数据中心节能技术趋势展望,本文是有关节能技术论文范文集跟节能技术和趋势展望和数据中心方面本科毕业论文范文.
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摘 要：数据中心高能耗问题是各国政府和产业界的关注焦点.本文定义了数据中心的能耗结构构成,深入分析了数据中心主要耗能环节.在此基础上,分别从供电系统、制冷系统两大主要耗能环节入手,系统阐述了市电直供、自然冷却、近端制冷、液冷等最新节能技术的发展趋势.
关键词：数据中心；能耗PUE；近端制冷；自然冷却；液冷
1 数据中心高能耗问题引发广泛关注
数据中心是容纳用以支持应用系统运行的基础设施（包括服务器、网络、存储设备）的物理场所.随着信息化步伐加快以及移动互联网、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的快速发展,全球数据中心建设步伐明显加快.根据、国家机关事务管理局、国家能源局联合发布的《国家绿色数据中心试点工作方案》提供的数据,目前全球数据中心总量已超过300 万个,耗电量占全球总耗电量的比例为1.1%～1.5%,其高能耗问题已引起各国政府和产业界的高度重视.
数据中心是一个复杂的系统,包括制冷系统、IT 系统、供电系统、网络系统、运营管理系统等子系统.从数据中心的能耗构成来看,制冷系统、IT 系统和供电系统是数据中心能耗的主体,三者所消耗的能耗占数据中心整体能耗的98%,成为数据中心节能降耗的关键领域（见图1）.本文重点研究供电系统和制冷系统的节能技术发展趋势.
2 供电：取消UPS、推广市电直供是供电系统节能的关键
2.1 市电直供逐步替代传统以UPS为主的供电模式
以往数据中心IT 设备大多采用UPS供电,市电经变压器降压后,经市油转换、低压配电、谐波治理后,由UPS 提供不间断电源,再由PDU分配给IT 设备,每个环节都将造成电能的损耗,其中最大的损耗发生在UPS 环节.UPS 的运行效率多数在90%左右,对于某些负载率较低或冗余配置较高的UPS系统,运行效率更低.若考虑为UPS 散热的空调能耗,UPS 环节带来的总能耗高达15%.且UPS 本身也是一个故障点,因UPS故障而导致机房设备停电的事件时有发生.近年来,系统架构更为简单、供电效率更高的市电直供技术在数据中心得到了快速应用.
市电直供技术是充分利用服务器等IT 设备二次电源冗余配置的特点,由市电直接为IT 设备的其中一路电源供电的一种新的供电结构模式,正在逐步替代传统以UPS 为主的供电模式,当前,取消UPS 已经逐渐成为业界的通用做法和演进方向.结合IT 设备电源主备运行模式与市电直供两方面节能措施,可以组成多种市电直供供电系统,例如市电直供+UPS双路供电系统,市电直供+高压直流双路供电系统,市电主用+UPS热备混合供电系统,市电主用+高压直流热备混合供电系统等.从节能减排角度考虑,市电主用模式的节能效果明显好于市电+保障电源均分模式.在市电直供供电方案下,供电线路简单、环节减少,由于市电直供支路可以达到近100%的供电效率,而高压直流供电效率在全负载范围内为94%～96%,这样均分负载情况下的综合供电效率高达97%～98%,比传统的UPS供电架构90%的供电效率高出很多.对于市电主用+高压直流热备混合供电系统,市电主供、高压直流系统休眠后备,综合供电效率更是高达99%,实现数据中心供电系统的超高效率.并且,从可靠性的角度来看,与传统UPS供电系统（N+X系统,2N系统）相比,市电直供供电系统的可用性并没有降低.
2.2 市电直供在国内外数据中心中应用广泛
从国外来看,亚马逊、谷歌等大型互联网巨头企业根据业务需要广泛采用48V 或12V 市电直供供电方案,并进行了规模化应用.从国内来看,目前业界较为推崇“一路市电直供+一路高压直流”的市电直供方案,并在电信运营商、互联网企业新建的大型数据中心中成熟应用.但由于数据中心用户特别是金融客户对安全性的要求,目前国内市电直供供电模式以“市电直供+高压直流双路供电系统”为主要应用模式,“市电主用+高压直流热备混合供电系统”模式应用的相对较少,仅在个别互联网公司数据中心中使用.
