数据中心机房基础设施建设新技术研究与探索

付晓燕

（甘肃志欣科技有限公司，甘肃 兰州 730000）

在数据中心运行期间，能耗高、传输快等是数据中心明显的特征，为了减少高能耗所散发的热量，达到节能减排的重要目标，需要以新技术的研究与应用来实现数据中心的节能化基础设施设计与建设。因此，本文从数据中心机房中的制冷系统与动力系统两面分析，以目前新技术的应用与研究为主线，对机房中各种基础设施的建设技术进行探讨，希望能够为实现绿色、高效、环保的数据中心机房设计提供一些参考。

由于数据中心能耗高所产生的热量不容小觑，其制冷系统所消耗能量约为总能量的31%，需根据其能耗占比（即PUE 值）来实现成本最低和能耗最低的新技术设计与应用，随着对PUE 值的减小来降低整个制冷系统的能耗。

1.1.1 高水温供冷技术

根据部分学者所提供的理论和计算公式可以明确，冷水机组的制冷效率和其蒸发温度呈现正比，其中每提升1℃的蒸发温度，其就会提升3%到4%的制冷效率。所以提升冷冻水的温度不仅可减少其机组的能耗，同时也能够提升机组的运行效率[1]。对冷水温度的提升，还能够减少管路传输过程中所产生的损耗，防止整个制冷系统的末端设备出现结露的问题，从而提升机组的运行效率、减少负载，提升设备健康运行时间，进而减少整个机组设备的维修成本。

根据《数据中心设计规范》中相关规定，需要以全年的制冷为数据中心提供可靠的工作环境，且一般7～21℃或者12～27℃为冷冻水的供回水温度范围，所以在整个系统运行期间，可利用较高的供回水温度来提升整个数据中心的节能效果。

1.1.2 人工智能节能技术

人工智能在空调系统中的应用，可根据其优化算法对整个制冷系统参数进行调整，从而实现机组的能耗优化。现阶段的空调系统，通常都是人工操作控制，在调节与修正参数的过程中，消耗的时间较长，并且控制模式相对较为传统。而人工智能节能技术主要是根据人工智能的高速运算特点，来找寻最节能的系统参数，在科学参数的设置基础上，最大程度f 减小运行能耗，进而降低成本支支出的基础上，对整个资源实现最佳的利用效果。在降低系统运行风险的同时，也可减少后续机组维修的成本支出。

该架构是指在水冷的位置设置板式换热器装置，需与冷水机组实现一对一的设置与应用[2]。且到冬季寒冷的季节，可实现自由冷却，而这种形式的冷却需要利用换热器支持；而在过渡季节时，可利用板式的换热器来预冷回水的温度，根据冷水机组的作用，压缩制冷，充分利用室外冷源，减少内部运行的成本支出（如图1 所示的工作原理）。

基于本架构的运行条件与现状分析，可以根据三种模式来调整其运行状态，利用室外温度环境实现整体成本的降低。第一种，利用压缩机实现制冷，本方式运行期间，换热器不工作；第二种，使用联合制冷的方法，该方法是先利用换热器进行预冷操作，再利用冷水机组进一步制冷；第三种，使用的是完全的自由冷却模式，此时由换热器供冷，而冷水机组不工作。这三种制冷模式在不同季节使用，可有效降低整个系统的制冷耗能，从而达到节能效果。

该技术是指在服务器中注入氟化液，根据冷热交换的作用将服务器中所散发的热量带走，进而实现常规风冷模式的制冷效果。本方式在实施期间，由于液冷其本身比热容会较传统方式中的偏大，因此其也会有着偏大的热量吸收量，整个系统的CPU 能够得到有效的控制，减少服务的数量[3]。在使用液冷系统进行机组制冷期间，冷却液能够直接导向热源，减少空调与风扇的使用，利用室外免费冷源进行制冷；且该制冷方式可实现“静音”状态运行，减少噪音的生成；在整个数据中心中，其服务器功率密度与液冷制冷有着十分密切的关系，密度越大、液冷越可突破现有的冷却限制，实现最大化节能效果。

