一种低功耗中小型数据中心机房的方案设计与应用-软件技术.doc

一种低功耗中小型数据中心机房的方案设计与应用-软件技术一种低功耗中小型数据中心机房的方案设计与应用 金磊 上海科太计算机系统集成有限公司 上海 200050） 摘 要 近年来，随着社会信息化的高度发展和数字化进程的推进，数据中心的建设开始向高热密度的方向发展。现代数据中心机房的发展，引起了机架与机柜内的设备布置、电源分配、热量冷却、线缆管理、状态监控等一系列问题，高密度的设备机架与机柜内的散热成了影响系统运行可靠性和可用性的一个重要因素。本文以上海市科技信息中心为背景，借鉴国外数据中心基础设施的标准，设计了一套针对小型数据中心机房的建设方案。该方案涵盖了UPS、精密配电柜、机柜、精密制冷空调、环境监测设备、管理、服务等方面，具有更高的节能型、经济性、可扩充性等特色，将用户从传统的关注机房的大空间引导到关注IT关键设备的机柜“微环境”，实现按需增长、按需定制。 关键词 数据中心机房, 节能, 空调系统 中图分类号：TP3 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1674-7933.2016.05.08 Design and Application of a Low Power Medium and Small IDC JIN Lei Abstract In recent years, with the high development of social information and the advancement of digital process,the construction of data center begins to develop in the direction of high heat density. The development of IDC, causinga series of problems such as the rack and cabinet equipment layout, power distribution, cooling, cable managementstate control, high density of the equipment rack and cabinet cooling become one of the most important factors affectingthe operation of system reliability and availability. This paper takes the Shanghai Science and Technology InformationCenter as the background, draws on the standard of the foreign data center infrastructure, designs a set of constructionscheme for the small data center room. The program covers the UPS, precision distribution cabinets, cabinets, precisionrefrigeration and air conditioning, environmental monitoring equipment, management, service, etc., with a higher energysaving, economy, scalability and other features. The program will guide the user to focus on critical IT equipment cabinet”micro-environment” to grow and develop on demand. KeyWords IDC, Energy Conservation, Air Conditioning System 0 引言 近年来，随着社会信息化的高度发展和数字化进程的推进，数据中心的建设开始向高热密度的方向发展。