总第15期
Practice    实践
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百度阳泉数据中心的绿色节能之道
文/年华、于洪爽、王国华
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随着云计算、大数据及移动互联网业务的迅猛发展,国内数据中心的建设步伐也越来越快。与此同时,数据中心的节能降耗、绿色发展的问题也进一步凸显。如何运用新技术、新工艺、新产品降低机房制冷所消耗的电能,建设新一代绿色数据中心,已成为数据中心行业关注的焦点问题。

绿色数据中心是数据中心发展的必然。总体来说,绿色数据中心的“绿色”体现在整体的设计规划以及机房空调、UPS、服务器等IT设备、管理软件应用上,要具备节能环保、高可靠的可用性和合理性。

近些年,在国家层面上,国家也一直在积极引导绿色节能数据中心的建设。先后出台多项政策,大力推广绿色数据中心先进适用技术,抓紧制定数据中心相关标准,在数据中心建设前会进行严格的能耗审查,做好管控工作。2016年12月15日,国务院印发《“十三五”国家信息化规划》,规划中提到,未来国家信息化发展的主攻方向,要“支撑绿色低碳,构建发展新模式”。积极推广节能减排新技术在信息通信行业的应用,加快推进数据中心、基站等高耗能信息载体的绿色节能改造。2017年12月20日,工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局三部委联合公布了《国家绿色数据中心名单(第一批)》名单,对于绿色数据中心的落地实施进一步进行了政策层面的引导。

置顶空调+自然冷却,节能关键技术

国内大型数据中心的建设实施,也在积极的响应国家政策号召,在绿色节能方面做出表率。由新华三主导设计的百度云计算(阳泉)数据中心,应用了多项数据中心先进设计理念,如OCC(顶置对流空调)、高压直流等技术,在总体量超过10万平米的数据中心园区内,采用了先进设计技术并成功落地。同时,国内率先采用的太阳能光伏技术,年发电量约为12.6万kW.h,此外还签约风电2600万度,全部投产后预计每年节电2.2亿度,相当于中国24万户家庭的全年用电量,减排二氧化碳20.3万吨,是唯一通过绿色数据中心双5A权威认证的IDC。基于这些先进设计理念,该数据中心也获得了多项国内外大奖,如:“2015数据中心最佳能效奖”、世界自然基金会“最佳数据中心设计奖”、国际环保大会“国际碳金奖”。

在节能减排方面,该数据中心采用了新型绿色机房空调系统——顶置对流空调(Overhead Convection Cooling)。这项技术的制冷模式大大降低PUE值,改变了数据中心传统观念,美国雅虎多个数据中心采用此方式已经成功运行了9年多,PUE值可达1.3以下。在国内,百度阳泉项目则是大型数据中心中首先采取这种设计的成功典范。

顶置对流空调,顾名思义,其结构形式为将冷却盘管顶置在服务器机架上面,不需要单独设置风机,利用空气的物理特性,冷热空气自然流动。该结构模式盘管末端冷冻水阻力很小,基本在2m水柱,可降低水泵扬程;同时这种冷却设备没有风机,与传统精密空调相比,成功地将风机耗电降低至零,这是降低PUE的关键所在。

我们对于空调末端设备进行比较,服务器进风温度27℃,冷冻水供回水15/21℃,针对于顶置对流冷却单元和精密空调,从下图中可清晰的看出其优劣势。顶置对流空调方案由于采用无风机的顶置对流末端,PUE减少12%~20%左右。

精密空调+架空地板方案

顶置对流空调方案

同时我们还利用BIM技术及CFD技术对这种设备进行了模拟分析和技术测算。从气流组织来看,顶置对流空调采用自平衡,基本上消除再循环和旁路空气,没有室外空气污染。我们曾对其中一个机房进行CFD模拟,结果比较理想。该数据中心目前已经投入运行,效果良好,据业主反馈,PUE达1.1左右。

