深度解析数据中心节能设计
摘要：机房规划与布局应按数据中心建设等级（星级）、业务发展规划、单机架设备功耗、机房条件等因素统筹考虑，合理布局。
1、机房分区
(1)数据中心机房由主功能区及配套功能区组成。
(2)机房主功能区主要包含：客户接待室(区)、客户操作室、监控室、核心设备区、普通客户托管区、vip 客户托管区、客户测试室、大客户休息室，可根据需要设置。
(3)配套功能区主要包含：电池室、ups室、油机室、高压室、变压器室、低压室、钢瓶间等。
2、机房布局规划原则
(1)数据中心机房布局时要整体把握，合理规划，统筹安排，宜按模块化布局，合理设置楼层，适应机房动态扩展。
(2)idc机房主功能区在满足消防、运输、维护方便的前提下，应尽量加大标准层的面积，其机房净高不宜低于3.9m;机房平面应采用较大开间的矩形平面，不应采用不利于设备布置的圆形、三角形等平面;为提高建筑面积的有效利用率，机房内不宜做隔断，形成规整的格局。
(3)变配电、ups机房等宜设置在用电负荷中心，应优化供电路由设计，缩短供电半径，降低线路损耗。
(4)对分散式空调系统，空调室外机平台宜设置在通风良好、避免阳光直射的位置，并邻近idc机房;对于半分散式或集中式空调系统，空调制冷机房宜接近空调负荷中心，预留设备扩展位置，满足机房动态扩展需要。
3、数据中心机房设备布局
机架列间距：热列间距净空不宜小于1.0米，冷列间距净空不宜小于1.2米，具体数值需根据现场设备发热量、活动地板高度、送风方式、设备运送及维护要求等因素计算确定。
机架列长：成行排列的机架，当长度超过6米时，两端应设出口通道;当两个出口通道之间的距离超过15米时，在两个出口通道之间还应增加出口通道，中间出口通道的宽度不宜小于1.0米，局部可为0.8米。
维护间距：
(1)为便于设备运输、检修和日常维护，机架与空调机之间的距离不宜小于1.2米，机架列头配电柜与空调机之间的距离不宜小于1.5米。
(2)用于搬运设备的通道净宽不小于1.5米。当需要在机柜侧面维修测试时，机柜与机柜、机柜与墙之间的距离不宜小于1.2米。
4、it及网络通信系统节能
it及ct设备选型原则
(1)it及ct设备应结合数据中心星级标准按需购置、按需扩容，避免超前使用过高档次与过高配置的设备。
(2)应选择可扩展性强的设备，并根据实际业务需求来确定设备配置。
(3)应选择具有国际/国家/行业节能等级认证的设备。
(4)应选择对工作环境温度、湿度要求宽松的设备。
(5)在同等性能下，在选择设备时应考虑因素包括：散热能力强、体积小、重量轻、噪音低、易于标准机架安装等。
(6)在数据中心同一区域内，同一类it或ct设备必须选择进风与排风方式一致的产品型号，不同类型的it或ct设备宜选择进风与排风方式一致的产品型号。
(7)同一数据中心节点内同一类it或ct设备尽量选取同一厂商的设备，以便于可能采用的虚拟化技术的应用;同一类设备选用的产品型号不宜过多，以便于设备维护与备件管理。
主机设备选型
(1)主机设备宜选择低功耗的多核cpu处理器，具备关闭空闲处理器的功能;宜采用集成低功耗芯片与内存的主板;宜选择小盘面硬盘、固态硬盘或基于闪存的磁盘。
(2)主机设备应具有电源智能管理功能及支持休眠技术，可根据散热需求动态调整风扇转速。设备应根据系统调用要求及负载状态动态调整整个计算系统各组件(cpu、硬盘、外设等)的工作及休眠状态，支持任务队列的同步智能调度。要求设备整体休眠节能效果最低应达到20%.
