一種低功耗中小型數(shù)據(jù)中心機房的專業(yè)技術(shù)方案設(shè)計與應(yīng)用-軟件專業(yè)技術(shù)

1、一種低功耗中小型數(shù)據(jù)中心機房的方案設(shè)計與應(yīng)用-軟件技術(shù)一種低功耗中小型數(shù)據(jù)中心機房的方案設(shè)計與應(yīng)用金磊上?？铺嬎銠C系統(tǒng)集成有限公司上海200050)摘要近年來，隨著社會信息化的高度發(fā)展和數(shù)字化進程的推進，數(shù)據(jù) 中心的建設(shè)開始向高熱密度的方向發(fā)展?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)中心機房的發(fā)展，引起了機架與機柜內(nèi)的設(shè)備布置、電源分配、熱量冷卻、線纜管理、狀態(tài)監(jiān)控等一系列問題， 高密度的設(shè)備機架與機柜內(nèi)的散熱成了影響系統(tǒng)運行可靠性和可用性的一個重 要因素。本文以上海市科技信息中心為背景，借鑒國外數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)， 設(shè)計了一套針對小型數(shù)據(jù)中心機房的建設(shè)方案。該方案涵蓋了UPS、精密配電柜、機柜、精密制冷空調(diào)、環(huán)境監(jiān)

2、測設(shè)備、管理、服務(wù)等方面，具有更高的節(jié)能 型、經(jīng)濟性、可擴充性等特色，將用戶從傳統(tǒng)的關(guān)注機房的大空間引導(dǎo)到關(guān)注IT關(guān)鍵設(shè)備的機柜“微環(huán)境”，實現(xiàn)按需增長、按需定制。關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)中心機房，節(jié)能，空調(diào)系統(tǒng)中圖分類號：TP3文獻標(biāo)識碼：ADesign and Application of a Low Power Medium and Small IDCJIN LeiAbstract In recent years, with the high development of social in formatio n and the adva nceme nt of digital process,th

3、e con struct ion of data cen ter beg ins to develop in the directi on of high heat den sity. The developme nt of IDC, caus inga series of problems such as the rack andcab inetequipme ntlayout, powerdistributi on,cooli ng, cablemanagementstatecontrol,high density of the equipmentrack andcab inet cool

4、i ng become one of the most importa nt factors affect in gthe operationof system reliability and availability. This paper takes theShan ghai Science and Tech no logy In formatio nCen ter as the backgro und, draws on the sta ndard of the foreig n data cen ter in frastructure, desig ns a set of con st

5、ructi on scheme for the small data cen ter room. The program covers the UPS, precisi ondistributi oncab in ets,cab in ets,precisi on refrigeratio nand air con diti oning,en vir onmen talmon itori ngequipment,management,service, etc., with a higherenergysaving,economy, scalability and other features.

6、 The program will guide the user to focus on critical IT equipment cabinet-environmemitro ” to growand develop on dema nd.Keywords IDC, En ergy Con servati on, Air Con diti oning System0引言近年來，隨著社會信息化的高度發(fā)展和數(shù)字化進程的推進，數(shù)據(jù)中心的 建設(shè)開始向高熱密度的方向發(fā)展。數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)概述核心機房技術(shù)在20世紀(jì)80年代開始建立雛形1，在21世紀(jì)得到了快速發(fā)展，隨之機房能耗大幅增 加。由于能耗不斷增

7、長，數(shù)據(jù)中心成本也隨之提高，若將服務(wù)器能源成本與相關(guān) 基礎(chǔ)設(shè)施的成本加在一起，一臺服務(wù)器的電源和散熱總成本是服務(wù)器購買成本的 兩倍2。上世紀(jì)九十年代，相對于IT設(shè)備的購買成本，許多企業(yè)都將電源和散熱成本忽略不計。如今情況大為不同，能源和散熱成本已嚴重失控。據(jù)測算，數(shù) 據(jù)中心的能耗中，冷卻降溫占了整個能耗的60%以上3。所以從機房空調(diào)著手對機房節(jié)能降耗勢在必行。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心機房的發(fā)展，引起了機架與機柜內(nèi)的設(shè)備布置、 電源分配、 熱量冷卻、線纜管理、狀態(tài)監(jiān)控等一系列問題，高密度的設(shè)備機架與機柜內(nèi)的散 熱成了影響系統(tǒng)運行可靠性和可用性的一個重要因素4。隨著計算機系統(tǒng)集成度的提高、單位容積中功耗與散熱

