1、优化计算中心机房的送风方式与节能 主讲人 丁 涛 2009.1,目录,一.简述: 二、送风方式对能耗的影响a.下送风方式优于其它送风方式 b、对上送风机房的送风改造措施： c.下送风的两种形式:架内循环与架外循环 d. 小结 e、小型机的送风方式 三.气流组织要适应高功率密度机架 a.低功率密度(小于4KW/架),下送风架内循环:效率高已采用 b.中功率密度下送风+活化地板: 己有部分机房在试用 c.高功率密度(大于12KW/架)下送风全封闭循环:加吊顶修改规范 四.专用空调与普通空调对能耗的影响 五.计算中心机房的节能管理,一.简述:,不能因为计算中心占地面积大,能耗大就可以大手大脚,不计成
2、本.其实计算中心挖潜的余地很大,优化计算中心机房的送风方式就是一个很好的例证!,几年前，我们对全国几个具代表性的大型IDC机房进行调研，（同室外环境温度3538的状态下）：,二、送风方式对能耗的影响 a.下送风方式优于其它送风方式,温度梯度的图解模型：,根据数学模型，我们建立温度梯度的图解模型，机房不同高度的温度梯度可模拟为下图（下送上回方式见图a；上送下回方式见图b）。,温度梯度图形解析 由下图中最右的温度梯度图形可知，在同一个机房的相同环境下，两种送风方式在机房空间的温度梯度存在明显差异，其差值可由下图表示为：,下送风方式是计算中心机房最佳的气流组织方式。它使温度在机房工作区整个高度上的阶
3、跃值小于上送风的方式，因为它阻止了设备放出的热量再返回到机房工作区，提高了制冷效率，节约了能耗。,b、对上送风机房的送风改造措施： 上海电信某上送风IDC机房，其通信设备发热量与空调机冷量数据如下：,由于IDC机房热量大，上送风空调冷风吹不远，往往在机架走道1/2-2/3距离内有效果，其余地方是热浪滚滚。为此，我们采取计算摸拟的方式来确定介决方案：,机房现状,原空调对面加装空调方案,机架走道上部加装风机方案,我们采取加装接力风机的方式，见下图。机房经过两个夏季的考验，效果良好。,机算中心上送风机房另一种改造方法:管道上送风方式(节电20%以上),c.下送风的两种形式: (1). IDC机架工艺
4、(冷风架内循环),IDC标准机架工艺,(2) IDC机架工艺(冷风架外循环),冷风架外循环理想状态:,架外冷风循环不理想状态:,两种气流组织方式比较 机架内 机架外,1.风阻 小 大2.先冷却机架内 是 否3.先冷却环境 否 是4.影响机架上部冷却 否 是,机架实测:,某数据中心 单个机架发热量：2.8kW 送风方式：下送风上走线实际测试： 送风平均温度为18，机架出 风温度为30,d. 小结:,采用冷风架内循环(小于4KW/架)时: *假地板高度0.5米,机架顶应加装强制风 冷电机. 假地板高度0.5米,功耗2KW/架左右可不加装强制风冷电机. *假地板高度大于1米时,机架可自然冷却. 在冷
5、量足够时,要确保冷风路由不短路, 不紊流,这才是空调节能的保证!,e、小型机的送风方式：,小型机是IDC机房中集成度更高的一种网络运行设备，因其密度高，其发热量和耗电量都比传统的U位式叠装的服务器要大，采用下送风的方式，实际的冷却效果要优于其它方式，可以通过下图所示的气流走向分析：,三.气流组织要适应高功率密度机架,1、约束气流和自由气流 气流的流动有2种基本形式，一种是约束流，即在有限空间内被强制按照人为规定的路径流动，例如风管内的气流, 机架内的风道；另一种是自由气流，例如上送风系统中的射流。在计算中心机房中，约束流的计算方便，气流利用率高（不容易形成呆滞区），在冷却设备时应首先考虑此种方