冷源站设备中包含高压变频冷水机组与自然冷却风冷冷水机组两部分。其中高压变频式机组其具备投资少、占地面积小、节能、简洁与快速启动等优势，在目前冷水机组中有着十分重要的应用。而自然冷却风冷冷水机组是根据传统机组上的冷螺杆设备，将自然冷却的盘管安装在上面，进而实现自由冷却的目的。在冬季也可利用室外冷源实现制冷；夏季可利用压缩机实现制冷作业；在过渡季节可利用二者联合的方式进行制冷。

除了制冷系统以外，数据中心的另一项重要的能耗系统级为动力系统，也是保障整个数据中心稳定运行的重要前提。动力系统的能耗主要源自电源系统运作时产生的，因此这也是降低动力系统能耗的重点方向。

2.1.1 微模块化UPS

目前所使用的模块化UPS 大多数都是利用多个模块并列的效果来完成大功率输出，且该系统都是由三个部分组成，分别为静态开关、监控与功率模块。在模块并联的工作状态下，会对负载进行平均承担；如果遭遇一些故障或者问题，模块化UPS 会自动弹出，由其他功率模块来完成本次负载的承担工作，具体原理如图2 所示。这种独特的并机技术能够促使设备不出现任何的单点故障，以此来保障整个电源的最高可靠性，且所有的模块支持热拔插，实现在线更换[4]。且本模块不仅拥有热拔插的电池和电源模块，也具备在线维护的支持功能，可兼容各种PDU 和机架，可单独设置也可联合IT 设备一同应用，在外接电池的作用下，可以延长其运行时间，从而提升整个系统的安全性。该模块也具备休眠技术，就算是整个负载率较低，也可保障系统达到96%的运行效率，这样可确保整个数据中心供电系统设备的可靠性与安全性。

2.1.2 旁路UPS

本UPS 是根据市电的品质进行使用的一种模块。在市电品质好时，其会直接将电力供应到电力中心的IT 负载中，此时旁路UPS 模块中的逆变器处于在线的备份状态；如果频率波动的强度加剧，系统会将原有的模式切换到UPS 双变换的模式实现负载的供电。其与传统的UPS 相比较能够支持双变换的供电模式，也可利用旁路实现供电要求。而使用旁路模式进行供电，是由市电直接提供，可达到接近99%的供电效率，减少模块运行期间的能量消耗。并且企业是采取市电直供的方式进行运转，根据市电供电的稳定性来调整整个系统运行的稳定性。

该技术是结合轨道式的低压母线为机房末端设备进行供电，以此来代替传统做法中的配电柜供电方式。通过即插即用的插接箱在母线槽不断电的情况下，实现任意位置连接与断开操作，借助快速部署、随机应变的特点来提升整个系统操作的便利性。

相较传统配电方式，智能配电母线既能够节省机柜空间，也可结合机房的实际配置来实现按需扩容，用电需求能够实现在线随时增加与减少，进而实现单项电与三相电的灵活转换。除此之外，该母线具备快速安装、插接位置灵活与接线美观等优势，在一定程度上能够降低数据中心的运维成本，提升数据中心的用电可靠性。

数据中心运行期间，一般都会采用铅酸蓄电池进行供电，但是该电池本身具备放电倍率较低、体积大、重量大等缺点。为了规避使用铅酸电池带来的的弊端，建议使用锂电池。锂电池具备更高的输出功率密度和能量密度，可设计小体积电池以保障实现数据中心运行，其占地面积可比铅酸电池的减少大约50%，重量也可减少80%。除此之外，锂电池具备更长的生命周期且免维护，其所适宜的工作温度在-20～-60℃之间，具有温度范围较广、充电快、自行放电效率高等优点，月自动放电率大约为1%左右，在电力中断期期间发挥着十分重要的作用。锂电池采取的是模块插拔技术，运行与维护都具有一定的便利性，内置的监控系统也可随时关注电池充放电和温度的实时情况。所以锂电池在安全性方面能够有效保障整个数据中心可靠运行，并且可大幅度提升整个数据中心机房基础设施的利用率，降低建设成本和维护成本的支出。