8、的增加，機柜內(nèi)能安置的設(shè)備數(shù)量越來越多， 密度也越來越高。機架與機柜的合理有序地排列，不僅為設(shè)備區(qū)域的劃分和管理， 提供了方便，更為設(shè)備的使用與運行提供了保障。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)被越來越多的業(yè)內(nèi)人士所重視。本文以上海市科技信息中心為背景，借鑒美國APC公司CnfraStru Xure整 體機房解決方案，設(shè)計了一套針對小型數(shù)據(jù)中心機房的建設(shè)方案。建設(shè)采用APC “英飛”集成系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)中心打造一個全新的 NCPI （網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物理基礎(chǔ) 架構(gòu)）機房。該方案保證了機房的高可用性，將用戶從傳統(tǒng)的關(guān)注機房的大空間 引導(dǎo)到關(guān)注IT關(guān)鍵設(shè)備的機柜“微環(huán)境”，實現(xiàn)按需增長、按需定制。1需求分

9、析隨著冬季來臨，為完善整個機房空調(diào)系統(tǒng)，在原有室外冷凍水系系統(tǒng)中增加一套自然冷卻增強系統(tǒng)是必要的。主要基于下述兩點考慮：1）近年來上海地區(qū)冬季出現(xiàn)的極度低溫氣候，對冬季仍處于制冷工作狀 態(tài)的室外空調(diào)機是個隱患，低溫會導(dǎo)致空調(diào)機內(nèi)部系統(tǒng)壓力過低而出現(xiàn)的壓縮機 不啟動現(xiàn)象。當(dāng)加裝了自然冷卻增強器后，空調(diào)機的工作環(huán)境溫度就提高到了6 C以上（原理另述），即可避免以上提到的低溫環(huán)境造成的隱患。實用案例是: APC公司用來同APC InRow Rc機房空調(diào)器配套的室外冷凍水系統(tǒng)主機，同樣 采用的是壓縮機制冷和自然空氣冷卻兩套系統(tǒng)的組合。兩套系統(tǒng)可以根據(jù)室外的 環(huán)境溫度的高低進行自動切換運行。2）上海地區(qū)

10、的冬季低溫氣候同樣為數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗提供了有利條件。據(jù)測算，數(shù)據(jù)中心的能耗中，冷卻降溫占了整個機房總能耗的60%以上。所以機房的節(jié)能降耗從機房空調(diào)著手是主要方向。根據(jù)上海冬季的平均氣溫6C 約三個月的自然條件，可以推算出室外冷凍水系統(tǒng)接入自然冷卻器后，機房空調(diào)系統(tǒng)的能耗可以再降低約22%。本項目設(shè)計目標(biāo)是確保中心數(shù)據(jù)機房內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器可靠運行；保障作人員良好的工作環(huán)境；各項功能完整配套，達到專業(yè)規(guī)范、技術(shù)選進、 經(jīng)濟合理、安全適用、質(zhì)量優(yōu)良、管理方便之目的 5。為了達到上述的項目建 設(shè)目標(biāo)，在數(shù)據(jù)中心機房建設(shè)時我們主要考慮以下幾點：1）市科委的信息系統(tǒng)越來越依托網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)， 高可用

11、性的供配電系統(tǒng)是至關(guān)重要的。必須對全部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備等提供 全面的保護。一方面避免由于電力故障造成設(shè)備的癱瘓，另一方面保證在斷電的情況下，系統(tǒng)能繼續(xù)可靠的運行，不使數(shù)據(jù)丟失和損壞。2）機房內(nèi)設(shè)備眾多，對環(huán)境溫度和濕度、塵埃數(shù)量都有嚴格的要求，所 以在建設(shè)機房的空調(diào)系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)機房冷量的需要選用適用的空調(diào)裝置。3）機房室內(nèi)裝修要達到舒適宜人、簡潔明快的效果，使工作人員能身心 良好的工作。4）由于機房用途的特殊性，在選用裝修材料時考慮用不易積塵、變形、易清潔、防靜電、防電磁干擾、防火性佳且耐用的材料。5）尤其應(yīng)重視計算機機房內(nèi)設(shè)備和供配電設(shè)備和材料的可靠性，全部需采用符