数据中心机房建设概述核心机房技术在20世纪80年代开始建立雏形1，在21世纪得到了快速发展，随之机房能耗大幅增加。由于能耗不断增长，数据中心成本也随之提高，若将服务器能源成本与相关基础设施的成本加在一起，一台服务器的电源和散热总成本是服务器购买成本的两倍2。上世纪九十年代，相对于lT设备的购买成本，许多企业都将电源和散热成本忽略不计。如今情况大为不同，能源和散热成本已严重失控。据测算，数据中心的能耗中，冷却降温占了整个能耗的60%以上3。所以从机房空调着手对机房节能降耗势在必行。 现代数据中心机房的发展，引起了机架与机柜内的设备布置、电源分配、热量冷却、线缆管理、状态监控等一系列问题，高密度的设备机架与机柜内的散热成了影响系统运行可靠性和可用性的一个重要因素4。随着计算机系统集成度的提高、单位容积中功耗与散热的增加，机柜内能安置的设备数量越来越多，密度也越来越高。机架与机柜的合理有序地排列，不仅为设备区域的划分和管理，提供了方便，更为设备的使用与运行提供了保障。 数据中心基础设施的规划和设计标准，已经被越来越多的业内人士所重视。本文以上海市科技信息中心为背景，借鉴美国APC公司CnfraStru Xure整体机房解决方案，设计了一套针对小型数据中心机房的建设方案。建设采用APC“英飞”集成系统，为数据中心打造一个全新的NCPI（网络关键物理基础架构）机房。该方案保证了机房的高可用性，将用户从传统的关注机房的大空间引导到关注IT关键设备的机柜“微环境”，实现按需增长、按需定制。 1 需求分析 随着冬季来临，为完善整个机房空调系统，在原有室外冷冻水系系统中增加一套自然冷却增强系统是必要的。主要基于下述两点考虑： 1) 近年来上海地区冬季出现的极度低温气候，对冬季仍处于制冷工作状态的室外空调机是个隐患，低温会导致空调机内部系统压力过低而出现的压缩机不启动现象。当加装了自然冷却增强器后，空调机的工作环境温度就提高到了6以上（原理另述），即可避免以上提到的低温环境造成的隐患。 实用案例是：APC公司用来同APC InRow Rc机房空调器配套的室外冷冻水系统主机，同样采用的是压缩机制冷和自然空气冷却两套系统的组合。两套系统可以根据室外的环境温度的高低进行自动切换运行。 2) 上海地区的冬季低温气候同样为数据中心的节能降耗提供了有利条件。据测算，数据中心的能耗中，冷却降温占了整个机房总能耗的60%以上。所以机房的节能降耗从机房空调着手是主要方向。根据上海冬季的平均气温6约三个月的自然条件，可以推算出室外冷冻水系统接入自然冷却器后，机房空调系统的能耗可以再降低约22%。 本项目设计目标是确保中心数据机房内各种网络设备、服务器可靠运行；保障作人员良好的工作环境；各项功能完整配套，达到专业规范、技术选进、经济合理、安全适用、质量优良、管理方便之目的5。为了达到上述的项目建设目标，在数据中心机房建设时我们主要考虑以下几点： 1) 市科委的信息系统越来越依托网络提供服务，高可用性的供配电系统是至关重要的。必须对全部网络数据节点、服务器、网络设备、存储设备等提供全面的保护。一方面避免由于电力故障造成设备的瘫痪，另一方面保证在断电的情况下，系统能继续可靠的运行，不使数据丢失和损坏。 2) 机房内设备众多，对环境温度和湿度、尘埃数量都有严格的要求，所以在建设机房的空调系统时，应根据机房冷量的需要选用适用的空调装置。 3) 机房室内装修要达到舒适宜人、简洁明快的效果，使工作人员能身心良好的工作。 4) 由于机房用途的特殊性，在选用装修材料时考虑用不易积尘、变形、易清洁、防静电、防电磁干扰、防火性佳且耐用的材料。 5) 尤其应重视计算机机房内设备和供配电设备和材料的可靠性，全部需采用符合国际标准的进口产品或国内优质标准的产品，技术性能和安装工艺均符合国家标准，以确保系统运行稳定，使故障率达到最低。 6) 机房设计应具有超前意识和较高的科技含量，应考虑到今后增加设备所需的空间、空调及电力，能够满足未来业务发展的需要。 