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基于MDC+构建绿色节能的全模块化数据中心
  • 随着数据中心产业的快速发展,能耗问题成为关注焦点。本文旨在探讨基于模块化数据中心(ModuleDataCenter,MDC)构建的新一代可移动的产品化数据中心,并提出多项绿色节能的创新技术,包含IT与配套(基础设施、工程)模块化产品设计、直接/间接多模式自然冷却技术、新能源与不间断电源并网结合市电直供配电技术以及远程可视化智能机房监控技术,通过多项节能技术落地可望实现全局PUE在1.1以下,提高能效30%以上。

    随着大数据应用、云计算、物联网等新兴产业的快速崛起,促使中国数据中心产业规模不断扩大。近五年中国数据中心市场以平均每年30%的增长率成为IT行业最热门的投资途径。我国数据中心经历了从楼宇式、仓储式到模块化的发展阶段,产业快速发展过程中同时面临着建设周期长、能耗高、运维困难等瓶颈问题,其最核心的诉求是绿色节能。本文旨在探讨基于现有的微模块产品,通过多模自然冷却、光伏发电、智能化、大数据等手段,构建新一代的全模块化数据中心。
      
      1 基础设施与工程配套模块化
      
      目前业界常用的微模块数据中心主要应用于室内场景,主要是由末端的IT设备、列间空调、高压直流、模块化UPS、冷通道等构成微模块产品;集装箱型数据中心主要应用于室外场景,主要有IT箱、配电箱、冷机箱、柴发箱、办公箱等。前者实现了大规模部署,但只用于IDC的末端设备,且缺乏移动性。后者移动方便、搭建灵活,但规模有限,将这两者结合起来可以实现更快速灵活的方式构建大型数据中心。数据中心的主要模块如IT、基础设施配套(电力、空调、弱电等)、工程配套(建筑、办公室等)按照最佳模型及建设方法论制定标准接口进行产品化,以集装箱产品形式为载体在工厂内提前预制,通过公路货运可以快速移动到项目现场,并且可灵活拆卸、搭建、移动到其他场地重复利用。在项目现场,基础设施和工程配套如堆积木一样的灵活建设和部署模式,大幅度降低现场施工周期和工程建设成本,实现数据中心工程建设绿色化。
      
      另外,建筑建构非常简单,因此机楼主体建筑的建设时间也可以大大缩短,特别是采用了架式大开间结构,以及整体墙板拼接模式,机房框架的建设时间非常短,大开间结构和墙板拼接模式不但建设进度快,而且建筑材料可回收利用更为绿色环保,此外也便于大型设备搬迁进出机房区域等,更为适合大型数据中心建设模式。由于机房建筑结构非常简单,且大型机电设备大多外置,因此数据中心内的空间利用率很高,可以把很大部分的地板空间用于摆放IT机柜,因此每机柜容积比很低,大大提升了机房内的空间利用率。表1是国内外部分数据中心的机房空间利用率对比数据。
      
      2 直接/间接多模式自然制冷
      
      在气候条件允许的地区,当室外温度低于室内时,常用的推荐方式为采用直接新风自然冷却,该方案初期投资低、系统简单,对自然条件好的地区节能效果明显。但新风直接进入机房,温度和湿度都难以控制,导致大量的冷凝水和加湿能耗过大、除尘效果差、无法除硫化物和磷化物等化学污染物等问题。
      
      为解决上述问题,可引入间接风风换热自然冷却方案,间接自然冷却是采用一个空气-空气换热器,使室外低温空气通过换热器传递给室内高温空气,避免外部新风直接进入机房造成污染。与此同时,空气-空气换热效率减低,换热设备尺寸较大节能受到影响。为了进一步提高节能性,可采用间接蒸发和自然蒸发结合直接新风自然冷却、风风换热自然冷却、机械制冷多种功能,在不同场景灵活选择工作模式。
      
      (1)直接新风自然冷却模式
      
      在冬季室外温度低且空气质量好的情况下,可将室外新风与室内热空气进行混合过滤后送入机房,可最大程度地降低空调能耗。
      
      (2)间接风风换热自然冷却模式
      
      在冬季室外温度低的情况下,为避免直接新风造成的空气质量问题,在热交换器中机房回风热空气和室外冷空气进行热交换。
      
      (3)间接蒸发自然冷却模式
      
      在春秋季室外温度较低的情况下,因室外空气温度不够低,需要通过高压微雾喷淋进行绝热蒸发制冷的方式来补充制冷量。
      
      (4)间接蒸发自然冷却+机械冷却模式
      
      在夏季室外温度高的情况下,通过高压微雾喷淋进行绝热蒸发制冷来补充制冷,如经过换热器冷却后的室内空气温度仍然未到达送风温度要求,还需要补充机械制冷。
      
      引入间接蒸发制冷方案无压缩机运行模式,利用水分蒸发吸热原理,进行空气与空气的热量交换,带走机房热量,能效比EER最高可达16.0,是机械压缩制冷空调的5倍,相比于常规冷水机组制冷的节能率,全年节能率>50%。采用间接蒸发制冷方案结合直接新风、风风换热、机械制冷功能,在不同场景灵活选择工作模式,提升整体机房能源使用效率。
      
