鲁少堃：数据中心的绿思维
鲁少堃 2011/12/30
数据中心朝着大型和超大型发展，对运算能力、存储能力的要求也相应提高，但是随之而来的是能耗的进一步提升和运维成本的不断增加。如何降低能耗、提高资源利用率、节约成本？
鲁少堃，华为能源资深专家，在国际上首先提出“多重能源耦合”概念，为低能耗建筑的研究提供了创新思维。
数据中心呼唤绿色
斯坦福大学教授Ohnathan G. Koomey的研究数据显示，2010年全球数据中心耗电量达到了惊人的1988亿kWh，约占全球发电量的1.1%至1.5%；而在拥有大量数据中心的美国，这个比例已经达到1.7%－2.2%。数据中心的耗电支出已经超过对基础设施的投入。
随着信息化的不断发展，数据增长越来越快，对数据中心的需求和数据容量也相应地在快速增长。微软公司的Christian Belady最近在其博文中写道，预计到2020年，美国和全球数据中心市场将增长50%，分别达到180亿和780亿美元。
数据中心的快速发展对电力等能源的需求也会越来越大，但是能源的紧缺供应，将难以满足这种需求。数据中心工业协会（AFCOM）下属的数据中心研究所预计，在今后几年里，超过90%的企业数据中心将因为电力不足而至少中断一次。在这种供给与需求的双重压力之下，越来越多的中小企业放弃了自建数据中心，转而向大型数据中心运营商租用其提供的数据中心服务。
数据中心朝着大型和超大型发展，对运算能力、存储能力的要求也相应提高，但是随之而来的是能耗的进一步提升和运维成本的不断增加。如何降低能耗、提高资源利用率、节约成本，建设“绿色”数据中心？
探索“绿色”可行性
绿色数据中心的建设，需要使用新的节能技术与设备，替代原有的低功效设备，以降低能耗、提高能源利用率和减少运维成本。但是在采用新技术和新设备的过程中，不可避免会增加额外的前期投资。
因此，对于数据中心的设计者和运营商而言，需要在技术资源、投资回报率、社会效应等多方面考虑，选取最适合的方案，从而达到经济与技术的平衡。
绿色数据中心的节能技术很多，但是归根到底在于“开源”与“节流”。我们将从这两方面，介绍一下现在比较主流的技术方案。
绿之“开源”
再生式能源对电力的补充：数据中心运营的基础就是电力。电力保障了数据中心IT业务的稳定运行、制冷系统的冷却降温、管理监控系统的正常运作、室内照明等等。对于传统的数据中心，通过电网获得电力资源是唯一的选择，但是现在，情况却在悄然变化。
2007年，Google在其总部安装了太阳能发电系统，约9200块太阳能电池为Google提供了总功率1.6MW的电力。而另一个IT行业巨头微软，则在其位于美国昆西的数据中心采用了水力发电方案。
除此之外，风力、地热、潮汐等再生式能源，同样存在为数据中心提供电力资源的可能。再生式能源的使用，降低了数据中心对电网的负荷和CO2的排放，并给数据中心带来了巨大的经济效益和无法估量的社会效应。
再生式能源直接提供制冷：太阳能空调是目前应用较为广泛的再生式能源制冷技术。它主要由太阳能集热器和吸收式制冷机两部分构成。吸收式制冷机利用太阳能集热器为其发生器提供热媒水，来加热发生器，取代了传统吸收式空调用电能加热的方式。并且，太阳能集热器的热媒水温度越高，空调系统的制冷效率也越高。这种技术在太阳能资源丰富的地区，已经得到很好的推广与应用。
目前欧洲最大的太阳能空调系统位于德国Offenburg。通过此系统，Offenburg高等学校每年可以节省500MWh电能。
自然冷源的利用：除了太阳能，还有很多资源可以为绿色数据中心提供制冷资源，如江河、湖泊、海洋、地下水，甚至土壤和空气，等等。
在气候寒冷的北方地区，室外冷空气可以直接导入数据中心，用于冷却IT设备。微软在爱尔兰都柏林的数据中心将这种技术方案发挥到了极致：整个数据中心使用的是“无冷却器”模式，也就是说，数据中心不需要任何制冷设备，而是使用免费的外部空气进行冷却。
