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本文中，來(lái)自蒙特（Munters）的Keith Dunnavant和來(lái)自維薩拉（Vaisala）的Anu Kätkä將描述數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的未來(lái)走向，并討論暖通空調(diào)測(cè)量對(duì)能源效率的影響。隨著能源成本不斷攀升和各國(guó)政府迫切尋求減少溫室氣體排放的機(jī)會(huì)，數(shù)據(jù)中心能效成為國(guó)際關(guān)注的焦點(diǎn)。

兩位作者在數(shù)據(jù)中心的能源管理方面均擁有長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)和豐富的專業(yè)知識(shí)。蒙特是為包括數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的關(guān)鍵任務(wù)流程提供節(jié)能和可持續(xù)氣候控制解決方案的設(shè)備生產(chǎn)廠商，而維薩拉是天氣、環(huán)境和工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的設(shè)備生產(chǎn)廠商。

一、數(shù)據(jù)中心能耗

全球?qū)﹄娏Φ男枨罅考s為20,000太瓦時(shí)；ICT（信息與通信技術(shù)）行業(yè)使用2,000太瓦時(shí)，而數(shù)據(jù)中心使用大約200太瓦時(shí)，占總量的1%。因此，數(shù)據(jù)中心是多數(shù)國(guó)家和地區(qū)能源消耗的重要部分。據(jù)估計(jì)，全球的數(shù)據(jù)中心有超過1,800萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器。除了自身的電力需求外，這些IT設(shè)備還需要配套的基礎(chǔ)設(shè)施，例如冷卻、配電、滅火、不間斷電源、發(fā)電機(jī)等。

為比較數(shù)據(jù)中心的能效，通常的做法是使用“電源使用效率”(PUE) 作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，即數(shù)據(jù)中心使用的總能源與IT使用的能源之比。理想情況下的PUE為1，這意味著所有能源都用于IT，而配套基礎(chǔ)設(shè)施不消耗任何能源。

因此，要更大限度地降低PUE，就需要減少冷卻和配電等配套基礎(chǔ)設(shè)施的消耗。現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)中心的PUE 通常約為2，而大型超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心可達(dá)到1.2以下。2020年，全球平均水平約為1.67。這意味著平均而言，總能耗的 40%是非IT消耗。然而，PUE是一個(gè)比值，不能體現(xiàn)能源消耗總量，這意味著如果IT設(shè)備相比冷卻系統(tǒng)消耗的能源水平較高，則PUE看起來(lái)會(huì)很低。因此，衡量總功耗以及IT設(shè)備的效率和生命周期也很重要。此外，從環(huán)境的角度來(lái)看，還應(yīng)考慮發(fā)電方式、消耗的水量（包括發(fā)電和現(xiàn)場(chǎng)冷卻）以及是否利用廢熱。

PUE概念最初由綠色網(wǎng)格聯(lián)盟（Green Grid）于2006年提出，并于2016年作為ISO標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。Green Grid是一個(gè)開放的行業(yè)聯(lián)盟，由數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商、云提供商、技術(shù)和設(shè)備供應(yīng)商、設(shè)施架構(gòu)師和終端用戶組成，致力于在全球范圍內(nèi)提高數(shù)據(jù)中心生態(tài)系統(tǒng)的能源和資源效率，努力降低碳排放。

PUE仍然是計(jì)算數(shù)據(jù)中心能效的常用方法。例如，在蒙特，PUE是根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的峰值和年化基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)估的。在計(jì)算PUE指標(biāo)時(shí)，在PUE的計(jì)算中僅考慮IT負(fù)荷和冷負(fù)荷。這稱為部分PUE (pPUE) 或機(jī)械 PUE (PUEM)。電氣工程師使用峰值pPUE來(lái)確定最大負(fù)荷以及備用發(fā)電機(jī)的大小。年化pPUE用于評(píng)估一年的典型耗電量，并與其他冷卻方案進(jìn)行比較。雖然PUE可能不是一個(gè)完美的工具，但隨著WUE（水利用效率）、CUE（碳使用效率）等其他衡量標(biāo)準(zhǔn)以及SPUE（服務(wù)器 PUE）和TUE（總 PUE）等可增強(qiáng)PUE相關(guān)性的方法的采用，PUE得到越來(lái)越多的支持。

二、數(shù)據(jù)中心趨勢(shì)

