数据中心节能技术ppt课件.ppt

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,1.1 数据中心,数据中心用能现状及问题,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。,数据中心结构和功能示意图,数据中心内部服务器机架,1.1 数据中心,数据中心用能现状及问题,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,1.2 数据中心能耗现状,数据中心用能现状及问题,世界数据中心耗电量分析1,我国数据中心耗电量分析1,数据中心能耗高：单位面积发热密度高，全年连续运行预计到2020年，全球信息技术相关的碳排放量将达到15.4亿吨2，占全球总碳排放量5%，已经成为温室气体排放的重大来源之一。2015年我国数据中心耗电量逼近1000亿度3。,数据来源:1 ICTresearch；2 信息产业如何减少碳排放；3 中国数据中心能效研究报告,1.3 数据中心的建设及扩张趋势,数据中心用能现状及问题,发展趋势数据机房投资年增长率25%耗电量年增长率10%15%服务器功率增长，散热密度急剧增加,1,1 ASHRAE TC 9.9.数据处理环境热指南.杨国荣,陈巍,王振华,译.2版.北京:中国建筑工业出版社,2010.,1.4 数据中心能耗结构,数据中心用能现状及问题,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,1.5 数据中心能效指标,数据中心用能现状及问题,PUE=数据中心年总耗电量/信息设备年耗电量,北京市数据中心机房PUE情况,国内 大部分数据机房PUE2.0 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PUE2.0 先进的机房PUE1.70 Google的机房(类型特殊)PUE1.20,1.6 数据中心空调系统现状及问题,数据中心用能现状及问题,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,2.1 数据中心排热本质,数据中心排热过程分析,典型机房传热过程,2.1 数据中心排热本质,数据中心排热过程分析,1、换热过程本质分析,2、换热温差本质分析,当前冷却方式温差消耗大,传热本质,2.1 数据中心排热本质,数据中心排热过程分析,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，TR XQ T：芯片表面温度冷源温度 R：系统等效热阻 Q：要求的排热量,2.1 数据中心排热本质,数据中心排热过程分析,TR XQ【驱动温差=热阻X排热量】当芯片温度室外冷源温度 T时，可以用室外冷源排热当芯片温度室外冷源温度 T时，需要运行制冷机，提供不足的T，以满足排热要求T 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T 也越小，从而冷机功耗小怎样减少T？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,2.2 数据中心热量采集过程,数据中心排热过程分析,典型架空地板送风方式,冷通道温度分布,热通道温度分布,机柜局部温度分布,2.2 数据中心热量采集过程,数据中心排热过程分析,传统数据中心散热形式,运行时间长（全年不间断供冷）送风参数相对稳定高显热潜热比（显热负荷与潜热负荷之比通常大于0.95）大风量，小焓差模式耗电量大气流组织复杂,传统集中式送回风方式存在的弊端,2.3 冷源过程,数据中心排热过程分析,选择合适的冷源形式风冷：干球温度 蒸发冷却：湿球温度 间接蒸发冷却：露点温度,风冷（冷源为室外干球温度）,蒸发式冷却（冷源接近室外湿球温度）,间接蒸发式冷却（冷源接近室外露点温度）,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,3.1 数据中心能效评价指标,数据中心能效评价指标及节能途径,气候类型、制冷形式影响数据中心制冷系统能耗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？,3.1 数据中心能效评价指标,数据中心能效评价指标及节能途径,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分析不同条件给各个分系统带来的PUE变化将条件变化对各分系统的影响叠加后，作用于整体的基准PUE,3.1 数据中心能效评价指标,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,数据中心能效评价指标及节能途径,100%,25%,50%,75%,负荷率,负荷率直接影响IT设备能耗，制冷负荷的改变又会影响压缩机及输配系统能耗,3.1 数据中心能效评价指标,数据中心能效评价指标及节能途径,安全等级,B级,C级,A级,安全等级涉及冗余设施的配备，对安防设备等的要求,3.1 数据中心能效评价指标,数据中心能效评价指标及节能途径,不同地区数据中心空调系统全年能效比AEER,3.1 数据中心能效评价指标,数据中心能效评价指标及节能途径,25,数据中心能效综合评价指标,根据安全等级、气候条件以及负荷率对PUE指标进行修正。,修正值,查表算例：严寒地区A等级水冷式75%负荷数据中心,3.2 分离式热管,数据中心能效评价指标及节能途径,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,数据机房热管排热系统基于分离式热管的数据机房自然冷源利用设备通过室内外的自然温差实现循环排热传热能力强、能耗低、可靠性高、环境适应性强,3.2 分离式热管,数据中心能效评价指标及节能途径,列间热管,参数：风机N+1配置。即插式风机，便于维护。列间热管安装于机架旁，占用机房空间（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。,3.2 分离式热管,数据中心能效评价指标及节能途径,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。