12、合國際標(biāo)準(zhǔn)的進口產(chǎn)品或國內(nèi)優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，技術(shù)性能和安裝工藝均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使故障率達到最低。6）機房設(shè)計應(yīng)具有超前意識和較高的科技含量， 應(yīng)考慮到今后增加設(shè)備 所需的空間、空調(diào)及電力，能夠滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。2功能設(shè)計上海市科技信息中心主機房是市科委計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要場地，是信息集中處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行的中心樞紐。它必須保證中心機房內(nèi)計算機設(shè)備正常有效地運行，并成為市科委網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫中心之一。為使計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能正常運行， 以及工作人員能創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境，對該機房空調(diào)、電力、照明、消防、 防靜電、防雷擊、接地、室內(nèi)裝修等方面進行了功能設(shè)計。2.1功能設(shè)計方案無根據(jù)上

13、海市科技信息中心小型數(shù)據(jù)中心機房升級改造需求，為本項目設(shè)計了若干子系統(tǒng)，下面對各子系統(tǒng)的功能進行概述。機房電氣系統(tǒng)工程設(shè)計方案數(shù)據(jù)中心機房的供配電系統(tǒng)是為滿足機房內(nèi)計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、外部設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、UPS電源、機房照明系統(tǒng)等供電要求，以保證獲得穩(wěn)定、可靠 的供電電源。通過該系統(tǒng)的建設(shè)，可保障數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)全部計算機設(shè)備硬件有故障容錯的雙電源輸入，由雙路電源供電，有冗余的組成部分。系統(tǒng)主要組成部分包 括：供配電系統(tǒng) UPS電源系統(tǒng)機柜電源系統(tǒng)防雷接地系統(tǒng)機房空調(diào)系統(tǒng)工程實施數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)系統(tǒng)能滿足機房服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制冷要求。系統(tǒng) 采用APC公司機房專用室內(nèi)空調(diào)機組，并可嵌入服務(wù)器柜群中，

14、空調(diào)機組向前 送風(fēng)全制冷通道，冷風(fēng)流進機柜向后排風(fēng)到熱通道，有效解決了機房內(nèi)機柜高密 度設(shè)備的散熱要求。系統(tǒng)主要組成部分：室內(nèi)空調(diào)機組系統(tǒng)室風(fēng)空調(diào)機組系統(tǒng)新風(fēng)系統(tǒng)機房裝飾裝修及機房加固工程實施機房裝飾裝修必須充分考慮到自身防火、防塵、防潮、保溫、防靜電、易清潔等因素。因機房裝修是在原數(shù)據(jù)中心機房基礎(chǔ)上擴大裝修，故必須考慮對 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備實行現(xiàn)場保護，以確保在機房裝修改造期間不影響原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 的正常運行。機房面積132平方米，最低凈高2.3米，最高凈高3.0米。整個機房劃 分三個功能區(qū)：數(shù)據(jù)中心機房、監(jiān)控室和 UPS電池室。系統(tǒng)主要組成部分包括：吊頂裝飾墻面、柱面裝飾防火玻璃隔斷 門窗裝飾地

15、面防靜電處理機房局部加固智能綜合布線及電視監(jiān)控門禁系統(tǒng)本系統(tǒng)采用泰科電子公司AMPTRAC智能布線管理系統(tǒng)，它是一個端到 端的解決方案，它是一個智能的布線管理系統(tǒng)，可以在自動生成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完整的 物理拓撲結(jié)構(gòu)圖并且能夠自動存檔，即使網(wǎng)絡(luò)管理員不在網(wǎng)絡(luò)機房現(xiàn)場， 也能夠 在線獲得網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)信息，為網(wǎng)絡(luò)管理和排除故障。減少網(wǎng)絡(luò)管理人員勞動強 度，提高網(wǎng)絡(luò)管理效率，減少網(wǎng)絡(luò)故障風(fēng)險。智能布線管理系統(tǒng)通過實時的物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層自動管理，能夠監(jiān)控、 發(fā)現(xiàn)、繪制和歸檔實時網(wǎng)絡(luò)連接，提供一份實時、完整的網(wǎng)絡(luò)故障診斷和災(zāi)難恢 復(fù)文檔資料，7 小2時全天候不間斷實時記錄網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)的增加、移動、刪除，可以明