2 功能设计 上海市科技信息中心主机房是市科委计算机网络系统重要场地，是信息集中处理网络设备运行的中心枢纽。它必须保证中心机房内计算机设备正常有效地运行，并成为市科委网络和数据库中心之一。为使计算机网络系统能正常运行，以及工作人员能创造一个良好的工作环境，对该机房空调、电力、照明、消防、防静电、防雷击、接地、室内装修等方面进行了功能设计。 2.1 功能设计方案 无根据上海市科技信息中心小型数据中心机房升级改造需求，为本项目设计了若干子系统，下面对各子系统的功能进行概述。 2.1.1 机房电气系统工程设计方案 数据中心机房的供配电系统是为满足机房内计算机网络设备、外部设备、空调设备、UPS电源、机房照明系统等供电要求，以保证获得稳定、可靠的供电电源。 通过该系统的建设，可保障数据中心机房内全部计算机设备硬件有故障容错的双电源输入，由双路电源供电，有冗余的组成部分。系统主要组成部分包括： 供配电系统 UPS电源系统 机柜电源系统 防雷接地系统 2.1.2 机房空调系统工程实施 数据中心机房空调系统能满足机房服务器、网络设备的制冷要求。系统采用APC公司机房专用室内空调机组，并可嵌入服务器柜群中，空调机组向前送风全制冷通道，冷风流进机柜向后排风到热通道，有效解决了机房内机柜高密度设备的散热要求。系统主要组成部分： 室内空调机组系统 室风空调机组系统 新风系统 2.1.3 机房装饰装修及机房加固工程实施 机房装饰装修必须充分考虑到自身防火、防尘、防潮、保温、防静电、易清洁等因素。因机房装修是在原数据中心机房基础上扩大装修，故必须考虑对现有网络和设备实行现场保护，以确保在机房装修改造期间不影响原有网络设备的正常运行。 机房面积132平方米，最低净高2.3米，最高净高3.0米。整个机房划分三个功能区：数据中心机房、监控室和UPS电池室。系统主要组成部分包括： 吊顶装饰 墙面、柱面装饰 防火玻璃隔断 门窗装饰 地面防静电处理 机房局部加固 2.1.4 智能综合布线及电视监控门禁系统 本系统采用泰科电子公司AMPTRAC智能布线管理系统，它是一个端到端的解决方案，它是一个智能的布线管理系统，可以在自动生成网络系统完整的物理拓扑结构图并且能够自动存档，即使网络管理员不在网络机房现场，也能够在线获得网络布线系统信息，为网络管理和排除故障。减少网络管理人员劳动强度，提高网络管理效率，减少网络故障风险。 智能布线管理系统通过实时的物理层、数据链路层自动管理，能够监控、发现、绘制和归档实时网络连接，提供一份实时、完整的网络故障诊断和灾难恢复文档资料，724小时全天候不间断实时记录网络布线系统的增加、移动、删除，可以明显减少网络管理员手动记录网络连接的工作量，当网络发生故障的时候，网络管理员可以以最快的速度排除故障，从而大大降低网络宕机造成的损失和提高网络管理效率。系统主要组成部分包括： 接入区布线 主配线区布线 水平区布线 设备区布线 办公区布线接入 智能布线管理系统 2.1.5 机房环境监控系统 纳入机房环境监控范围包括：机房市电监测、APC UPS主机运行状态监测、APC室内空调机组运行状态监测、APC机柜内PDU供电状态监控、机柜内运行温度监控、机房漏水监测等。系统采用APC“英飞”管理系统对上述设备及运行环境进行监测，并通过网络对运行状态通过控制台界面显示出来，供机房工作人员监控用。系统主要组成部分包括： 环境监控管理系统 温度传感系统 漏水探测系统 与APC空调、UPS等设备各类接口系统 2.1.6 服务器/网络设备集中监控KVM系统 通过本系统建设，可以让用户通过本系统对数据中心机房内所有连接的服务器和基于串口管理的设备（交换机、路由器等）进行 BIOS 级的控制。主要功能包括： 本地设备控管功能 局域网设备控管功能 互联网设备控管功能 VM（虚拟媒体）功能 用户认证功能 2.1.7 机房防雷及接地系统 防雷击是一个系统工程。包括建筑物防雷和电器设备安全防护两大部分，即外部防雷和内部防雷，防雷工程设计强调全方位防护，综合治理，层层设防。