顶置对流空调气流组织模拟

机柜平均进风温度分布

从可靠性方面考虑,顶置对流空调可不间断维修盘管和阀门,没有风机等易损的设备,系统组件减少,操作维护方便。

从成本方面考虑,顶置对流空调初投资较低,盘管造价比精密空调便宜很多,且该模式不需要架空地板及专用空调间,节省占地面积,可用来放置更多机柜。而且对于顶置对流冷却模块化,可按照IDC模式部署,模块化包括盘管,冷冻水管,温控器,传感器,火灾报警等,这些模块工厂预制化安装,实施快速部署,通常三四天时间可以布置一组模块。

除此之外,百度项目还应用了水侧自然免费冷却技术(Free Cooling),充分利用室外自然冷源。全年超过65%以上时间可使用室外自然冷源免费冷却。

由于数据中心采用了高温服务器及新型的气流组织结合的零功耗的新型空调末端,充分利用了天然的冷源,冷却模式分为机械制冷、预冷和自然冷却三种模式,全年免费冷却能达到96%,相当于每年全部用冷机的时间只有两周,即三百多个小时,剩下的大部分时间都是免费冷却状态。

新一代全球领先的供电架构

百度阳泉数据中心电力设计方面,电气系统的10kV主接线采用分段单母线运行的接线方式。正常情况下10kV两路电源同时工作,互为备用,母联断路器断开运行。母联设自投装置。自投装置可手动解除,处于自动状态时,当一路电源失电,延时2秒后自动投入母联开关。当失电电源恢复供电后,手动恢复正常状态(即自投不自复)。每路电源可提供100%的供电能力。两路进线和母联开关之间设电气连锁,任何时候只能有两台开关处于合闸状态。柴发进线开关和市电进线开关设置电气联锁,确保不同时合闸。

低压接线采用分段单母线的接线方式,两段母线设联络开关。正常运行情况母联断开,当其中一路故障或检修时,先断主进线开关,后闭合母联开关,另一路承担全部负荷。母联设自投装置,自投装置可手动解除,处于自动状态时,当一台变压器故障失电后,经过延时母联开关自动投入,两路进线与母联开关设电气联锁,任何时候只能有两台开关处于合闸状态。当一台变压器失电后,另一台变压器向两台变压器所带全部负荷供电。当失电电源恢复供电后,手动恢复正常状态。(即自投不自复)

在2012年百度项目一期,在业内率先采用包含UPS+ECO单机运行模式在内的市电+UPS、市电+UPS(ECO)模式、市电+高压直流在线、市电+高压直流离线四种架构,其中IT模块机房采用240V高压直流+市电的供电模式,内网核心机房以及超核机房采用双路48V直流的供电模式,极大地保障了电力可靠性。配合国内首批内置式锂电池机柜,完全摒弃了UPS和铅酸电池的配置,节省出25%的机房空间,最大限度的利用了资源。

之后每期都在不断优化高压直流HVDC系统方案,电气系统不断突破传统构架束缚,首次采用主用市电+HVDC offline供电构架,比市场主流技术能效提升10%以上,供电效率也大幅提升,将电源转换效率做到极致,年均可节电达4200万度。

在技术和系统构架不断创新的同时,为了确保系统的稳定性和降低故障风险,增加了高压直流离线测试系统,以来保障出现故障在第一时间发现。

另外由于数据中心采用了新一代全球领先的供电架构,应用自主研发的专利成果,与定制服务器协同,系统供电效率提升至99.5%以上,投资成本降低60%,可用性达99.99%。此举彻底改变了传统供电模式,使其成为绿色数据中心。

此外,本项目充分利用屋顶空间,率先落地了国内首个“数据中心光伏发电项目”,实现太阳能直接并网发电,即发即用,直接为服务器供电,开创了新一代数据中心绿色节能新纪元。

结束语

基于绿色节能的新一代数据中心的未来已来,应用大量新型绿色数据中心节能设计技术,新华三也在绿色数据中心节能领域做出了积极的探索,作为数字化解决方案领导者,新华三未来也必将为客户提供更有价值的数据中心服务。

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