16、顯減少網(wǎng)絡(luò)管理員手動記錄網(wǎng)絡(luò)連接的工作量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的時候,網(wǎng)絡(luò)管理員可以以最快的速度排除故障， 從而大大降低網(wǎng)絡(luò)宕機造成的損失 和提高網(wǎng)絡(luò)管理效率。系統(tǒng)主要組成部分包括：接入?yún)^(qū)布線主配線區(qū)布線水平區(qū)布線設(shè)備區(qū)布線辦公區(qū)布線接入智能布線管理系統(tǒng)機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測、APC室內(nèi)空調(diào)機組運行狀態(tài)監(jiān)測、APC機柜內(nèi)PDU供電狀態(tài)監(jiān)控、機柜 內(nèi)運行溫度監(jiān)控、機房漏水監(jiān)測等。系統(tǒng)采用APC “英飛”管理系統(tǒng)對上述設(shè)備及運行環(huán)境進行監(jiān)測，并通過網(wǎng)絡(luò)對運行狀態(tài)通過控制臺界面顯示出來，供機房工作人員監(jiān)控用。系統(tǒng)主要組成部分包括：環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)溫度傳感系統(tǒng)漏水探測系統(tǒng)與APC空調(diào)、UPS等設(shè)備各類接口系統(tǒng)

17、服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集中監(jiān)控KVM系統(tǒng)通過本系統(tǒng)建設(shè)，可以讓用戶通過本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)所有連接的服務(wù)器和基于串口管理的設(shè)備（交換機、路由器等）進行 BIOS級的控制。主 要功能包括：本地設(shè)備控管功能局域網(wǎng)設(shè)備控管功能互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備控管功能 VM （虛擬媒體）功能用戶認證功能機房防雷及接地系統(tǒng)防雷擊是一個系統(tǒng)工程。包括建筑物防雷和電器設(shè)備安全防護兩大部分，即外部防雷和內(nèi)部防雷，防雷工程設(shè)計強調(diào)全方位防護，綜合治理，層層設(shè) 防。為了提高機房設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行可靠性，為機房工作人員提供一個安全 的工作環(huán)境，一方面建筑物需要架設(shè)良好的避雷針、避雷帶，采取完成直擊的雷 防護措施。另一方面，還應(yīng)在建筑物的電

18、源系統(tǒng)（所有供電設(shè)備、用電設(shè)備、備 用發(fā)電設(shè)備）、天饋系統(tǒng)、信號采集傳輸系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 等設(shè)備進行可靠有效的防護，在攔截、分流、均衡、屏蔽、接地、布線等六大方 面均作完整的，多層次的防護。氣體消防系統(tǒng)本系統(tǒng)采用廣東勝捷消防器材設(shè)備有限公司七氟丙烷滅火系統(tǒng)進行保護，七氟丙烷滅火系統(tǒng)具有氣體滅火的優(yōu)點，并具有滅火效能高、無污染、不導(dǎo) 電、儲存空間小、優(yōu)良的環(huán)保性能等特點，使用8.3%的設(shè)計濃度，能可靠地撲滅主機房區(qū)域內(nèi)火災(zāi)及電器火災(zāi)。主要功能包括：消防報警系統(tǒng)氣體滅火系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成搬遷系統(tǒng)本次科技信息中心機房搬遷涉及到兩個獨立的部分：主機房、小機房。但這兩個部分基本都可分成相同或