为了提高机房设备及网络系统的运行可靠性，为机房工作人员提供一个安全的工作环境，一方面建筑物需要架设良好的避雷针、避雷带，采取完成直击的雷防护措施。另一方面，还应在建筑物的电源系统（所有供电设备、用电设备、备用发电设备）、天馈系统、信号采集传输系统、程控交换系统、计算机网络系统等设备进行可靠有效的防护，在拦截、分流、均衡、屏蔽、接地、布线等六大方面均作完整的，多层次的防护。 2.1.8 气体消防系统 本系统采用广东胜捷消防器材设备有限公司七氟丙烷灭火系统进行保护，七氟丙烷灭火系统具有气体灭火的优点，并具有灭火效能高、无污染、不导电、储存空间小、优良的环保性能等特点，使用8.3%的设计浓度，能可靠地扑灭主机房区域内火灾及电器火灾。主要功能包括： 消防报警系统 气体灭火系统 2.1.9 网络集成搬迁系统 本次科技信息中心机房搬迁涉及到两个独立的部分：主机房、小机房。但这两个部分基本都可分成相同或相似的几方面内容，网络及网络安全设备、服务器及工作站、电源系统及连接线路。系统搬迁涉及的设备主要有： HP服务器 IBM服务器 DELL服务器 工作站 磁盘阵列 CISCO/Nortel网络交换机 路由器 防火墙及其它网络安全设备 广域网（互联网）线路及设备迁移 在搬迁过程中，系统允许短时间中断，但要保证全过程的数据安全及完整 2.2 节能降耗设计 数据中心的建设开始向高热密度的方向发展，随之机房能耗的大幅增加。 据测算，数据中心的能耗中，冷却降温占了整个能耗的60%以上。 所以机房的节能降耗从机房空调着手是可行的。在项目整体设计中，处于节能降耗的考虑，设计了以下三种措施。 措施一：适度调高室外冷水系统制冷主机出水温度。 据APC InRow Rc机房空调器的参数，其送风温度是21，考虑到换热温差，室外冷水系统输出15的冷冻水即可满足室内InRow Rc机房空调器要求，这样就可以将室外主机MAC21OD的输出水温设定调高到15。在同样的气候条件及机房工况情况下，室外系统制冷主机的运转时间缩短了，开停比更趋合理。 综合来说，这一措施可以节电20%以上。 与此同时，因较高的输入水温，也降低了室内空调机的除温作用，使机房内保持适度的空气湿度，可避免启动加湿机加湿而额外增加的能耗。 措施二：室外冷水系统中加装自然冷却单元 “Freecooling Unit”。 自然冷却单元“Freecooling Unit”接入室外冷水系统的回水管路中。 当室外气温低于10，这个单元可以吸收空气中的冷量，降低冷冻水的水温到15或以下。 这个水温的冷冻水在经过室外冷水系统制冷主机时不会启动压缩机制冷工作，这种情况就等于自动停用了室外主机。三个月可节电近25%。 自然冷却单元主要部分是一台FNV-540干冷器（空冷器），顶部有二台大功率风机。风机的控制回路中接入了温度控制系统及变频器，用来调节风机的转速，使用时不论外界气温如何变化，均可确保输出的水温始终在10-15范围内。措施三：封闭机柜间的热通道，杜绝冷热空气短路。 机房的气流布局已建立了冷热通道模式，仍不能避免地有冷热空气短路现象，这无疑会造成能耗的增加。 可以在二排机柜间的二端加装带玻璃视窗的活动移门，热通道顶部加装隔离罩，将热通道彻底封闭起来，杜绝冷热空气短路，对于节能有很好的效果。 3 项目实施 项目完成后，从2014年11月投入使用。使用至今，平均每月电费下降了33%。未来将考虑把服务器从现在的近100台扩展到规划中的最高容量250台，节能效果将更加明显。初步测算，虽然APC英飞系统单价比传统设备贵，但是从整体来说能节约10%以上的费用。机房制冷通过夹在机柜中间的APC“InRow”空调来完成的。据介绍，空调是通过传感器感知机柜内的温度来决定风量的，可以根据热度自动调节温度，人走进机柜让它感觉到了温度的升高，转速也加快了，这时节能的一个关键技术手段之一。 项目对机房最重要的环节UPS进行了重新规划，配置了两套80KVA的UPS模块，每套UPS模块采用“N+1”的冗余配置，两套互为备份。新机房在在机房建设时特意新添了减震措施，同时，还针对办公楼承重不够的问题进行了特别加固，对供电线路也进行了全面改造和升级。未来将继