(3)结合电力节能措施改造，推进高压直流服务器的应用。
(4)宜选择刀片服务器替代传统的机架式服务器。
存储设备选型
(1)应选用支持休眠技术的型号。
(2)应选用性能稳定、具有良好扩展性的设备。
(3)设备应支持分级存储、存储虚拟化和maid技术，合理调配存储资源。
(4)设备应支持虚拟快照、数据压缩、重复数据删除和自动精简配置等节能技术和功能;支持备份与重复数据删除同时执行的在线处理以及备份完成后执行重复数据删除的后处理。
(5)设备应能够支持资产管理功能与存储管理功能。
网络与安全设备选型
(1)网络设备与安全设备在选型时应进行产品绿色评估;产品绿色评估的重点宜放在产品设计、使用和维护几个环节。
(2)产品选型宜进行相关能效测试，测试内容应包括：设备是否可关闭无关功能或去掉可插拔模块、设备是否支持统一的业务配置、统一的工作或转发/处理模式、设备工作在不同转发流量下的能耗指标等。
it及ct设备使用原则
(1)在满足业务安全的情况下，应提高设备性能利用率，节省投入运行的设备数量。
(2)对于主机设备，应精简软件配置;不得安装与业务无关的软件。
(3)应合理配置维护终端和网管服务器等自用设备数量。
(4)应根据数据中心的规模情况合理配置kvm设备。
(5)应统筹考虑数据中心内各类应用的存储需求，并采用相关技术节省存储空间。
(6)在技术成熟的条件下宜适时采用虚拟化技术。
it及ct设备的部署与维护管理要求
(1)应在与用户签订的协议中限定单机架的用电量上限。
(2)用户各设备的安装应满足机房整体布局及冷热分区的要求：用户各整机机架的用电量应与机房相应区域的制冷量相适应，设备的进排风方向应与机房气流组织的要求一致。
(3)用户在进行设备部署时，各机架的用电量应尽量均匀;当用户各机架用电量差别很大且难以调整时，应与机房制冷能力及制冷量的分布相结合统一考虑不同功耗的机架位置。
(4)若用户所租用机架内的设备用电量超过本机房设计的平均机架用电量，则应核算并控制机房内其他未使用机架的出租量，从而确保整个机房设备散热量与制冷量的匹配。
(5)vip机房应根据用户的设备安装方案、各机架用电量等因素单独设计vip机房的基础环境，并与其他普通数据中心机房物理隔离。
(6)同一机架内应尽量部署物理尺寸、用电量及进排风能力接近的设备。
(7)机架应按设计能力饱满使用;若机架无法一次装满，宜从距送风口较近的空间开始安装设备。
(8)上架的设备之间应留有适当空间。在未安装设备的架内空间应安装挡风板，挡风板应能够防止冷热风短路。
(9)机架内的线缆应按需布放、捆扎合理，防止其阻碍气流畅通。
(10)同一机架内，功耗较大的设备宜安装于距送风口较近的位置。
设备日常维护要求
(1)宜通过远程登录或kvm等方式管理，减少人员的出入。
(2)应及时清理设备风扇及机架网孔。
(3)应定期检查架内挡风板的安装使用是否合乎要求。
(4)应定期检查各机架用电量是否在协议签订的范围内。
(5)应随时检查各设备及其架内缆线布放是否符合规范要求。
5、机房专用空调系统节能
空调系统选择原则
(1)新建通信机房空调系统应满足国家节能、环保的相关要求，应在满足机房安全生产的前提下，充分考虑空调系统运行的节能性。
(2)空调系统应根据数据中心机房星级标准、建设规模、建筑条件、机房设备的使用特点、所在地区气象条件等，并结合当地能源结构及其价格政策、环保规定等因素，通过技术经济比较后确定。
(3)大型机房宜采用集中供应冷冻水的空调系统。北方地区采用水冷冷水机组作为冷源时，冬季可利用室外冷却塔及热交换器对空调冷冻水进行降温;空调系统可采用电制冷与自然冷却相结合的方式。
空调设备选型
(1)在选择机房空调制冷设备时，应符合国家现行规范和标准要求的相应能效比指标。
(2)当采用单元式机房专用空调机时，按照《公共建筑节能设计标准》gb50189-2005要求，在名义制冷工况和规定条件下，其能效比不应低于表7-2-1的规定。
表：单元式机房专用空调能效比要求
(3)当采用集中供应冷冻水的机房专用空调机时，按照《公共建筑节能设计标准》gb50189-2005要求，集中制备冷冻水的(电机驱动压缩机的蒸汽压缩循环)冷冻机组，在额定制冷工况和规定条件下，其性能系数不应低表内的规定。