6、式。自由气流对环境冷却中可以应用，由于其有较好的弥漫性，对控制环境有很好的作用。,2、气流短路和送风扩散 气流短路主要是存在短路路径，例如空调出风口和回风口太近且无物理阻隔，就会造成空调气流短路，又如在机架中，进风的前腔和排风的后腔的水平空间中没有隔板，也会造成冷气不经过服务器而直接短路到排风。气流短路还可能发生在前后没有良好隔绝的服务器进风和排风口。短路的气流是有害的，没有按照规定的路径带走热量，只是空循环。,在实践中，我们对送风扩散做过测试，选择前面板开孔的机架，测量进风速度、排风速度和机架内参考点温度，然后将面板封闭，在其他工况完全的情况下，数据有明显差异。,上表说明, 在面板开孔情况下
7、, 由于送风无效扩散, 风速大风量大能耗增大,而冷却效果下降,3.机架现状,一个刀片是一个卡式服务器,上面装有处理,记忆单元,硬盘,整合的以太网 NICs,可选的光纤HBAs通道，硬件方案管理及其他 I/O 技术。,kW/m2 kW/Rack,IBM Each BladeCenter chassis occupies “7U” 每個刀片机箱占“7U” Max 6 BladeCenters in standard “42U” rack 每個机架可裝6個机箱共“42U”Max heat output per BladeCenter: 4kW 每個机箱最大發熱量4KWMax heat output
8、per rack: 24kW 每個机架最大發熱量24KWNominal cooling airflow: 6 x 850 = 5100 m3/h 額定散熱風量 6 x 850 = 5100 m3/h,Dell 10 PowerEdge 1855 Blades occupy “7U” 10 個PowerEdge 1855刀片 占“7U”Max 60 PowerEdge 1855 Blades in standard “42U” rack 每個机架可裝60個PowerEdge 1855刀片共“42U”Max heat output per 10 Blades: 4.17kW 10個刀片最大發熱量4
9、.17KW Max heat output per rack: 25kW 每個机架最大發熱量: 25KWNominal cooling airflow: 6 x 680 = 4080 m3/h 額定散熱風量： 6 x 680 = 4080 m3/h,刀片服务器是插入一个供应共用框架，如电源，制冷，服务器管理，KVM开关的机箱 每个机箱是7U,每个机架是42U,也就是每个机架可装6个机箱,目前刀片服务器在数据中心一般都分散装在几个机架上 重量也是问题-满载机架大约可达到900公斤 由于在同一个机架上的刀片服务器不可能同时满载，实际上的热负荷小于估计值(IBM和Siemens只为他们的设备提供最大
10、15KW的制冷量),4.对策:,a.低功率密度(小于4KW/架) 下送风架内循环 效率高已采用b.中功率密度 下送风+活化地板 己有部分机房在试用c.高功率密度(大于12KW/架) 下送风+冷池+活化地板+吊顶(风管).修改目前规范,a.低功率密度(小于4KW/架) 下送风架内循环: 效率高已采用,b.中功率密度 下送风+活化地板: 己有部分机房在试用,High Efficient fan (E.C.) 高效率風機（EC)Local Microprocessor with server - temperatures control (suction or discharge) 微處理控制器對服
11、務器溫度（出風或回風處）的控制Adjustable fins for air flow optimisation (2 sections) 出風風量可調（2個區域）Modular size (600x600) 模塊化(600X600)Compatibility with an access raised floor 和高架地板兼容 Automatic Air flow modulation according the real load of the server.- 根据服務器的實際熱負荷自動調節風量,可達15 kW/机架,活化地板的解決方案,1. Floor grille地板格栅 2A.