19、相似的幾方面內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、服務(wù)器及工作站、電源系統(tǒng)及連接線路。系統(tǒng)搬遷涉及的設(shè)備主要有： HP服務(wù)器 IBM服務(wù)器 DELL服務(wù)器工作站磁盤陣列 CISCO/Nortel網(wǎng)絡(luò)交換機路由器防火墻及其它網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備 廣域網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)）線路及設(shè)備遷移在搬遷過程中，系統(tǒng)允許短時間中斷，但要保證全過程的數(shù)據(jù)安全及 完整2.2節(jié)能降耗設(shè)計數(shù)據(jù)中心的建設(shè)開始向高熱密度的方向發(fā)展，隨之機房能耗的大幅增 加。據(jù)測算，數(shù)據(jù)中心的能耗中，冷卻降溫占了整個能耗的60%以上。所以機房的節(jié)能降耗從機房空調(diào)著手是可行的。 在項目整體設(shè)計中，處于節(jié)能降耗的 考慮，設(shè)計了以下三種措施。措施一：適度調(diào)高室外冷水系統(tǒng)制冷

20、主機出水溫度。據(jù)APC InRow Rc機房空調(diào)器的參數(shù)，其送風(fēng)溫度是 21 C，考慮到換 熱溫差，室外冷水系統(tǒng)輸出15 C的冷凍水即可滿足室內(nèi)In Row Rc機房空調(diào)器 要求，這樣就可以將室外主機 MAC21OD的輸出水溫設(shè)定調(diào)高到15 C。在同樣 的氣候條件及機房工況情況下，室外系統(tǒng)制冷主機的運轉(zhuǎn)時間縮短了， 開停比更 趨合理。綜合來說，這一措施可以節(jié)電 20%以上。與此同時，因較高的輸入水 溫，也降低了室內(nèi)空調(diào)機的除溫作用， 使機房內(nèi)保持適度的空氣濕度，可避免啟 動加濕機加濕而額外增加的能耗。措施二：室外冷水系統(tǒng)中加裝自然冷卻單元一“ Freecooling Unit”。自然冷卻單元“

21、Freecooli ng Unit”接入室外冷水系統(tǒng)的回水管路中當(dāng)室外氣溫低于10 °C，這個單元可以吸收空氣中的冷量，降低冷凍水的水溫到 15 C或以下。這個水溫的冷凍水在經(jīng)過室外冷水系統(tǒng)制冷主機時不會啟動壓縮 機制冷工作，這種情況就等于自動停用了室外主機。三個月可節(jié)電近 25%。自然冷卻單元主要部分是一臺 FNV-540干冷器（空冷器），頂部有二臺 大功率風(fēng)機。風(fēng)機的控制回路中接入了溫度控制系統(tǒng)及變頻器，用來調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，使用時不論外界氣溫如何變化，均可確保輸出的水溫始終在10 C-15 C范 圍內(nèi)。措施三：封閉機柜間的熱通道，杜絕冷熱空氣短路。機房的氣流布局已建立了冷熱通道模

22、式，仍不能避免地有冷熱空氣短路 現(xiàn)象，這無疑會造成能耗的增加。可以在二排機柜間的二端加裝帶玻璃視窗的活動移門，熱通道頂部加裝隔離罩，將熱通道徹底封閉起來，杜絕冷熱空氣短路， 對于節(jié)能有很好的效果。3項目實施項目完成后，從2014年11月投入使用。使用至今，平均每月電費下 降了 33%。未來將考慮把服務(wù)器從現(xiàn)在的近100臺擴展到規(guī)劃中的最高容量250 臺，節(jié)能效果將更加明顯。初步測算，雖然 APC英飛系統(tǒng)單價比傳統(tǒng)設(shè)備貴， 但是從整體來說能節(jié)約10%以上的費用。機房制冷通過夾在機柜中間的APC “ InRow ”空調(diào)來完成的。據(jù)介紹，空調(diào)是通過傳感器感知機柜內(nèi)的溫度來 決定風(fēng)量的，可以根據(jù)熱度自動調(diào)節(jié)溫度，人走進機柜讓它感覺到了溫度的升高， 轉(zhuǎn)速也加快了，這時節(jié)能的一個關(guān)鍵技術(shù)手段之一。項目對機房最重要的環(huán)節(jié) UPS進行了重新規(guī)劃，配置了兩套80KVA的 UPS模塊，每套UPS模塊采用“ N+1 ”的冗余配置，兩套互為備份。新機房在 在機房建設(shè)時特意新添了減震措施，同時，還針對辦公樓承重不夠的問題進行了 特別加固，對供電線路也進行了全面改造和升級。未來將