在過去十年中，高效的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心在數(shù)據(jù)中心總能耗中的相對(duì)份額有所增加，而許多效率較低的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)關(guān)閉。因此，總能源消耗尚未明顯增加。這些新建的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心專為提高效率而設(shè)計(jì)。然而我們知道，由于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)化、無(wú)人駕駛汽車等許多新興趨勢(shì)的涌現(xiàn)，對(duì)信息服務(wù)和計(jì)算機(jī)密集型應(yīng)用程序的需求將會(huì)不斷增長(zhǎng)。因此，數(shù)據(jù)中心的能源需求預(yù)計(jì)會(huì)有所增加，而增加多少則是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。在最理想的情況下，與當(dāng)前需求相比，到2030年全球數(shù)據(jù)中心的能源消耗將增加三倍，但更有可能增加八倍。這些能源消耗預(yù)測(cè)中包含了IT和非IT基礎(chǔ)設(shè)施。大部分非 IT 能源消耗來(lái)自冷卻，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，來(lái)自服務(wù)器的散熱，僅冷卻成本就可輕松占據(jù)年度總能源成本的25%及以上。毫無(wú)疑問，冷卻是維持IT功能的必要條件，并可以通過設(shè)計(jì)優(yōu)良、運(yùn)行高效的建筑系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化。

近期的一個(gè)重要趨勢(shì)是服務(wù)器機(jī)架功率密度增加，有些甚至高達(dá)30至40千瓦及以上。根據(jù)數(shù)據(jù)中心專業(yè)人士行業(yè)協(xié)會(huì)AFCOM進(jìn)行的研究，2020 年數(shù)據(jù)中心狀態(tài)報(bào)告表明，平均機(jī)架密度躍升至每個(gè)機(jī)架8.2 kW，高于2019年的7.3 kW和2018年的 7.2 kW。約68%的受訪者表示，機(jī)架密度在過去三年中有所增加。

向云計(jì)算的轉(zhuǎn)變無(wú)疑推動(dòng)了超大規(guī)模和托管型數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。從歷史上看，一個(gè) 1兆瓦數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)初衷是為了滿足銀行、航空公司或大學(xué)的需求，但許多機(jī)構(gòu)和公司現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向超大規(guī)模和托管型數(shù)據(jù)中心設(shè)施內(nèi)的云服務(wù)。隨著這一需求的不斷增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)速度的要求也越來(lái)越高，所有這些數(shù)據(jù)中心都服務(wù)于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用，因此，基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性至關(guān)重要。

同時(shí)，人們也越來(lái)越關(guān)注邊緣數(shù)據(jù)中心以減少延遲，還采用液體冷卻來(lái)應(yīng)對(duì)高性能芯片，并以此來(lái)減少能源使用。

三、溫度和濕度控制

對(duì)于提升風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心冷卻能效，首要考慮的因素之一是熱通道/冷通道溫濕度控制。遺憾的是，許多現(xiàn)存數(shù)據(jù)中心的溫濕度控制系統(tǒng)仍然沒得到妥善管理，導(dǎo)致能源效率低下。而另一方面，新的數(shù)據(jù)中心建設(shè)往往非常重視溫濕度控制，這對(duì)提升性能大有裨益。

在大多數(shù)情況下，送風(fēng)溫度介于24 °C和25.5 °C之間時(shí)較為理想。然而，熱通道和冷通道之間的溫差 (delta-T) 至關(guān)重要。通常，delta-T約為10至12 °C，但在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中通常將目標(biāo)定為14 °C。delta-T的提升會(huì)帶來(lái)兩方面的收益，即減少冷卻系統(tǒng)所需的風(fēng)扇電機(jī)能耗，以及增加實(shí)現(xiàn)節(jié)能散熱策略的潛力。

四、數(shù)據(jù)中心溫度變化

節(jié)能是利用室外空氣促進(jìn)數(shù)據(jù)中心部分散熱的過程。節(jié)能可以直接發(fā)生，即室外空氣經(jīng)過適當(dāng)?shù)目諝膺^濾，直接引入冷卻系統(tǒng)并輸送到服務(wù)器；節(jié)能也可以間接發(fā)生，即再循環(huán)的數(shù)據(jù)中心空氣通過空氣-空氣熱回收器排入環(huán)境。這能降低成本并提高效率和可持續(xù)性。但為了保持效率，應(yīng)盡量減少由于過濾導(dǎo)致的空氣側(cè)壓下降。因此，如果空氣在數(shù)據(jù)中心內(nèi)進(jìn)行再循環(huán)而不引入外部空氣，則應(yīng)該可以減少或完全消除對(duì)過濾的需求。

