数据中心节能技术
6
数据中心用能现状及问题
1.4 数据中心能耗结构
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
7
数据中心用能现状及问题
1.5 数据中心能效指标
PUE=数据中心年总耗电量/信息设备年耗电量
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
典型机房传热过程
传热过程
室内传热过程 室外传热过程
热量采集
热量传递 冷源选择
11
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
传热本质
1、换热过程本质分析
设备发热
服务器芯片
空气 气流组织
精密空调
热量 采集
自然冷却 水 机械制冷
冷却塔
冷机
冷源 制备
室外大气
大气
热量 传递
2、换热温差本质分析
当前冷却方式温差消耗大
12
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
通过循环于室内外之间的工质,实现芯片与室外 冷源的换热,来实现利用自然冷源排热
根本目标:
– 维持芯片表面温度不超过给定温度 – 稳定地排出芯片产生的热量
对于确定的排热系统,ΔT=R XQ
ΔT:芯片表面温度-冷源温度 R:系统等效热阻 Q:要求的排热量
25%
50%
75%
22
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
安全等级
B级
安全等级涉及冗余设施的配备,对安防设备等的要求
A级
C级
23
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
不同地区数据中心空调 系统全年能效比AEER
24
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
怎样减少ΔT?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
14
数据中心排热过程分析
2.2 数据中心热量采集过程
典型架空地板送风方式
测试机架
冷通道温度分布
机柜局部温度分布
热通道温度分布
15
数据中心排热过程分析
2.2 数据中心热量采集过程
传统集中式送回风方式存在的弊端
1. 运行时间长(全年不间断 供冷)
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
系统运行模式示意图
两循环并联,三种运行模式:
✓ 分离式热管模式 ✓ 蒸汽压缩制冷模式 ✓ 双循环模式
36
数据中心能效评价指标及节能途径
3.5 自然冷源利用
13
数据中心排热过程分析
2.1 数据中心排热本质
ΔT=R XQ 【驱动温差=热阻X排热量】
当芯片温度-室外冷源温度 > ΔT时,可以用室外冷源 排热
当芯片温度-室外冷源温度 < ΔT时,需要运行制冷机 ,提供不足的ΔT,以满足排热要求
ΔT 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ΔT 也越小,从而冷机功耗小
3.5 自然冷源利用
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
35
数据中心能效评价指标及节能途径
3.5 自然冷源利用
自然冷源与蒸气压缩循环结合
数据中心节能关键技术研究
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
2
数据中心用能现状及问题
1.1 数据中心
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。
3.3 机柜级冷却
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
30
数据中心能效评价指标及节能途径
3.3 机柜级冷却
运行原理示意图
产品外观图
供冷量:3~15kW
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
0.050
0.339
负荷率
75
0
0.013
0.027
0
0.001
0.007
0.007
0.007
0.023
0.084
100
0
0
0
0
0
0
0
0
0
其他
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
修正值
0
✓ 根据安全等级、气候条件以及负荷率对PUE指标进行修正。25
25
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
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
0
-0.010
0
-0.117
严寒
-0.145
0
0
0
0
0
0
-0.145
气候条件 (水冷)
寒冷 夏热冬冷 夏热冬暖
-0.124 -0.058 0.018
0
0
0
0
0
0
-0.124
0
0
0
0
0
0
-0.058
0
0
0
0
0
0
0.018
温和
-0.069
0
0
0
0
0
0
-0.069
严寒
-0.018
0
0
0
0
0
0
-0.018
气候条件 (风冷)
✓ 提供100kW冷量,风 机功率<2kW ✓ 100kW精密空调的室 内风机功率为6~7kW
31
数据中心能效评价指标及节能途径
3.4 芯片级冷却
双级回路热管系统
换热器
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。
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?
19
数据中心能效评价指标及节能途径
3.1 数据中心能效评价指标
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
(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。
27
数据中心能效评价指标及节能途径
3.2 分离式热管
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。
数据中心能效综合评价指标
查表算例: 严寒地区A等级水冷式
75%负荷数据中心
压缩机
加湿
新风
IT设备
修正值 UPS
供电
照明
其他
单一条件变化的 辅助用房 能耗要求修正量
A
0
0
0.020
0
0.140
0
0
0.020
0
0.180
安全等级
B
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
C
0
-0.020
-0.060
0
-0.023 -0.004
数据中心结构和功能示意图
数据中心内部服务器机架
3
数据中心用能现状及问题
1.1 数据中心
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
布法罗地区Yahoo数据中心
呼和浩特中国移动数据中心
4
数据中心用能现状及问题
1.2 数据中心能耗现状
世界数据中心耗电量分析[1]
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)
37
数据中心能效评价指标及节能途径
3.6 分布式系统
国内
✓ 大部分数据机房PUE>2.0
✓ 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PUE≈2.0
✓ 先进的机房PUE<1.70
北京市数据中心机房PUE情况
✓ Google的机房(类型特殊)PUE<1.20
PUE
1.5~2.0
机房数(座) 7
比例
18.92%
2.0~2.5 16
间接蒸发冷却:露点温度
间接蒸发式冷却 (冷源接近室外露点温度)