3 制冷：未来5 年数据中心或将进入液冷时代
在数据中心领域,随着数据中心的建设部署逐步规模化、高密化方向发展,对数据中心制冷技术的需求也在不断变化,推动数据中心制冷技术逐步从近端制冷向服务器芯片级液冷方向演进.
3.1 当前数据中心制冷以自然冷却、近端制冷等技术为主导
数据中心制冷技术的发展经历了一个漫长的发展过程（见图2）.在2010 年以前,数据中心的热密度不高,单机架功率密度一般都在5kW以下,因此对数据中心的制冷要求相对也比较低,数据中心制冷系统一般采用下送风房间级远端密度制冷模式,并通过封闭冷通道来减少冷量的损失或封闭热通道实现热量的高效回收,提高制冷系统效率.2010 年以后,伴随云计算技术的出现和发展,数据中心IT 系统的部署模式发生了根本性变化,虚拟化技术使数据中心IT 设备的利用率大幅提高,从而使单机柜的供电密度攀升,单机柜功率密度普遍超过6kW,发展到目前国内领先的互联网企业已经开始尝试使用15～20kW功率密度的机柜.在此种趋势下,房间级远端开放式制冷已经无法满足6～20kW功率密度机柜的制冷需求,以列间空调等产品为代表的近端制冷技术走上了历史舞台.同时,国内数据中心普遍利用自然冷却技术降低机械制冷的使用时间,最大限度降低数据中心PUE、节约运营成本.
自然冷却技术是指利用室外冷源如空气或水对数据中心热源进行冷却,替代或部分替代机械制冷的节能技术.数据中心自然冷却技术从冷却介质的角度划分可以分为空气侧自然冷却和水侧自然冷却两类.其中空气侧自然冷却包括直接空气冷却和间接空气冷却,分别指直接引进外界满足温度条件的空气或通过换热器将室外冷风与室内热风进行换热对数据中心进行冷却的技术.直接风侧自然冷却技术需要添加过滤装置和加除湿设备,满足数据中心对外界空气湿度、洁净度及污染物浓度的要求,对空气质量要求比较高.间接风侧自然冷却占用建筑空间大,因间接换热造成制冷效率较直接风侧冷却低,但对空气质量要求不高.水侧自然冷却指直接或间接利用自然环境中低温水冷却数据中心热源的冷却方式.水侧自然冷却对外界空气环境要求不高,冷却塔、板式换热器、冷水机组与冷冻水型精密空调的组合是大中型数据中心较多采用的一种水侧自然冷却方式.整体来看,自然冷却技术受数据中心所在地区的气候条件限制较大,在北方地区广泛应用,在南方地区的应用则受到限制.
近端制冷,顾名思义是指制冷设备靠近热负载的制冷技术.近端制冷是相对于传统的房间级远端制冷技术而言的,由于近端制冷技术的制冷设备靠近负载,其制冷密度和节能能力远远超过传统房间级远端制冷,可以有效解决机房高密度和机房局部过热的问题.目前,在数据中心领域应用比较多的近端制冷技术以列间空调、顶置对流式空调、水冷背板、水冷前门空调为主,可以满足5～20kW功率密度的制冷需求.在实际应用中,这几种近端制冷技术各有优缺点,可根据数据中心的具体工况合理选择.表1 给出了几种近端制冷技术的比较.
3.2 液冷技术或将成为数据中心制冷的终极解决方案
随着机架功率密度快速增长,未来单机架功率密度将向30kW甚至更高密度发展,服务器传统的风冷散热方案难以满足散热需求,致使服务器芯片级别的液冷技术在数据中心产业界的关注热度快速攀升.液冷是指通过液体来替代空气,把CPU、内存条、芯片组、扩展卡等发热器件在运行时所产生的热量带走.液冷技术最先被应用于超级或大型计算机芯片的冷却,未来可广泛应用于20kW以上高功率密度（甚至100kW）数据中心的服务器散热.根据目前技术研究的进程,液冷分类为水冷和冷媒冷却,可用冷媒包括超纯水、矿物油、电子氟化液等.按照冷却原理,又可将液冷分为冷板式液冷、浸没式液冷和喷淋式液冷3 种系统模式.
