10、上。上面所陳述的機房實際狀況說明現(xiàn)代空調(diào)系統(tǒng)按照整體區(qū)域平均冷卻模式 設(shè)計的機房空調(diào)環(huán)境如應(yīng)用于高熱密度或高散熱量的負荷就無法避免地采用了 過度冷卻方式，導(dǎo)致機房能耗超高，能效值差強人意。這也意味著機房環(huán)境空調(diào) 冷卻領(lǐng)域必須進行相應(yīng)的按需冷卻理論和應(yīng)用方面的創(chuàng)新，以應(yīng)對服務(wù)器等類型 的機房主設(shè)備發(fā)展需求和社會對其能源利用效率的要求。針對上述數(shù)據(jù)中心機房能效現(xiàn)狀，我們提出具體的解決方案是：首先，通過 對整個數(shù)據(jù)中心的紅外溫度熱場分布以及氣流流動情況，準確找出問題點以便用 來改善數(shù)據(jù)中心的熱效率。幫助用戶建立他們數(shù)據(jù)中心精確的模型，提出數(shù)據(jù)中 心地板室溫以及返回天花板靜壓模型的能力，在溫度調(diào)節(jié)設(shè)置

11、時從4個CRAC邊 界條件中選擇設(shè)定，并通過CFD方法能夠得到流動和熱傳遞的耦合解，用以正確 說明氣體流動和熱的交換；根據(jù)得到的PDU具體熱負荷來提供數(shù)據(jù)中心的評估報 告，包括對數(shù)據(jù)中心氣流和熱載荷的評估，當風量或氣流的冷卻能力不能勝任的 時候?qū)τ脩籼岢鼍妫⑻峁┚C合的冷卻能源審計報告，包括CRAC、機架和地 板氣流性能的詳細分析報告。其次，在送回風不暢的機房區(qū)域施行將原先的通風地板更換為高通風率的通 風地板，以輔助下送風機房空調(diào)的送風效果。由于現(xiàn)有電子信息系統(tǒng)機房的氣流 組織現(xiàn)狀十分復(fù)雜，導(dǎo)致主機房高熱密度負荷不能及時被空調(diào)機組所冷卻，所以 須在主機房高負荷服務(wù)器機柜前方更換專用的風機通風

12、地板；還可通過集約探測 分布式群控風機地板，高效節(jié)能整體地解決機房服務(wù)器機柜冷卻難題。進而，再通過上述控制系統(tǒng)的上位機平臺實行調(diào)整機房空調(diào)的溫濕度設(shè)置參 數(shù)，使之設(shè)定在2025C/4055%Rh的合理范圍內(nèi)，讓機房空調(diào)機組系統(tǒng)達到 既滿足機房設(shè)備冷卻所需；又避免出現(xiàn)機房過度冷卻的效果。在應(yīng)用以上步驟的前提下；再對機房空調(diào)系統(tǒng)采用聯(lián)控運行的模式，以達到 最優(yōu)散熱效果的情況以及避免出現(xiàn)空調(diào)機組功效抵消的狀況；最終可以實現(xiàn)提高 數(shù)據(jù)中心的能源利用效率、節(jié)約機房散熱之冷卻系統(tǒng)的電耗。經(jīng)優(yōu)化改造后的機 房其PUE值類比可達到Hp公司的動態(tài)智能散熱解決方案（Dynamic Smart Cooling） 之降低數(shù)據(jù)中心散熱成本40%的同級別水平。綜合以上數(shù)據(jù)進行分析，可以得出結(jié)論：配用了紅外探測控制可調(diào)速風機通 風強化全鋼防靜電地