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数据中心基础设施规划设计与节能效益研究

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：郝龙虎

[导读] 摘要：数据中心基础设施规划设计与节能效益关系到数据中心的发展，虽然现代数据中心应用了各项先进的技术，但依然存在着一些问题。

        上海卓运信息工程有限公司
        摘要：数据中心基础设施规划设计与节能效益关系到数据中心的发展，虽然现代数据中心应用了各项先进的技术，但依然存在着一些问题。本文通过对数据中心基础设施规划设计与节能效益进行研究，阐述了数据中心基础设施规划设计，并结合实际案例，研究了数据中心的节能效益，希望为相关行业提供借鉴。
        关键词：数据中心；基础设施；节能效益
        引言：数据中心经过多个年代的发展，已经逐渐趋于完善，尤其是信息化技术的使用，增加了数据中心的建设效率。目前，我国对于数据中心的发展十分重视，其地位已经于能源和交通基础设施等同。为了响应绿色可持续发展理念的要求，应采用合理的节能策略，提高数据中心的节能水平。因此，对数据中心基础设施规划设计与节能效益进行研究，其意义十分重大。
        一、数据中心基础设施规划设计
        在数据中心基础设施建设中，规划设计的作用至关重要，能够为数据中心的建设提供指导，如果规划设计出现问题，则会对数据中心的建设质量造成影响。
        （一）数据中心基础设施构造
        数据中心基础设施由以下部分构成：（1）空调系统；（2）消防系统；（3）防雷接地系统；（4）电气系统；（5）监控系统；（6）布线系统；（7）安防系统，这些部分组合到一起，就构成了数据中心的基础设施。上述七个组成系统，同样由多个部分组成，比如：空调系统由空气处理设备以及水处理系统等组成；监控系统由摄像头、信号传输设备等组成。简言之，数据中心基础设施含括七大系统以及众多的小系统，故规划难度较大，极容易出现问题。
        （二）数据中心基础设施概述
        1.做好前期的调研工作
        在进行数据中心基础设施规划之前，工作人员应该通过查阅资料和调查的方式，了解国内外优秀数据中心基础设施的规划方式，并对各个设备的特性进行掌握。
        2.总结与评估
        综合评估数据中心的资产，主要包括机房用地、计算机设备、设备性能和设备使用寿命。
        3.制定计划
        根据数据中心发展的实际情况，参照国内外的技术标准，通过有效方式的使用，制定规划方案，并对规划方案的可行性进行分析，只有这样，才能够保证规划方案的落实效果。
        （三）设计流程
        在设计数据中心基础设施的准备阶段，应该对建设实施方针予以明确。主要方针包括以下几点：（1）数据中心基础设施设计规划目标；（2）数据中心设计规划标准；（3）服务对象，在掌握上述方针后，方能着手进行数据中心的设计规划。但在设计过程中，设计人员应谨记设计与规划方面存在的差异，设计与规划相比，目标较为明确和细节，而规划只是一个大致的范围，具有笼统的特点。数据中心基础设施设计流程主要包括以下几个步骤：第一，依据计算设备的使用，对机房占地面积进行准确的计算；第二，根据机房面积，计算设备机房所需的风量和冷负荷量；第三，合理选择制冷方式，通常情况下，选择水冷和风冷方式即可。究其原因，主要是这种的设计方式较为简单，只需要进行细微的改动，即可与设计思路相匹配。此外，在设计过程中，必须要考虑数据中心基础设施的运行稳定性[1]。
        二、数据中心基础设施节能效益研究
        （一）数据中心基础设施节能案例分析
        1.节能案例
        最早应用机架冷却方案的数据中心是位于美国科罗拉多州的Broomfield数据中心，该数据中心为节省电力能源和空间资源，应用了机架冷却系统、节能冷水机组和飞轮UPS。节省空间资源具体表现为公司将位于德克萨斯州数据中心的机房转移至该机房，仅占地11700㎡，而该机房在原有数据中心的占地面积却高达46000㎡，在转移之后，每年节省的电力资源可达1200万KW•h，产生的节能效益高达100万美元。
        现阶段，科学技术的使用，使芯片组的工作性能显著增强，但与此同时，也导致机房热密度日益上升。如果冷却技术原地踏步，那么出于工作稳定性的考虑，机房中的冷却设备会越来越多，机房空间会被大量的冷却设备所占据。而Broomfield数据中心对空调系统进行了优化设计，其所采用的空调系统为高热密度空调系统，这个空调系统对机房局部热点进行了着重考虑，故不会使用地板空间，且局部风循环效果极佳，能够抵御30KW的机柜发热量。与传统机房空调系统相比，Broomfield数据中心的空调系统无疑更加先进，通过模块化空调系统的使用，使机房热点问题得到了解决，并且这种空调系统还具有可拓展性，即使机房设备增加或机房面积扩大，也无需进行过多的改动[2]。

