數據中心環(huán)境管理研究范文
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數據中心的各類基礎設施為IT設備的可靠運行提供了必不可少的條件，例如提供了滿足IT設備需求的溫濕度、氣流組織等環(huán)境條件。隨著企業(yè)IT設備的不斷增加以及云計算、虛擬化的應用，數據中心的環(huán)境管理要求變得越來越高，并且比過去具有更強的動態(tài)變化的特性。同時，數據中心的數量和規(guī)模也在不斷擴大，正面臨著日益嚴重的能源消耗問題。傳統(tǒng)的數據中心環(huán)境監(jiān)控/檢測已越來越難以滿足復雜、動態(tài)的環(huán)境管理需求。
1數據中心的環(huán)境管理與優(yōu)化
數據中心環(huán)境管理的目的是為了滿足IT設備對環(huán)境的要求，從這一目的出發(fā)，通常數據中心的環(huán)境管理會重點關注以下部分：溫度環(huán)境管理：由于IT設備在工作時會產生大量熱量，為了將電子元器件控制在合理的溫度范圍，必須對數據中心的環(huán)境溫度進行嚴格的控制和管理。濕度環(huán)境管理：數據中心的濕度環(huán)境直接或間接地影響著機房的靜電水平、結露風險、腐蝕速率等，這些因素都對IT設備工作的可靠性和壽命起著至關重要的作用。氣流組織管理：由IT設備散發(fā)的大量熱量必須通過適當的途徑帶出機房。對于目前絕大多數的數據中心，IT設備的發(fā)熱量是通過空氣氣流被帶到機房精密空調，再由空調系統(tǒng)帶出計算機房，因此機房內的氣流組織管理就變得尤為重要。
1.1數據中心的溫度環(huán)境控制在數據中心的環(huán)境控制參數中，IT設備要求最高也是最嚴格的就是環(huán)境溫度參數，因為環(huán)境溫度的高低直接影響著IT設備工作的可靠性、運算性能、能源消耗、使用壽命等。(1)IT設備的溫度環(huán)境要求目前，國內大部分數據中心使用GB/T2887《計算機場地通用規(guī)范》做為機房的環(huán)境控制標準。該規(guī)范要求A級數據中心的主機房在設備運轉時溫度：夏天為(24±1)℃，冬天為(20±1)℃。也有數據中心借鑒國際上較為通用的TIA-942《數據中心電信基礎設施標準》，將機房溫度控制在(20~25)℃。而ASHRAE(美國暖通制冷工程師協(xié)會)的《數據中心環(huán)境散熱指南》中則建議數據中心的環(huán)境溫度控制在(18~27)℃，并明確指出控制溫度的測量位置應在IT設備的入風口處。當下很多數據中心的從業(yè)人員建議在我國數據中心國家標準層面對機房的溫度要求也做類似于ASHRAE的溫度范圍(18~27)℃調整，但是數據中心作為一個綜合性IT服務基礎設施，其任何一方面變化都需要考慮全局變量的影響。如機房內的溫濕度的升高、對服務器能耗的影響、環(huán)境溫度的增加會引起服務器能耗的增加。如果服務器進風溫度從15℃提高到30℃，則服務器的能耗預期增加4%~8%；如果提高到35℃則服務器的能耗預期可能會增加7%~20%。服務器環(huán)境溫度的增加會引起服務器內部某些組件的性能發(fā)生變化，從而導致服務器性能的變化或設備故障。通常在設計上IT設備允許的最高環(huán)境溫度上限余地很小，不建議服務器在超過其環(huán)境溫度許可上限的環(huán)境下長時間運行，服務器的環(huán)境溫度直接影響到IT設備的故障率。