羅伯特 ·麥克法蘭 / 申 ·米爾索姆 威克

數(shù)據(jù)中心在我們的日常生活中是必不可少的，但是，它卻是一個能耗大戶。為此我們希望數(shù)據(jù)中心也能做到節(jié)能環(huán)保。值得欣慰的是通過節(jié)能設(shè)計可以為計算機設(shè)備提供一個更好的環(huán)境，并能降低能源成本。盡管事實上數(shù)據(jù)中心仍然需要大量的電能，但這并非是在浪費能源。采用專用的電源和制冷設(shè)備可以實現(xiàn)這個目標，但需要最先進的技術(shù)。

功率密度的快速增長使我們更加關(guān)注制冷技術(shù)

如果傳統(tǒng)的技術(shù)運用得當，每個機架的散熱大約耗能5kW。問題是如今大多的機柜用電量均為15kW～40kW，也許很快會上升至60kW。設(shè)備的過熱顯然就成了一個關(guān)鍵問題，而傳統(tǒng)的空調(diào)也無法解決這種高密度的散熱難題。

將機房空調(diào)環(huán)繞房間的老式安裝方式已不能完全滿足需要，直角安裝機房空調(diào)會產(chǎn)生不均勻的氣流，使地板送風系統(tǒng)形成氣流旋渦，從而增加了能耗卻降低了壓力和制冷效果。然而機房空調(diào)在市場上仍然具有一席之地。除非采用特別的方法來隔離和控制回風，否則在安裝時就應(yīng)將機房空調(diào)與機架垂直、與熱管道平行。這似乎違反常規(guī)，但是在沒有找到能夠控制回風的方法之前，這種安裝方式能夠最大程度地限制機房空調(diào)的回流冷風。

當前，市場上的新技術(shù)不勝枚舉，其中也有針對高密度設(shè)備的高計算性能進行制冷的，這些技術(shù)的使用能夠有效地解決各種問題。關(guān)鍵是要知道各種各樣的系統(tǒng)都是什么系統(tǒng)，以及在什么情況下去使用它們。無論制冷過程是在機房的地面上還是地板之下完成的，考量系統(tǒng)的能效有兩個基本原則：

1)使混合的冷空氣和熱空氣分開

2)使空調(diào)機的回風溫度最佳化

混合的結(jié)果是較暖的空氣被傳輸?shù)椒?wù)器，而較冷的空氣返回到空調(diào)。控制回風可避免氣流混合，從而使設(shè)備更有效地制冷，提高空調(diào)盤管的制冷能力?；仫L通道使用高架管道，通過設(shè)置于天花板上的、包含熱風或冷風的壓力通風通道，使氣流分離。

通過緊耦合冷卻或熱源冷卻可以實現(xiàn)制冷效率的最大化，這就意味著制冷裝置需安裝在計算機旁邊。這樣能大大降低將空氣排入地板或管道所需的風扇能量，并將適量、適溫的空氣傳輸?shù)叫枰牡胤?，且在熱空氣擴散之前將其回收。

緊耦合冷卻可以采用成排或高架的冷卻裝置、帶有后門預冷器或二者相結(jié)合的裝置完成。其中一些設(shè)備通過冷機組使冷凍水或冷卻水循環(huán)；也有一部分使用制冷劑進行冷卻。如果配置得當，這些都優(yōu)于傳統(tǒng)的冷卻方式。除了這些方法之外，就是直接在處理器上使冷卻劑循環(huán)或?qū)⒎?wù)器沉浸于冷卻液中。

數(shù)據(jù)中心不再有任何理由仍然按老的方式制冷。實際上如果按照ASHRAE TC 9.9出版的《數(shù)據(jù)處理環(huán)境熱準則》進行操作，就可以節(jié)省更多的能源。該準則允許設(shè)備的入口溫度維持在27℃(80.6°F)，如有必要，在不明顯加大風扇轉(zhuǎn)速的前提下，在少許幾天內(nèi)甚至可以更高一些。

之所以限定在27℃，是因為高于此溫度風扇的轉(zhuǎn)速會大幅加快，從而導致大量的能源浪費(風扇速度加快1倍而所需的能量卻要增加8倍)。數(shù)以千計的服務(wù)器風扇增加的功耗可以迅速抵消在較高溫度操作時節(jié)省的能量?，F(xiàn)如今將空氣輸送的溫度控制在75°F左右，比采用了數(shù)十年的55°F標準溫度要好得多。

這種較高溫度的運行對于傳統(tǒng)和新型的計算機都適用。它使自然冷卻的時間更長，采用室外的空氣代替機械制冷，通過水側(cè)節(jié)約裝置(通過空氣去除循環(huán)水中的熱量)，或空氣-空氣熱交換器(空氣自然冷卻)來散熱。