,3.3 机柜级冷却,数据中心能效评价指标及节能途径,以机柜为单位进行冷却：换热器安装在机柜内，就近带走热量避免局部热点，增强散热能力可实现冷量按需分配,换热器安装位置灵活：侧背板机柜前后双背板机柜后背板机柜,工质选择：水（存在安全隐患）氟利昂,3.3 机柜级冷却,数据中心能效评价指标及节能途径,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,3.3 机柜级冷却,数据中心能效评价指标及节能途径,运行原理示意图,产品外观图,供冷量：315kW,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 提供100kW冷量，风机功率2kW 100kW精密空调的室内风机功率为67kW,3.4 芯片级冷却,数据中心能效评价指标及节能途径,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。,双级回路热管系统,3.4 芯片级冷却,数据中心能效评价指标及节能途径,双级回路热管系统,3.5 自然冷源利用,数据中心能效评价指标及节能途径,直接自然冷源利用,优点：直接利用自然冷源，结构简单缺点：灰尘、湿度、滤网维护、空气中微量硫氧化物对IT原件腐蚀,直接通风带来对IT元件的腐蚀（微量SO2腐蚀）,3.5 自然冷源利用,数据中心能效评价指标及节能途径,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,3.5 自然冷源利用,数据中心能效评价指标及节能途径,自然冷源与蒸气压缩循环结合,系统运行模式示意图,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,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,3.5 自然冷源利用,数据中心能效评价指标及节能途径,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）,3.6 分布式系统,数据中心能效评价指标及节能途径,分布式冷却系统：减小温差损失，提高冷源温度分离式热管将机架和冷水直接连接，温差损失小，冷源温度高 均匀分配冷量，消除局部热点热量传递和冷量输配由空气改为热管（输配能耗小）通过支管将制冷剂“按需分配”给末端换热器避免大风量送风不均匀，消除局部热点,温湿度独立控制热负荷：利用工质相变带走服务器散发的热量湿负荷：实时监测机房环境湿度，根据机房要求判断加湿或除湿,3.6 分布式系统,数据中心能效评价指标及节能途径,温度控制,采用分离式热管解决机房显热排放问题，将蒸发端直接安装在机柜内部，就近排走机柜发热量，通过流量调节，可达到按需分配，适应机房发热不均一的特点。,系统特点,热管排热能力高，可适用于高发热密度机柜；提高送风温度，保证机房不发生结露现象；减少甚至杜绝气流掺混现象，缩短机房排热流程；可有效利用自然冷源，降低机房能耗。,3.6 分布式系统,数据中心能效评价指标及节能途径,多级式：,采用多级热管，可进一步提高冷源温度,串联式大温差冷水系统：,夏季冷机冬季自然冷源过渡季联动,3.6 分布式系统,数据中心能效评价指标及节能途径,湿度控制,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,4.1案例一：XX局信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,项目概况：,机房位于北京市，属于A级机房。机房所处大楼共5层，机房位于大楼1层，机房面积约138。IT设备即时输入功率约为30kW，机柜数量29个，单机柜功率约1kW。机房室内设定温度为23，共配置2台Liebert风冷型精密空调，单台空调的额定制冷量为45.3kW，采用地板送风、下送上回的气流组织方式。原机房空调日均用电量为463度，约占机房总日均耗电量的43%。通过机房空调系统节能改造，降低机房空调系统耗电量。,4.1案例一：XX局信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,改造方案：全风冷热管系统,机房单机柜发热密度较低，机房IT设备总发热量较低，节能改造室内设备采用全风冷的机房用热管立柜机。配置机房热管立柜机3套，排热量30kW。监控系统：控制器带通信。机房总用电、空调用电分项计量。,使用效果：平均每天节约用电296度，减少空调用电63%.,4.1案例一：XX局信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,机房平面布置图,4.2案例二：XX部委信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,项目概况：,机房位于北京市，属于B级屏蔽机房。机房所处大楼共7层，机房位于大楼1层，机房面积约200。IT设备即时输入功率约为80kW，机柜数量63个，单机柜功率约1.3kW，机柜呈9排分布。机房室内设定温度为23，共配置4台风冷型精密空调，单台空调的额定制冷量为80kW，采用地板送风、下送上回的气流组织方式。机柜单向布置，未使用冷热通道布局，前排机柜排出的热风与下一排机柜的进风掺混，提高了下一排机柜的进风温度，不利于机柜的冷却。,4.2案例二：XX部委信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,改造方案：热管立柜机+冷却塔,机房单机柜发热密度较低，节能改造采用机房用热管立柜机。机房所处地区的自然冷源丰富，室外设备采用冷却塔加中间换热器（DCU）的形式。热管系统详细配置如下：室内设备：8台机房用热管排热装置，排热量为96kW室外设备：冷却塔+DCU监控系统：1套；机房用电、空调用电分项计量。,使用效果：消除局部热点；平均每天节约用电414度，减少空调用电50%.,4.2案例二：XX部委信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,4.2案例二：XX部委信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,温度区间：2130,温度区间：1622,4.2案例二：XX部委信息机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,监控界面,4.3案例三：清华大学图书馆数据机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,项目概况：,机房位于北京地区，属于B级机房。