當提高數據中心機房溫度時，應綜合考慮設備工作的可靠性、能源成本、IT設備購置成本、故障對IT服務的影響等多重因素，為數據中心確定合理的運行環(huán)境參數。從GB/T2887、TIA-942和ASHRAE的標準都可以明顯看出，數據中心的環(huán)境溫度并非僅指機房內個別點的溫度，當柜或機架采用冷熱通道分離方式布置時，主機房的環(huán)境溫度和露點溫度應以冷通道的測量參數為準；當電子信息設備未采用冷熱通道分離方式布置時，主機房的環(huán)境溫度和露點溫度應以送風區(qū)域的測量參數為準。為了更好地對機房溫度進行控制和優(yōu)化，需要全面了解機房溫度的整體情況和具體分布狀況。如圖1所示顯示了某數據中心的3D溫度分布測量結果，可以從中計算出機房溫度的分布范圍、平均溫度值、分布標準方差等，從總體上了解機房溫度情況。通過對3D測量溫度的進一步分析，還可以更多發(fā)現(xiàn)數據中心具體溫度分布的規(guī)律和特點。如圖2所示，可以通過不同的切平面觀察不同高度、不同位置的溫度分布，也可以根據測量數據畫出溫度等值線后，更方便地找到機房內的冷熱區(qū)域或某些特定的溫度分布位置。(2)溫度環(huán)境的熱點分析除了了解數據中心整體溫度數據和分布外，更重要的是分析IT設備入風口處的溫度情況。根據實際測量的溫度場與機房中機柜和IT設備的位置關系，通過數學和圖像信息的特定算法，可以提取出每臺機柜在不同高度位置處的空氣進出口溫度，即所有IT設備的空氣入/出口溫度。有了IT設備的空氣入/出口溫度數據，便可以對IT設備的散熱狀況進行詳細的定量分析，常用的分析方法有入風口熱點分析、水平熱點分析、垂直熱點分析、RCI分析、進出口溫差分析等。入風口熱點分析是將所有IT設備的入風口溫度進行統(tǒng)計分析，找出數據中心中IT設備入口溫度偏高的數量和位置區(qū)域。入風口熱點可以分為絕對入口熱點(IHα)和相對入口熱點(IHγ)兩種。絕對入口熱點的定義為：絕對熱點因子反應了設備入口溫度超過規(guī)范建議的程度，相對熱點因子則反映了部分設備入口相對整體偏高的程度。除了數值描述外，更重要的是找出這些熱點的位置，以便采取適當的改善措施。如圖4、圖5分別是該機房絕對熱點和相對熱點的位置，圖中紅色線條位置為發(fā)生入口熱點所在機柜的位置。水平熱點因子反應了機房內機柜平均入口溫度分布的離散情況，水平熱點因子越小，說明溫度分布越集中，而落在水平熱點因子區(qū)間之外的位置則分別是機柜整體入口溫度偏低(冷點)和偏高(熱點)的位置。機柜平均入口溫度偏低或偏高，往往是由于提供的制冷量過?；虿蛔阍斐傻摹］^合理的水平熱點因子應控制在5℃以內，否則說明機房溫度差異較大，不利于環(huán)境控制，也容易造成制冷能耗的浪費。垂直熱點分析是對機柜在不同高度上的入口溫度差異情況進行分析，因為是在不同高度上進行比較分析，所以將其稱為垂直熱點分析。垂直熱點分析中用到的垂直熱點因子(VH)定義為。對于很多IT設備機柜，隨著高度的增加，入口溫度成上升的趨勢。及時發(fā)現(xiàn)這些垂直熱點機柜和它的溫度分布差異，可以很好地評估高度方向溫度的不均勻性和產生原因。垂直熱點往往是由于機柜頂部(或內部)熱空氣回流到冷通道造成的。通過適當的氣流組織管理，可以很好地將垂直熱點因子控制在1℃以內。