表：集中供应冷冻水机房专用空调能效比要求
空调系统配置原则
(1)机房内所有空调机组的标称制冷量之和，应大于通信设备散热量和围护结构传热、灯具散热、新风等机房总得热量10%～20%。
(2)宜按每4～5台备用1台的方式配置备用空调设备，并保证每个机房至少有1台备用空调设备。
(3)对于高标准(四、五星级)建设的数据中心，宜采用双冷源的集中供应冷冻水的空调系统。
(4)机房设计温度应为10～26℃，相对湿度应为20%～85%.在满足通信设备正常工作要求的前提下，宜提高机房室内温度设定值。
空调系统节能
(1)宜根据当地气象条件，选择直接引入式新风系统、隔离式热交换系统或带自然冷却盘管的机房专用空调设备，利用室外低温空气对机房降温。
(2)直接引入式新风系统宜采用变风量运行方式。夏季在满足需求时，宜减少新风量，降低空调负荷。在过渡季节以及冬季宜提高新风量，减少制冷系统运行时间。
(3)具有可靠、稳定工业余热的地区，宜采用吸收式制冷机，向集中空调系统供冷，降低空调系统电能消耗。
(4)宜根据数据中心机房所在地区的气候特点，在过渡季节以及冬季利用冷却塔向集中式空调系统供冷，减少制冷机运行时间。
(5)集中式空调系统宜采用变频或模块化冷水机组，提高空调系统部分负荷时的制冷效率。
(6)设置集中式空调系统的数据中心机房，宜根据机房所在地的热源状况、供热需求，通过技术经济比较，设置机房余热回收装置，利用机房余热向办公用房提供采暖和生活热水，提高能源的综合利用率。
(7)直接蒸发式机房专用空调系统应满足风冷冷凝器或干冷器散热要求。风冷冷凝器或干冷器的进风方向应保证有不小于0.6米的进风通道，出风方向应保证有不小于4米的出风通道，风冷冷凝器或干冷器之间距离不宜小于1.2米。
(8)直接蒸发式机房专用空调系统应采取措施，改善风冷冷凝器或干冷器散热条件。风冷冷凝器或干冷器宜布置在避免阳光直射的位置或在其上方安装通风遮阳棚。对于室外空气质量较好、水资源丰富的地区，可以采用雾化冷却装置强化风冷冷凝器或干冷器散热。
(9)既有直接蒸发式机房专用空调系统，当不能满足风冷冷凝器或干冷器散热要求时，宜采用风冷直接蒸发式机房专用空调水冷改造系统，或采用集中制备冷却水的水冷直接蒸发式空调系统。
(10)应根据数据中心机房空调系统规模、标准、类型等，确定空调系统监测与控制的内容。
6、气流组织优化
(1)机架应采用面对面、背对背方式布置，使面对面一侧形成冷风通道(冷区)、背对背一侧形成热风通道(热区)。机房冷/热分区后，冷、热通道的间距应根据计算确定。
(2)新建数据中心机房应采用架空地板下送风、上回风、上走线方式。架空地板内不应布放通信线缆，空调管道和线缆不应阻挡空调送风。
(3)应通过计算确定架空地板的净高，确保架空地板下的送风断面风速控制在1.5～2.5米/秒。活动地板高度不宜小于400mm.
(4)特殊情况下，必须采用上送风、下回风方式时，应采用风道送风方式，风道、送风口的尺寸规格应根据通信设备散热量大小计算确定。
(5)当空调送风距离大于15米时，应在机房两侧布置空调室内机，从机房两端送风。
(6)空调送风口的开口面积应根据计算确定，并应能灵活地调整出风量。
(7)当机房局部安装高发热量设备时，应采用防止局部过热的技术措施。
7、供电系统节能技术要求
设备选型
(1)变压器宜采用干式变压器。相同额定容量时，应选用低损耗、低噪声的节能型变压器。
(2)应根据ups工作负荷率，选择转换效率高的产品。
(3)相同额定容量时，应选用高转换效率、具备整流模块休眠技术的直流开关电源，并逐步将高能耗的整流电源替换为高转换效率的高频开关电源。
(4)在确保满足服务器的可靠运行时，应采用高压直流供电技术对服务器供电。
优化供电系统
(1)供电系统应做到接线简单、操作安全、调度灵活、检修方便。
(2)变压器、ups及直流电源等电源设备应尽量深入到负荷中心。合理选择线路路径，降低线路损耗。低压线路供电半径不宜过大，为降低线路损失及满足末端电压质量的要求，一般应控制在100m内，最大不宜超过200m.