除了直接使用室外冷空气，我们还可以将热空气通过换热器，与周围低温水源或地下水，甚至土壤进行换热冷却，也能为数据中心的制冷系统提供额外的冷量。这些资源不仅可以大大降低数据中心的电能消耗和耗电成本，更是一种清洁无污染的能源。
选址是关键：美国地产大亨Donald Trump曾经在他的电视真人秀《学徒》中说过，地点选择是商业成败最关键的因素。同样，地点选择也是“绿色数据中心”成败的关键，因为地点决定了是否有清洁、免费的能源供给。
目前世界上大规模的数据中心主要集中在北纬44度到北纬46度之间，究其原因可以发现，在此纬度范围的年均日照时间较长、水资源较丰富、冬季较长、年均气温较低，这些条件使提供免费的供电及制冷资源成为可能。
绿之“节流”
与“开源”的“靠天吃饭”相比，“节流”就偏向于“人定胜天”了。“节流”旨在通过技术手段，改造或优化数据机房，从而达到“绿色”的标准。接下来我们看一下IT、制冷、配电、建筑设计这四个能耗大户如何节能：
IT系统的节能：IT设备是数据中心的核心设备，又是最大的能耗单元。随着新技术的产生和新产品的应用，IT设备正朝着高效节能的方向发展。
比如刀片式服务器，通过对服务器部件的技术升级和优化整合，显著提升性能、降低用电与冷却成本，以及占地空间需求；固态（SSD）硬盘作为存储单元的应用，使得存储速度更快、能耗更低、发热量更小；虚拟化技术可以将多台物理服务器整合到一台服务器上来，按照5:1的比例，虚拟化技术可以节省最多80%的物理服务器所消耗的电力和冷却资源。
制冷通风系统的节能：制冷系统是数据中心排名第二的能耗大户，消耗的电能一般占到数据中心总耗电量的25%以上，所以在制冷系统方面，同样存在巨大的节能空间。
大型数据中心的制冷，可以采用水冷机组代替传统风冷机组，提高制冷机效率，降低制冷设备电能消耗。
机房制冷可以采用密闭冷、热通道技术，避免冷热空气混合，达到高效制冷的目的，这种技术至少可以减少25%的制冷系统能耗。同时还可以采用热风循环系统，使用机房热风对办公区域、配套区域进行供暖，达到降低建筑整体能耗的目的。
除此之外，精确送风技术也得到越来越广泛的运用，该技术让冷风直接冷却机柜，并根据每个机柜温度的不同，调节进气量，避免资源浪费。
此外，使用变频空调，或者在保证设备正常运行的情况下调高空调温度，都可以有效地降低能耗。
配电系统的节能：配电系统的重要组成是UPS，它保证了数据中心的电源稳定，但是随着数据中心规模的不断扩大，UPS的耗电也变得越来越多。除了传统的针对UPS和电池的节能技术升级以外，飞轮和高压直流电源成为配电系统节能的两个发展方向。
飞轮储能作为一种机械储能的方式，比传统化学蓄电池的效率高8%左右，达到98%。同时，飞轮UPS不需要空调降温，节约了空调的成本和耗电量。另外，它的寿命长达20年，可靠性较高，还节省了更换蓄电池的费用。
位于美国科罗拉多州的Broomfield数据中心，是世界上最早同时也是规模最大的使用机架冷却方案的数据中心。该数据中心应用“机架冷却系统+节能冷水机组+飞轮UPS”方案实现了能源的节省和空间的节约。
除了飞轮储能，高压直流电源正成为配电系统一个新的发展方向。这是因为服务器在内部使用的是直流电，直接使用直流电源可以减少交流电转换为直流电这一环节，降低了电流转换的损失，实现迅速节能。
建筑设计的节能：在建筑设计过程中，有很多技巧可以降低建筑的能耗，比如合理规划建筑朝向、布局、外观、间距、层高；合理选用节能型建筑材料以及规划门窗尺寸、材料；合理设计楼宇通风、采光；在屋顶种植绿色植物等等。
随着二氧化碳排放量剧增、对全球气候变暖的影响更加明显，企业或机构无疑都将受到越来越多的成本约束和环境法规限制。作为人类节能减排活动的重要组成部分，IT企业必将越来越努力建设高效节能的绿色数据中心，更新更优秀的节能技术也将应用在数据中心上，以支持我们创建可持续发展的计算环境。
CTI论坛报道
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