水在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的作用

幾乎所有的高密度系統(tǒng)在冷卻過程中都會用到水。水可以直接在機柜里或硬件中流動，或在控制單元中循環(huán)，然后將制冷劑配送到冷卻裝置。水在散熱的效率上遠遠超過了空氣。隨著溫度的持續(xù)上升，數(shù)據(jù)中心中液體的使用將變得更為普遍。雖然這種設(shè)計讓大多數(shù)IT人士感到很憂慮，但是只要管道系統(tǒng)設(shè)計得當，安裝合理，有充分的泄漏檢測，該系統(tǒng)的可靠性還是很強的。實際上管道泄漏的概率很小。

對于多數(shù)的數(shù)據(jù)中心來說，即便現(xiàn)在還沒有裝備需要使用水循環(huán)的設(shè)備，但很有可能最終都會用上。管道設(shè)計時，在重要位置設(shè)置一些額外的接頭，意味著該數(shù)據(jù)中心已為安裝后門冷卻器、水冷式機柜、直接冷卻服務(wù)器，或任何新出現(xiàn)的冷卻形式做好了準備。

功率的消耗都伴隨著熱量的產(chǎn)生

雖然冷卻是節(jié)能最主要的部分，但數(shù)據(jù)中心中幾乎所有的熱量都是由功耗產(chǎn)生的，因此也必須考慮降低功耗。數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)基本都涉及到可靠性的問題，盡管不再是必須的，但在大多數(shù)情況下，可靠性仍然比效率更為重要。因而，首要功率的問題又回到了制冷的設(shè)計上。

發(fā)動機消耗了大量的電能，特別是風機、水泵及冷水機組的發(fā)動機。可以采用兩個基本的解決方案：風機、水泵和冷水機組電機采用變頻驅(qū)動(VFD)；另外可以采用電子換向(EC)的風扇電機。變頻驅(qū)動可以調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，使之與傳感器所測得的制冷需求相匹配，因此，當制冷的需求減少時設(shè)備就不用全速運行了。在正常情況下，通過采用變頻控制常常都可以使冗余系統(tǒng)的每個部分更低速地運轉(zhuǎn)，這比原來只運轉(zhuǎn)主機、需要時才啟動冗余系統(tǒng)的方式更節(jié)能。這種方法也可以確保冗余單元總是處于可運行狀態(tài)，一旦主機出現(xiàn)故障，立即就能替代其投入運行。EC電機(無刷直流電機)由于它的節(jié)能設(shè)計，比傳統(tǒng)電機能節(jié)約高達30%以上的能耗。

一個超大的不間斷電源(UPS)是原先造成能源浪費的主要根源，而如今大多數(shù)的UPS采用的是雙轉(zhuǎn)換的設(shè)計，這就意味著輸入的交流電源通過整流變成直流電，給電池充電，然后通過逆變器又轉(zhuǎn)換為交流電。在轉(zhuǎn)換過程中每一步都會有一定的熱消耗，并在傳動鏈中的每一次轉(zhuǎn)換會進一步產(chǎn)生熱損失。

近年來，雖然UPS的設(shè)計更加高效，但是在滿負荷的情況下，即使最好的裝置也只能達到95%～97%，這就意味著有3%～5%的功耗被浪費了(這相當于一個1MW系統(tǒng)中的50kW或是1 200 kWh)。如果UPS在其容量范圍內(nèi)低功率運行(30%的額定負載)，其效率會戲劇性地降到80%或更低的范圍內(nèi)。此問題在冗余系統(tǒng)運行時會更加嚴重，因為一個“2N”裝置要求其另一半(UPS、PDU等)被加載時不能超過其容量的50%，才能保證在需要時能滿負荷工作。但是如果UPS系統(tǒng)一開始就過載工作(通常是由于較差的負載估計，或用來滿足理論上長期未來的增長)，在實際使用過程中很容易(尤其是在一個冗余系統(tǒng))就會下降15%～20%，這會直接導致極低的效率并產(chǎn)生巨大的能量損失和浪費。

為此，針對以上難題，提出兩個較好的解決方案：

1)采用容量合適的UPS系統(tǒng)以保證漸進式增長；

2)使用新的智能在線互動式UPS，可使平均效率達到98%～99%。

也有一些系統(tǒng)采用高壓直流供電方式運行，從而完全地避免雙重轉(zhuǎn)換。但是該方法在業(yè)內(nèi)還存在一些爭議。

不論采用哪種類型的UPS和配置方法，計算機硬件都將在更高的電壓下運行。在208V，供電電源能更有效地運行。此外，盡量使用較少的導體就意味著可以減少銅的用量。唯一的不足是對相位平衡提出了更大的挑戰(zhàn)，因為此時每個負載都占用三相電源中兩相。若能結(jié)合良好的監(jiān)測系統(tǒng)，此問題就能迎刃而解，從而取得更高效的運行效果和實現(xiàn)UPS容量和效率的最大化。