      3 新能源与不间断电源并网结合市电直供配电
      
      数据中心一直是耗能大户,因此众多科技巨头都在新能源引入与应用技术上尝试创新。在光照充足的城市,太阳能是最可广泛采用的绿色新能源。太阳能光伏发电系统由多晶硅组件组成,为了节省安装场地,可以安装在模块化数据中心顶部,组件全部横向布置,另外支架具有角度可调和间距可调的功能,整体支架简便,安装快速。效果展示如图1所示。
      
      光伏发电受日照影响存在供电不稳定性,数据中心配电可以同时结合不间断电源、市电并网方式采用多路冗余方案实现昼夜间灵活切换持续保障。根据不同应用场景可灵活选择多种工作模式:
      
      ①模式一:服务器电源按主备定制,市电直供、光伏与不间断电源(UPS)并网后两路电源一主一备;
      
      ②模式二:服务器电源不分主备,光伏与UPS并网与市电直供两路各承担一半负载;
      
      ③模式三:服务器电源按主备定制,光伏与市电并网后与UPS两路电源一主一备;
      
      ④模式四:服务器电源不分主备,光伏与市电并网后与UPS两路各承担一半负载。
      
      因高压直流电源(HVDC)相比交流UPS可靠性与效率更高,优选不间断电源采用HVDC方案。综合考虑配电系统节能与可靠性,推荐模式一配电方案如图2所示。
      
      该方案配电逻辑为:市电输入通过整流器,HVDC输出270Vdc,光伏板输入通过DC/DC输出270Vdc,2个直流输出合路为1路,通过监控模块控制,使交流PDU处于热备份状态。合路后的
      
      输出给机柜供电。白天,光伏板提供100%供电,并为电池充电,交流PDU作0%后备;夜间,HVDC为机柜提供100%供电,并为电池充电,交流PDU作0%后备;当光伏板和HVDC同时故障或检修时,交流PDU作100%供电。为充分利用光伏电能,光伏系统峰瓦值要求与负载峰值一致。
      
      引入绿色能源光伏发电,采用光伏新能源与高压直流的直流并网结合市电直供主备供电的创新方案,可以在确保系统可靠性基础上大幅度降低配电能耗。
      
      4 远程可视化智能监控
      
      数据中心重建设轻运维是大部分项目的弊病。运维在数据中心长时间运行生命周期对系统节能、可靠性都起着至关重要的作用。为了减少人为操作误差,去手工化和去纸张化,可采用远程智能化监控方案,实现如下功能:
      
      ①全方位管理:采用开放式集成架构,提供北向接口与业务对接,实现全方位环境、动力、安防
      
      监控。同时具备资产U位监控功能,在设备完成搬迁、移动、裁撤操作后,能将机位信息及时自动将信息同步至后台数据库。
      
      ②3D可视化监控:引入3D引擎技术,通过3D视图动态展示环境、动力、温湿度动态流场、安防信息,实时展示各个设备状态。
      
      ③PUE监测与优化:根据采集数据进行能效分析和优化,提高运维效率,降低Opex。
      
      ④全自动远程管理:对于机房告警和故障能通过自动化流程进行及时处理,可实现远程监控,减少现场运维人员。
      
      5 结束语
      
      绿色节能始终是引领IDC变革的主旋律和灵魂。在现有的微模块化数据中心基础上,本文提出了基于MDC+构建绿色节能的新一代模块化数据中心的解决方案,提出多项提高能效的创新技术。通过IT与配套(基础设施、工程)模块化产品设计、直接/间接多模式自然冷却制冷技术、能源与不间断电源并网结合市电直供配电技术以及远程可视化智能机房监控技术可望实现全局PUE在1.1以下,相比当前数据中心节能30%以上,为新一代模块化数据中心建设提供良好的参考借鉴作用。
      
      参考文献
      
      [1][美]LuizAndréBarroso,[美]JimmyClidaras,[瑞士]UrsHlzle,数据中心设计与运营实战.
      
      [2]李典林,谷歌数据中心揭秘.
      
      [3]GB50174-2008电子信息系统机房设计规范.
      
      [4]TIA-942数据中心电信基础设施标准.
      
      [5]胡先红.信息设备供电系统发展趋势[J].中兴通讯技术,2016,22(1):42-45.
      
      作者简介
      
      陈沛,中兴通讯股份有限公司IDC产品总工,负责微模块、集装箱、DCIM产品的规划和架构设计,长期从事SDP平台、云计算技术、新能源等领域的研究。
      
      编辑:Harris
      
     

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