1.2數據中心的濕度環(huán)境控制較高的相對濕度容易使數據中心內的設備發(fā)生電氣短路、磁帶介質出錯和電路腐蝕現(xiàn)象。在極端情況下，相對濕度過高還會使設備的冷表面出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，這對設備的威脅很大。較低的相對濕度將容易產生設備靜電現(xiàn)象，造成元器件的擊穿、短路等故障，甚至可能損壞設備，磁帶和存儲介質在低相對濕度下也會產生過度磨損，所以數據中心環(huán)境濕度應控制在合適的濕度范圍內?！队嬎銠C場地通用規(guī)范》中推薦A級機房的濕度控制范圍為40~60%。ASHRAE標準中推薦的濕度控制范圍并未完全用相對濕度來定義，其濕度控制下限為露點溫度5.5℃，上限為相對濕度60%。參照上文中提出的溫度入口熱點的分析方法，可以同樣使用入口、水平、垂直三個維度的濕度分析。
1.3數據中心的氣流組織管理IT設備散熱是通過機房內的空氣流動將設備發(fā)熱量傳輸至精密空調進行換熱，再通過精密空調以不同的形式將熱量輸送至室外，所以氣流組織的管理對數據中心的環(huán)境溫濕度控制尤為重要。目前，較多的數據中心采用架高地板下送風上回風設計，送風地板的使用是影響氣流組織管理的關鍵因素。通過測量可用獲得機房送風地板送風流量的統(tǒng)計分布情況和位置分布云圖。從統(tǒng)計情況可看出平均送風量、送風量范圍等信息，從送風量分布云圖可以查找出送風量過?；虿蛔愕膮^(qū)域。冷空氣利用率越高，說明氣流組織管理中的冷空氣浪費量越少，理想的冷空氣利用率為100%。偏低的冷空氣利用率往往是由于走線開孔、地板縫隙等處的冷空氣泄露造成的。通常機房如果對氣流組織進行較好的管理，冷空氣利用率可用控制在80%以上。
2數據中心的能源管理與優(yōu)化
數據中心電能使用效率是行業(yè)內通用的衡量數據中心電能利用情況的指標。對于很多未采取適當節(jié)能措施的數據中心，約有50%或50%以上的能耗用在了非IT設備的外圍基礎設施上，而在這些基礎設施中，能耗最大的是數據中心的制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)的能耗主要分為冷量輸送能耗和制冷能耗兩部分。冷量輸送能耗主要消耗在冷媒的輸送設備上，如精密空調的風機、水冷系統(tǒng)管路中的水泵等；制冷能耗則是指用于產生所需的冷量而消耗的能源，大多消耗在冷水機組或膨脹式空調壓縮機上。制冷能耗的降低可以通過使用更節(jié)能的制冷技術，如直接或間接自然冷卻，也可以在現(xiàn)有制冷系統(tǒng)的基礎上通過設備設定參數的優(yōu)化達到節(jié)能的目的。本文主要討論實施較為方便的后一種節(jié)能方法。要在現(xiàn)有的制冷系統(tǒng)上做優(yōu)化，首先要了解目前機房精密空調的工作性能和狀態(tài)。最直接描述空調工作狀態(tài)的參數是空調制冷利用率。當數據中心的空調制冷利用率較低時，可以適當關閉不必要的空調，這樣可以大幅度地提高制冷利用率，并節(jié)約響應的能耗。節(jié)約的能耗由以下部分組成：關閉空調節(jié)約的對應風機的功耗；風機關閉的同時減少了機房的發(fā)熱量，從而減少了相應的制冷能耗；部分空調關閉后，更容易使所有空調的送風溫度保持一致，從而改善了制冷系統(tǒng)平均送風溫度。在關閉不必要空調、提高機房制冷利用率后，如果通過熱點分析，確定IT設備的入口溫度仍有一定的余量，制冷系統(tǒng)的送風溫度則可以進一步提高。有研究表明，制冷系統(tǒng)的送風溫度每提高1℃，制冷能耗可節(jié)約5%左右。
