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绿色数据中心能源管理系统面临的问题

时间:2014-02-08 03:23来源: 作者: 点击:等待统计信息……
APC认为,绿色数据中心的核心在于如何降低数据中心各种IT设施的能耗和碳足迹相关的碳排放量。而达到上述目

  APC认为,绿色数据中心的核心在于如何降低数据中心各种IT设施的能耗和碳足迹相关的碳排放量。而达到上述目的可以通过减少电力的消耗或提高IT设备的能源利用效率得以实现。不管是采取哪种方法,都需要了解数据中心的能源使用情况,并通过专业的规划和管理工具来实现,以解决数据中心能源管系统所面临的各种问题。

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  前期规划能做些什么

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  绿色数据中心可以被简单理解为最省电的数据中心,或者以最“聪明”的方式使用电力。如何能够使数据中心变得“聪明”,在“进食”时“少投入,多产出”(lesswithmore)呢?APC认为,首先应该在问题还未出现之前就做好相应的筹划工作,也就是说,在数据中心“出生之前”就应该做好它的“人生规划”。通过对IT能耗数据的计算可以预测出大概的结果,如果能够辅助于专业软件的模型计算,便能够得出相对更准确和直观的数据和预测结果。其实,早在规划过程中,很多问题就已经被发现,但却没有可靠的配置工具来解决。APC有一款不错的免费数据中心规划软件TradeoffTools,允许数据中心管理人员对有关虚拟化、效率、供电容量大小以及其它设计相关问题进行模拟真实情境的测试。TradeoffTools共有七个工具软件,其中的几个工具可以用来帮助确保数据中心“够绿”:

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  1) 碳计算器:可以说明数据中心位置、效率和功率负载等一系列即将发生的变化,将如何影响二氧化碳的排放量和电力成本的支出。

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  2) 能效计算器:能对数据中心进行概要性描述,根据数据中心的关键指标,计算出相应的效率及电力成本。

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  3) 虚拟化电力成本计算器:可以说明将服务器虚拟化之后,能够节约多少IT、物理基础设施及电力成本。

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  4) 供电规模计算器:可以定义IT负载的基本特性,并计算出支持此负载需要多少电力输入,对假设情形进行测试然后计算出总负载,从而生成相应的电力需求。

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  5) 直流/交流计算器:该工具的用途是比较四种不同的电源分配构架的电力效率。 www.aiwojiayuan.org- vKICku O+80|OBGt

  APC认为,数据中心的管理系统应该始于最初期的规划阶段,因为如果规划不足,数据中心将面临着再规划、再建造的窘境,而这样做不仅不能降低能耗,反而会产生大量二次投资所造成的不良后果;而如果只是一味考虑数据中心未来的成长性,盲目扩容留出过多的冗余能力,便会引起过度投资之虞,两者皆不可取,APC提倡的是“边成长,边投资”的原则,使数据中心的规划与能源利用率达到最佳的平衡点。 www.aiwojiayuan.org- 7MpU2@wF&hI:dq_6

  另外,有技术专家进行过测算,在服务器中,能源的浪费让人吃惊,以一台450W电源的双核典型2U服务器来说,仅仅是电源变换处理就浪费了大约35%(160W),这还只是冰山一角,实际上,从整个数据中心构架上看,能耗并非主要发生在服务器计算单元或存储单元,而主要产生在供电模块和制冷部分,这两个环节所消耗的电力几乎拿走了数据中心60%的电力资源,可以说,如果解决了供电与制冷的高能耗问题,绿色数据中心的能源管理系统便会得到极大的提升。

  UPS供电对于能源管理的影响

  APC把数据中心能源管理分为硬件物理层面和软件系统应用层面。想要控制好数据中心的能耗,我们可以实施各个击破的策略,首先,从供电层面,应该采用高效的UPS和PDU单元。值得注意的是,几乎所有的UPS厂商在标称UPS效率时是指其在100%工作负荷的情况下,因为这时的UPS的效率能达到最高,但问题是,多数情况下很少有用户能使自身的设备工作在满负荷下,而30%的负荷量是大多数中、大型数据中心的平均值。

 

  从下面的表二可以看出,UPS供电过程中电力能耗的走向:

  UPS负载电力分配示例(绿色柱为直接用于IT的负载,红色柱为UPS的电力内损部分,比例可参见表一的效率曲线)

  UPS在零负载时,负载损失亦为零,负荷相对较低的时候,UPS内部电力耗损的比例较高,随着负荷递增,能效率也会递增。但绝大多数数据中心效率维持在10%至30%这个区间。经过APC专业团队的测评总结,UPS制造商提高UPS效率可以通过降低三种主要损失的方式,无负载损失(no-loadlosses)、比例损失(proportionallosses)、平方损失(square-lawlosses),作为UPS生产者可以通过技术、拓扑布局和模块化设计三方面来解决问题。

  这里讲的技术是指开关转换,利用绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)替代传统的可控硅整流器(SCRs);利用数字信号处理控制(DSP)替代传统的模拟信号控制(Analog)是当前提高新一代UPS效率的技术应用;而UPS拓扑布局方面涉及到的是供电组件内部是如何相互工作的。大型UPS系统主要的两种应用类型为:双转换在线式及三相供电转换式UPS。由美国电力研究所(USElectricalPowerResearchInstitute)最新的研究报告表明,三相供电转换式UPS拓扑式设计是目前为止效率最高的UPS拓扑结构。