(3)应合理计算、选择变压器容量。变压器额定容量应能满足全部用电负荷的需要，不应使变压器长期处于过负载状态下运行。优化变压器的经济运行方式，力求使变压器的实际负荷接近产品设计的最佳负荷，提高变压器的技术经济效益，减少变压器的能耗。
(4)两台变压器组成单母线分段带联络方式运行的低压系统，应考虑其中任一台变压器故障或检修时，另一台变压器的容量能满足保证负荷的需要。变压器的日常保证负荷宜控制在变压器额定容量的45～55%。其他运行方式时，变压器长时运行的负荷率宜为45～55%。
(5)数据中心机房低压交流供电系统应采用tn-s接线方式。
(6)机房配置10kv高压供电冷水机组或油机至低压母线距离较远时，备用发电机组宜采用10kv高压机组，同时将备用电源与市电电源的切换设置在10kv侧，两者之间应装设可靠的电气或机械闭锁装置，防止合环及倒送电。
(7)应根据数据中心负荷等级，合理配置ups系统，提高ups的负荷率。
无功补偿优化
(1)应通过正确选择电动机、变压器的容量以及ups、开关电源等设备，提高系统自然功率因数。
(2)当采用提高自然功率因数措施后，仍达不到电网合理运行要求时，应采用并联电容器装置补偿无功，其容量和分组应根据就地补偿及不发生谐振的原则进行配置。
电容器投切分组容量应避开系统谐振点。配电系统谐振频率由以下公式确定：
其中：fr——配电系统谐振频率(hz);
fn——电网频率，取50(hz);
scc——母线短路容量(mva);
qc——电容器额定容量/补偿功率(mvar);
当母线短路容量不能确定时，也可以采用以下简化公式计算系统的谐振频率：
其中： str——变压器额定功率(kva);
uk——变压器的阻抗(%);
(3)功率因数应满足当地供电部门的要求，当无明确要求时，不宜低于0.9.
(4)电容器的安装容量，应根据系统的自然功率因数计算后确定。计算公式如下：
qc=p(tg∮1-tg∮2)
式中： qc—— 需要装设电容器组的总容量(kvar);
p —— 用电设备的计算负荷(kw);
tg∮1 ——补偿前用电设备自然功率因数角∮1 的正切值;
tg∮2 ——补偿后用电设备功率因数角∮2 的正切值;
(5)当补偿电容器所在线路谐波较严重时，应串联适当参数的电抗器。串联电抗器配比可按表8-3-1选择。
串联电抗器配比选择表
(6)当补偿容量一定时，宜适当减少补偿电容器及电抗器分组组数和加大分组容量。
(7)补偿电容器及电抗器应选用损耗小的产品。
系统谐波治理
(1)开关电源和ups的效率及输入谐波指标应满足相关国家和行业标准要求。
(2)由于谐波分布的多变性和谐波工程计算的复杂性，设计阶段宜预留适当的滤波设备安装条件。
(3)供电系统返回公共电网的谐波电流应符合gb/t 14549-1993《电能质量公用电网谐波》的有关规定。
(4)交流供电系统内电流总谐波畸变率(thdi)大于10%时，应根据系统及负荷情况，采用经济技术比较，合理配置滤波器。
(5)当系统内谐波较大而又未采取治理措施时，变压器、油机、电缆等均应降容使用。其中，油机的降容指标应向相关厂家获取，变压器的降容系数由以下公式计算：
式中： h—— 谐波次数;
ih—— h次谐波电流值(a);
i1—— 基波电流值(a);
tdhi—— 谐波电流畸变率(%)。
模块化供电节能
整流模块休眠节能
(1)新建开关电源设备宜采用具备整流模块休眠技术的设备。
(2)当某一整流模块的休眠启用失败时，应将该模块恢复至为负荷供电状态。
(3)当系统的模块休眠功能失效时，应确保所有已安装的整流模块全部开启，即模块休眠不得影响开关电源设备对负荷的正常、可靠供电。
(4)系统应至少保证两个整流模块工作，当系统出现整流模块故障、控制器失效、市电异常、电池均充等情况时，系统应自动取消模块休眠功能。
(5)模块休眠技术应与开关电源设备的监控单元配合，可实现远程启用/关闭休眠的遥控功能，当模块休眠功能失效时，可通过遥信功能将故障状态上传至动力环境集中监控网络。
(6)具备整流模块休眠技术的设备，应具有以下功能：自动/手动启用休眠、自动/手动设置最优效率时的负荷率范围、模块轮替休眠、连续工作时长限制、休眠时间和优先次序限制、记录运行于休眠模式和正常模式的两个总时长等。
(7)模块休眠应具备统计功能，统计数据至少应包含：模块编号、模块本周期工作时长、模块总工作时长、轮替次数等。
模块化ups供电节能
(1)模块化ups系统宜采用包含独立控制功能的模块。
(2)配置模块化ups系统时，应合理评估ups系统负荷的重要级别，不宜应用于大容量、特别重要的负荷，同时还需考虑整套系统扩容至终期时的ups蓄电池扩容、以及整套系统的手动旁路开关容量。
(3)本期配置的主用模块数量应根据负荷的功率因数、ups输出功率因数两个参数确定，确保ups系统可输出的有功功率和视在功率均可满足负荷的用电需求。
(4)改造原有系统时，应不改变原有系统的架构、不降低其可靠性。
节能灯具选用
数据中心机房内0.75米水平面设计照度