3技術應用的實現(xiàn)手段
要實現(xiàn)以上的技術分析方法，其基礎是獲得數據中心真實、全面的環(huán)境和能耗參數，其中包括3D溫濕度分布數據、送風地板送風量、空調工作狀態(tài)參數、各設備/部件的耗電量等。對于能耗數據，可以使用供電系統(tǒng)中的電量儀或智能電表，也可以從部分設備上直接讀?。粚τ跍貪穸?、送風量等環(huán)控數據，可以從環(huán)控系統(tǒng)中部分讀取，也可以采用人工的方法在機房中收集，但通過上述方式采集的數據量往往達不到模型分析的要求。如圖6所示，移動測量系統(tǒng)能夠很好地解決數據中心快速、大量環(huán)境數據采集的問題，該系統(tǒng)可以在機房內移動，并將布置在系統(tǒng)各層上傳感器采集到的環(huán)境數據與位置信息對應起來，從而獲得整個數據中心的環(huán)境參數分布情況。以金融行業(yè)某數據中心為例，機房安裝有99臺機柜，12臺冷凍水精密空調。機房溫度范圍在(9~36)℃之間，IT設備入口處溫度范圍在(11.1~29.1)℃之間。通過上文介紹的熱點分析，可以發(fā)現(xiàn)該機房存在入口溫度超出(18~27)℃溫度范圍的入口冷/熱點，并且整個機房入口溫度跨度較大，在高度方向入口溫度分布也不均勻，最大的垂直高度溫差有7.1℃。通過對風量數據的分析，計算出該機房的冷空氣利用率為79.6%，屬于較合理的水平，但仍有進一步改善的空間。機房IT設備耗電量390kW，空調系統(tǒng)耗電量253kW，所以該機房的冷卻效率為390/253=1.54，屬于較低的水平，存在較大的能效改進空間。主要原因是由于機房的制冷冗余過高，導致平均空調的制冷利用率偏低，只有30%。在對測量數據進行分析后，根據分析結果對該機房進行了節(jié)能優(yōu)化改造。優(yōu)化的措施包括調整送風地板布局、封閉冷通道、安裝機柜盲板、封堵走線開孔、關閉不必要空調、優(yōu)化制冷系統(tǒng)設定參數等。優(yōu)化后，機房的溫度環(huán)境得到了改善，消除了設備的入口熱點。由于關閉了不必要的空調，并對制冷系統(tǒng)參數進行了優(yōu)化，所以制冷能耗也大幅度減少。在該項目中，關閉空調可節(jié)省風機能耗25.5kW，減少相應的制冷能耗5.7kW；對空調設定參數進行優(yōu)化，適當提高空調送風溫度，可節(jié)省制冷能耗16.5kW。所以優(yōu)化后總共可以節(jié)約制冷系統(tǒng)能耗47.7kW，全年節(jié)電約417852。通過在數據中心的運維中對本文介紹的分析方法進行實際應用，可以有效治理數據中心的環(huán)境問題，如局部熱點、氣流組織等問題。針對問題采取有效措施，在確保安全運行的同時，可大幅度減少數據中心的運行能耗，尤其是制冷系統(tǒng)的能耗。在數據中心的運行維護中，可深入地應用數據分析模型，克服目前節(jié)能措施針對性與適用性亟待強化的不足，促進節(jié)能減排和資源綜合利用從單純的“績效考核、能效要求”向“節(jié)能目標可實現(xiàn)、可測量、可衡量”轉變，使節(jié)能措施更具針對性。同時，還應形成對數據中心進行能效、能耗、健康等方面的年度性檢測，并且加強利用標準化手段推動數據中心節(jié)能技術創(chuàng)新的機制。
作者：劉宇 陳文鑫 高書辰 張林鋒 單位：熱領(上海)科技有限公司 國家電網公司信息通信分公司 工業(yè)和信息化部電子工業(yè)標準化研究院