  因为这种方式可以很有效的减少无负载损失和平房损失。

  模块化是UPS厂商能够降低电力浪费的第三个途径。正如前面提到的,UPS负载越接近满载,其效率就越高,模块化使用户能够根据实际需求调整UPS系统的规模,并使效率曲线尽量保持在最高数值的上下区间。

  一个1MW模块化可扩展UPS系统,单一添加UPS模块单元为200kW。测试结果是整体拥有成本(TCO)降低了,这是因为减少了系统前面板所需减少,此外,整体的日常运维成本也相应降低了。

 

  机房制冷高效的威力

  所有电气设备工作都会产生热量,而大多数位于数据中心或网络机房的IT设备都是采用风冷降温的方式。如何部署规模适当的制冷系统必须要对封闭空间内设备以及各种热源所产生热量有正确的了解。衡量热量的单位通常有焦耳(每秒产生的焦耳等于Watts)、BTU、吨和卡路里。由计算或其它IT设备通过数据线耗损的电力可以忽略不计,因而,AC电流消耗主要都转化成为了热量。机房整体系统指所有IT设备,包括UPS、配电单元、空调系统、照明系统和人体发热等,通过固定及标准化公式可以计算出总的热量输出值,通常机房合适的温度均控制在22度左右,高出规定温度的那些热量需要通过制冷系统解决。

  从硬件方面讲,机房管理人员可以采用合理的空间部署方案或新的高效制冷技术来达到温控的目的;从软件方面讲,IT工程师可以通过软件管理工具来实现对机房各部分能源负载及热量的实时监控,比如APC的变更管理器软件(ChangeManager)和容量管理器软件(CapacityManager)。IT设备及UPS是“散热大户”,分别占到整体热源的71%和13%,但我们这里将主要讨论如何解决制冷散热的方式。空调制冷是最常见的方式,但标准舒适型空调的设计并非为了处理技术室的热负荷集中和热负荷组成,也不是为了向这些应用提供所需的精确的温度和湿度设定点,此外,制冷方式分为房间级制冷和精确制冷(比如行间级制冷和机架级制冷等),较之房间级设计,APC的行间制冷方式可实现更高的功率密度,无需除湿、再次加湿,完全可以不用高架地板,尤其适用于小规模安装,而风扇电力可节省50%。

  房间级制冷是实现数据中心冷却的传统方法。在这种方式中,通过一台或多台并行工作的空调系统将冷空气输送到数据中心内,并吸取机房环境中较热的空气。这种方式的基本原理是空调机不仅提供原始制冷量,还要充当一个大型混合器,在机房内不断搅拌和混合空气,使之达到均匀的平均温度,防止热点出现。这种方式只有在混合空气所需功耗仅占数据中心总功消很小一部分时才有效。数据仿真和实验表明,当数据中心的平均功率密度为每台机柜1-2kW量级时房间级制冷才有效,换算为单位面积功率密度为323-753W/m2(30-70W/ft2)。然而,现代IT设备的功率密度正在将峰值功率密度推高至每台机柜20kW或更高,其数据仿真和实验表明,依靠空气混合的房间级制冷已不再能有效地起作用。APC的行级制冷设计可以根据目标机柜排的实际需求确定制冷量和冗余度。例如,行级制冷架构允许一排机柜高密度应用,如安装了刀片式服务器,而另一排机柜则应安装较低密度的IT设备,如交换机。此外,对具体排可针对性地采用N+1或2N式冗余设计。

  这种设计消除了冷热空气混合,从而进一步提高了性能的可预测性,APC有几项技术可以借鉴,比如紧靠热源的制冷、热通道遏制系统可以极大的提高数据中心能源管理系统效率,能够精确到可实现行级冷热通道布局并有效满足每一个机架的制冷需求。同时也可以保证制冷与实际需要相匹配,以避免供电和制冷容量难以协调的两难境遇。

  软硬兼施

  除了从物理层面实施合理的部署和应用先进的技术外,如果能辅以专业的监控、管理软件,将使机房的运维工作事半功倍,同时能够极大的提高数据中心能源管理的效率,比如,实时精确的掌握数据流量以及某机架服务器的负载情况,以调整空调的工作状况。可以采用如APC等领先公司开发的专业管理软件,容量管理器(CapacityManager)和变更管理器(ChangeManager),这些工具是应用程序提供资产管理和工作流程工具,使数据中心操作人员可以对数据中心内的IT和物理基础设施设备进行勘察和规划。当与容量管理器结合在一起使用时,数据中心操作人员通过这些应用程序能够对物理基础设施进行预测仿真和建模,在各种假设情景发生之前就对其进行评估。特别是当前机房高密度应用“方兴未艾”的趋势下,想在已经相对满负荷的服务器中找出闲置资源,实施进一步的虚拟化,把资源利用率提至最高,如果没有上述专业软件辅助管理,一定会是令人棘手的工作。

  电源和制冷是现今数据中心管理人员的头号难题,因为他们要对其新建及老旧的数据中心内数量不断增长的已装系统所产生的影响进行预测,这方面也面临着巨大的挑战。通过类似变更管理器这种软件这种“一个控制台”提供所有所需信息,并在数据中心的监控、设计和运行之间无缝地转换操作,可以确保操作人员根据当前最新的数据情况进行相应的操作,此外,也可令操作人员无论在本地或远程都可以对高密度数据中心的管理工作实现可视化、可预测以及不间断的评估。

  总之,建设绿色数据中心,并从硬件和软件两个层面实施正确的能源管理,就可以很好的解决数据中心所面临的诸多能源管理的挑战和问题。

(责任编辑:admin)
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