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        2.节能分析
        上述数据中心节能效益具体表现在以下方面：
        （1）建筑成本。传统的机房冷却模式对架空地板的使用十分重视，在机房中，架空地板具有非常重要的作用，为各种线路和冷却设备提供了空间，而Broomfield数据中心在设计和规划过程中，对传统机房冷却模式进行了改进，传统机房冷却模式中的架空地板被石板所取代，节省了架空地板所占据的空间。与此同时，还降低了机房对保温的要求，故Broomfield数据中心使用透明塑料板替代了传统的玻璃隔断，通过上述两种措施的应用，使数据中心的建设成本减少了400万美元。
        （2）电力成本。Broomfield数据中心改变了传统的冷却方式，实现了自然冷却方式、机架式冷却方式和节能型冷水机组的有效结合，通过这种节能措施的使用，使电力成本大大降低。数据中心的管理者表示，在应用这种冷却方式后，每年可以节省1200万KW•h的电力资源。
        （3）能源成本。Broomfield数据中心对蓄电池中的UPS进行了更换，使用更加先进的飞轮UPS，不仅使蓄电池组的购置成本减少，还降低了维护难度和污染。此外，飞轮UPS的使用，延长了自然冷却方式的使用时间，Broomfield数据中心自然冷却方式的年使用时间可达100天以上。
        （4）空间成本。Broomfield数据中心采用的冷却方式为机架式冷却，故省去了放置空调的空间，再加上飞轮UPS的使用，扩大了空间节省面积。
        （二）数据中心基础设施节能建议
        如何在保证数据中心运行效果的同时，节省能源，增加效益已经成为相关产业关注的重点，本文结合相关经验，提出了以下几点建议：
        1.削弱自然环境的影响
        （1）合理利用自然资源。数据中心在建设过程中，尽可能的使用节能环保型材料、可再生材料、电磁辐射和有害物质少的材料，同时，在设计过程中，还要对可再生资源的利用进行考虑，通过合理的设计，充分发挥太阳能、风能等可再生资源的应用价值，以节省电力能源，增强数据中心节能效益。
        （2）注重资源的节约。正所谓开源节流，数据中心在建设过程中，不仅要重视开源，还要注重节流，在建设和运行过程中，必须要节省各项资源，主要包括电力资源、空间资源等[3]。
        2.使数据中心基础设施的能效增强
        （1）照明设备能效。数据中心照明系统应该采用节能效果好，且工作性能稳定的灯具设备，同时，还要做好附件的配置，并在此基础上，完善节能照明系统，目前，最为常用的节能照明系统为声控系统，建议数据中心使用。
        （2）选用性能好的UPS。UPS是蓄电池组的重要组成部分，其性能好坏，关系到蓄电池组的运行质量，为了提高精度和控制质量，抑制谐波电流，调校功率因数，在蓄电池组中应用了UPS，但目前数据中心所使用的UPS都存在能耗过大的情况，基于此，笔者建议数据中心可以选择飞轮UPS，究其原因，主要是该UPS不仅性能显著，能够使自然冷却的使用时间延长，并且有助于增加数据中心的节能效益。
        （3）使芯片组能耗下降。数据中心在选择芯片组时，尽量选择一些耗能低，且经过热优化的多线程处理器，作为芯片组，在确保芯片组性能的同时，使芯片组密度进一步上升，从而降低芯片组的占地空间和热量。
        （4）对空调系统进行设计。设计数据中心的空调系统，是增强数据中心节能效益的重要途径，通过节能设计，可以使空调在性能不变的基础上，降低电力能源的使用量。其设计流程包括以下步骤：第一，根据空调规格、型号以及参数，做好冷热通道的选择，使气流顺畅性得到提升，在提升空调运行效率的同时，使其电能损耗进一步下降；第二，做好机房墙体的保温工作；第三，提升照明系统的自动化和智能化水平，从而减少电能的损耗和冷气损失；第四，对气流流向进行判断，在此基础上，增强机房气流的顺畅性。
        3.应用环境设备监控软件，增强数据中心的节能效益
        环境设备监控软件能够对数据中心各个组成部分进行监控，在发现异常后，会通过报警的方式向工作人员反馈异常信息，同时还具有计量控制、趋势分析和实时监控等方面的功能，可以实现对各个设备间工作的有效协调，最终使数据中心节能效益增加。
        结论：综上所述，本文研究的主要内容为数据中心基础设施规划设计与节能效益。认为数据中心基础设施规划应做好前期调研工作，然后进行总结和评估，最后按照设计流程，设计和规划数据中心的基础设施。出于节能效益方面的考虑，还结合Broomfield数据中心的节能案例，提出了合理运用自然资源，优化空调系统，应用监控软件等节能建议，以促进国内数据中心的建设和发展。
        参考文献：
        [1]李锐.论数据中心之基础设施的规划设计与节能效益[J].信息技术与信息化,2016(05):48-49.
        [2]唐为民,王澄,王蓓蓓.大型数据中心基础设施规划的思考与体会[J].通信电源技术,2015,30(01):39-41.
        [3]王晶.数据中心基础设施规划设计与节能效益分析[J].电气应用,2015,29(18):22-27.