机房所处大楼共2层，机房位于大楼1层，机房面积约130。IT设备输入功率约为5060kW，机柜数量共41个。机房室内设定温度为23，机房空调选型过大、各空调机组缺乏统一控制、空调送回风掺混，导致空调设备能耗偏高；气流组织不合理，存在机柜排风通道局部热点。,4.3案例三：清华大学图书馆数据机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,改造方案：热管机柜+热管背板+冷却塔+高温冷机,机房单机柜发热密度较低，考虑到将来机柜增容，节能改造室内设备采用热管机柜、背板形式，对柜内IT设备就地、按需供冷。室外设备采用冷却塔、冷水机、DCU的形式。热管系统详细配置如下：室内机：27个热管制冷一体式机柜、8个热管制冷背板室外设备：冷却塔+冷水机监控系统：1套；机房用电、空调用电分项计量。,使用效果：规范气流组织，消除局部热点；改造后机房PUE由1.63下降至1.4；节能率50%.,4.3案例三：清华大学图书馆数据机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,原有空调：气流组织掺混严重改建空调：重新组织气流组织，利用自然冷源,特点：热管型机柜进出风温度与机房室内温度一致将换热过程封闭在机柜内部，对室内环境没有影响,4.3案例三：清华大学图书馆数据机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,原有空调系统,改造后空调系统,4.1案例三：清华大学图书馆数据机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,原有空调系统,改造后空调系统（相似气候条件）,4.3案例三：清华大学图书馆数据机房节能改造,4.3案例三：清华大学图书馆数据机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,室内设备,室外设备,4.4案例四：重庆移动IDC12机房机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,项目概况：,机房位于西南地区，属于A类机房。机房所处大楼共14层，机房位于大楼12层，机房面积约460。IT设备即时输入功率约为162.8kW。机房室内设定温度为23，精密空调总额定制冷量为210kW，空调设备即时输入功率79.2kW，不考虑设备增容，机房全年用电量约200万度，采用上部正面送风的气流组织形式，无风道设计。夏季机房空调高压报警频发，表明机房空调制冷量在夏季严重不足。机房放置大量发热密度较高的IT设备，局部热点问题严重。,4.4案例四：重庆移动IDC12机房机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,改造方案：热管机组+冷却塔+冷机,机房空调采用上部正面送风的气流组织形式，机房空调安装位置距机房最远端距离为19米，导致机房最远端区域局部热点问题严重。采用机房用热管排热机组。机房所处的西南地区自然冷源有限，因此室外设备采用冷却塔、冷水机、中间换热器的形式。热管系统详细配置如下：室内设备：13台 机房用热管排热机组，排热量为138kW。,使用效果：消除局部热点；平均每天节约用电483度/天。,4.4案例四：重庆移动IDC12机房机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,4.4案例四：重庆移动IDC12机房机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,吊顶机,立柜机,4.5案例五：山西移动计费机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,项目概况：,机房位于山西省。机房位于大楼2层，机房面积约550。IT设备输入功率约为350kW。机房室内设定温度为23，机房空调设备为：8台上送风精密空调。机房局部热点现象较为突出，尤其是小型机机柜附近。局部热点区域的设备散热效果较差。机房内在局部热点区域增加了大功率的轴流风机，增加该区域的气流循环量，仍不能解决局部热点的问题。,4.5案例五：山西移动计费机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,改造方案：热管背板+自然冷源模块+冷机,为机房内局部热点较严重的机柜加装SIS热管背板，实现机柜按需供冷。系统组成：室内部分包括：SIS热管背板及热管工质循环管路系统。室外部分包括：SIS自然冷却风冷模块、风冷冷水机组（水系统）。系统运行模式：炎热时段，风冷冷水机组供冷；其它时段：风冷冷水机组+风冷模块供冷。,使用效果：消除局部热点，机房空调整体能耗降低20%，79月份平均节约用电2.3万度/月。,4.5案例五：山西移动计费机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,4.5案例五：山西移动计费机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,室内设备,室外设备,机柜,进风23,出风23,热管背板,4.5案例五：山西移动计费机房节能改造,数据中心节能技术应用案例,4.6案例六：中国移动国际信息港,数据中心节能技术应用案例,二、方案设计-分布式热管排热机柜,主要组成设备为：热管排热机柜+DCU+冷冻水,4.6案例六：中国移动国际信息港,数据中心节能技术应用案例,二、方案设计-分布式热管排热机柜,机房设备平面布置图,4.6案例六：中国移动国际信息港,数据中心节能技术应用案例,五、项目照片,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,5.1 结论,结论与展望,数据中心的冷却系统存在巨大的节能空间节能的核心是减少传热温差，利用自然冷源尽可能避免各种不同温度的气流掺混对机柜或服务器冷却，而不是对机房进行冷却采用温湿度独立控制技术合理选择自然冷源，并充分利用减少输送系统耗能，尤其是风机电耗充分采用各项技术措施，可以使机房空调节能70%以上，使机房用整体降低30%以上,5.2 展望十三五研究方向,结论与展望,谢谢,