冷板式液体冷却属间接冷却,冷媒与被冷却对象不直接接触,而是通过液冷板等高效热传导部件将被冷却对象的热量传递到冷媒中.浸没式液体冷却的发热元器件与冷媒直接接触,即将服务器主板、CPU、内存等发热量大的元器件完全浸没在冷媒中.喷淋式液体冷却是对IT 设备进行改造,部署相应的喷淋器件,在设备运行时,有针对性地对发热过高器件进行冷却.从技术特点上来看,冷板式冷却技术相对成熟,相对于传统风冷方式,仅需将原风冷散热片替换为液冷散热片,并将冷媒管路引出机箱即可.同时由于冷媒有其自身通路,并不与电子器件直接接触,安全性较好.但冷板式冷却属于间接冷却,制冷效果逊于浸没式和喷淋式,且需要额外安装风扇对服务器的其他元器件进行散热.浸没式冷却的冷却液与被冷却对象直接接触,散热效果更佳,能一次性解决全部元器件的散热问题,无须额外配置风扇、散热片等.但浸没式液冷将服务器完全浸没在冷却液中,冷却液消耗量大,初期投资成本较高,冷却液对机房承重要求大幅增加,服务器器件的稳定性和寿命一定程度上也会受到影响.喷淋式冷却不需要对机房基础设施做太大的改动,只需对服务器进行少量改造就能实现较好的冷却性能,冷却液的用量大约是浸没式的1/30,可以降低对数据中心承重的要求,但从推广来看,目前要弱于前两种冷却方式（见表2）.
总体来看,采用液冷技术的数据中心,服务器无需配置风扇,机房不需要配备空调末端和冷冻机组,不需要铺设架空地板,无需安装冷热通道封闭设施,且因为单机柜功率密度高,相比传统房间级制冷方案大大节省机房空间,同样空间可以显著提高机柜部署密度,经济效益显著.另外,因为液冷冷却液的温度较高（35°～48°,不同液冷模式温度有所差异）,液冷数据中心的部署不受气候条件和地域的限制,即便是在温度较高的华南、华东等地区,仍然可以部署液冷技术实现全年的自然冷却,最大限度降低数据中心的制冷能耗.
从应用前景的角度来看,液冷技术近几年引起了产业界的广泛关注,我国以阿里、百度、腾讯为代表的大型互联网企业资金充足、技术研发实力强,已经先行启动液冷技术的相关试验.其中,阿里和百度以浸没式液冷试验为主,腾讯以冷板式液冷试验为主.整体来看,液冷技术在数据中心领域的应用目前仍处于探索和试验阶段,一方面目前的业务应用主要由20kW以下的机柜承载,利用自然冷却、近端制冷技术即可满足机柜的制冷需要,对采用液冷制冷的需求暂时并不非常迫切.另一方面,液冷对数据中心的设计、部署、维护全生命周期都将产生重大变革,需要对现有数据中心做很多适配工作.如服务器需要进行改造,机房的部署密度需要变更,设备的工厂试验、机房现场带液测试、后期运维模式都需要大幅度调整,同时还需要对数据中心维护人员进行专门技能培训.此外,液冷技术相关的标准化工作存在明显缺失,液冷的关键部件如CDU、外接头的规格等都尚缺乏统一标准,液冷相关的产业链发展尚不健全,液冷设备和数据中心现有运营系统如动环系统的衔接尚不完善等诸多问题仍待解决,决定了液冷技术的规模化应用还需要一个窗口期.但可以预见的是,随着人工智能、虚拟现实等高密度业务应用的逐步发展,数据中心的机柜功率密度将会逐步突破20kW,预计液冷技术极有可能在5 年内进入快速发展期.
4 结束语
总体来看,伴随着数据中心机柜功率密度的不断提升以及业界对数据中心能耗的高度关注,市电直供、近端制冷、自然冷却等技术已经发展成为当前数据中心的热点技术,并在数据中心中取得了较为广泛的应用.而液冷技术代表了数据中心制冷领域节能技术的终极发展方向,并有望在数年内逐步规模商用.结合不同的业务场景、机柜功率密度分布及用户需求,数据中心运营商可因地制宜选择适合的节能技术,以达到目标PUE要求,同时有效降低数据中心的运营成本.
综上而言:上文是关于经典节能技术专业范文可作为节能技术和趋势展望和数据中心方面的大学硕士与本科毕业论文节能技术论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献.
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