12、Adjustable vanes Zone A可调叶片-A区 2B Adjustable vanes Zone B可调叶片-B区 Fixing brackets固定支架 EC风机,Active floor,Suction air grille吸入空气格栅 Electrical panel电子板 Microprocessor control微机控制 Temperature sensor. Zone A 温度传感器 -A区 Temperature sensor Zone B 温度传感器 -B区,Horizontal flow水平流动,Patent pending,刀片服务器,CCAC down f
13、low,Blade Server Rack,实例,活化地板系統: EC 風機,由独特的控制軟件控制,10kW / Rack,整合系統,EC 風機 由独特的 控制軟件 控制,Active Floor System 活化地板系統,Hot aisle,Hot aisle,Cold Air,Blade Server Rack,Blade Server Rack,A,B1,B2,A,A=B1+B2,c.高功率密度(大于12KW/架) 下送风+冷池+活化地板+吊顶(风管). 修改目前规范,Oracle Austin Data Center 130,000 sq ft building Total data
14、 floor sq ft 82,000约8000平方米 Redundant medium voltage (12.47 kV) utility feeds UPS capacity 7.8 MW parallel redundant (15.6 MW total).约800KWUPS20台 Generator capacity is 14 MW (N+1)约10台1400KW油机 Electrical system is designed to have multiple diverse paths and cross over paths from utility to PDUs and s
15、ervers Chiller capacity is 3600 tons (N+1)约30台3万多大卡专用空调 22,500 operational servers 4.5 petabytes (4,500 terabytes) of disk storage 355 servers on average installed each month,多种对策在一个机房的应用:,皿,四.专用空调与普通空调对能耗的影响,计算中心机房显热量大:专用空调显热比为0.95压缩机能效比3.3普通空调显热比为0.65压缩机能效比2.9以CM20A专用空调为例:总冷量19.1KW则显冷量18.2KW;普通空调要
16、产生18.2KW的显冷量 则:18.2KW/0.65=28KW两种空调的年耗电计算:,专用空调 (19.1/3.3)*24*365=50702KWH普通空调: (28/2.9)*24*365=84579KWH普通空调比专用空调年耗电量大:84579/50702=1.67倍.,五.计算中心机房的节能管理,(1)节能减排工作的理念: a.计算中心是耗电大户,一定要有节能意识。 b.一切服从于安全供电，不断提高供电系统的可用性永远是第一位的，安全供电是最大的节能,不能牺牲设备的使用寿命。 c.节能数量不能是无限的，大多数节能是节约原来多消耗的那一部分。 d节能在短期内还需要一定的投入。 e节能不能增
17、加维护工作量。,(2)节能管理的三种模式,A.减少能耗（节约）型节能；限制用能： “人走灯灭” 非高峰时段停开部分电梯；(不影响使用) B.设备改善（更新）型节能； 用新的高能效的设备(如:改造相控) C.运行改善（优化管理）型节能。负荷追踪的动态管理：装置与供电局同步的智能电表(统计用)成本追踪的动态管理：跟踪电费单,(3)能源管理系统,a.能耗计量 ; b.能耗分析; 能耗预测和预算; 能源利用优化;c.目标:落实责任 建立制度完善台帐 合理预算有效管控 加强考核,(4)管理系统组成,管理层：预测分析 成本分析 优化调度 设备仿真 控制层：需量控制 实时监控 数据层：历史数据服务 实时数据服务 设备层：现场通信单元 现场控制单元 数据采集单元,6 成本单耗分析 成本分摊 单耗分析 7 其他能源管理 8 能耗审计（选项） 帐单校核 生成审计报表 9 决策支持（选项） 预测分析 项目改造效果预测 数据综合分析 10 系统维护管理,(5)系统功能:(供参考) 1 实时监控 实时能耗监测 能源质量监测 主要设备运行监控 实时能量平衡 2 设备优化 能耗最优的控制模型 优化控制 3 需量管理 设备分组管理 控制优先级 提前调节预警 线路运行方式自动识别 4 无功管理 5 仿真优化 自动负荷仿真建模 仿真运行 仿真调度,谢谢！,