冷卻和通風(fēng)需要精準(zhǔn)控制，重要的是配置高效風(fēng)扇，保持建筑物的微正壓并控制室內(nèi)濕度。例如，新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)將空間露點(diǎn)控制在足夠低的水平，以便冷卻螺旋管僅進(jìn)行顯冷，而不必處理潛熱負(fù)荷（降低空氣濕度）。

排熱系統(tǒng)的總體目標(biāo)是保持IT設(shè)備的最佳狀態(tài)，同時(shí)盡可能減少能耗。例如，濕度低會(huì)增加靜電風(fēng)險(xiǎn)，而濕度高會(huì)導(dǎo)致冷凝，進(jìn)而對(duì)電氣和金屬設(shè)備構(gòu)成威脅，增加故障風(fēng)險(xiǎn)并縮短工作壽命。已有證據(jù)表明，高濕度水平與各種環(huán)境污染物相結(jié)合會(huì)加速服務(wù)器內(nèi)各種組件的腐蝕。

為避免過熱和防止故障，必須通過冷卻來(lái)消除IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量。根據(jù)一些研究，相較于穩(wěn)定的高溫，溫度快速波動(dòng)實(shí)際上對(duì)IT設(shè)備的危害更大，因此從這一角度來(lái)看，控制回路至關(guān)重要。

新的IT設(shè)備通常能夠在較高的溫度下運(yùn)行，這意味著可以提高進(jìn)氣溫度，且這更有助于實(shí)現(xiàn)自然冷卻和節(jié)能。如前所述，室外空氣可直接或間接用于冷卻室內(nèi)空氣，而蒸發(fā)或絕熱冷卻可進(jìn)一步提高節(jié)能效率。隨著不消耗水的干排熱策略日漸流行，上述這些節(jié)能技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。由于熱提取介質(zhì)（氣體或液體）溫度升高，有效利用數(shù)據(jù)中心廢熱的潛力也隨之增加，比如可以將廢熱用于區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)。例如，在芬蘭赫爾辛基，微軟（Microsoft）和能源集團(tuán)富騰（Fortum）正在合作開展一個(gè)收集余熱的項(xiàng)目。微軟數(shù)據(jù)中心將會(huì)使用100%無(wú)排放電力，同時(shí)富騰把服務(wù)器冷卻過程中產(chǎn)生的清潔熱量傳輸?shù)脚c其區(qū)域供熱系統(tǒng)相連的家庭、服務(wù)和商業(yè)場(chǎng)所。該數(shù)據(jù)中心廢熱回收設(shè)施或是世界上同類設(shè)施中最大的。

瑞典蒙特集團(tuán)銷售副總裁Keith Dunnavant

五、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的重要性

在許多現(xiàn)代設(shè)施中，正常運(yùn)行時(shí)間預(yù)計(jì)占99.999%；這意味著每年只有幾分鐘的停機(jī)時(shí)間。由于IT基礎(chǔ)設(shè)施處理的數(shù)據(jù)和流程十分重要且富有價(jià)值，良好的性能必不可少。

數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵特性是為服務(wù)器提供正確的溫度，而這只有在控制系統(tǒng)使用精確傳感器的情況下才能實(shí)現(xiàn)。機(jī)房越大，可能越難以監(jiān)測(cè)，因?yàn)樗鼈兊目臻g溫度更有可能發(fā)生變化，因此應(yīng)配備足夠數(shù)量的溫度傳感器來(lái)確保監(jiān)測(cè)到所有服務(wù)器，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。

有些服務(wù)器可能距離冷卻裝置較近，有些則較遠(yuǎn)；有些可能在機(jī)架底部，有些則在較高的位置，因此存在發(fā)生三維變化的可能性。因此，除了裝配足夠數(shù)量的傳感器外，確保在整個(gè)服務(wù)器機(jī)房中妥當(dāng)放置冷卻裝置且氣流通暢也很重要。通過將適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和監(jiān)控結(jié)合，可以有效地控制冷卻和氣流，從而滿足所需的規(guī)范。

為了評(píng)估不同變量對(duì)年均能耗的影響，蒙特在三個(gè)不同的位置建立了系統(tǒng)運(yùn)行模型，以三種不同的控制應(yīng)用模型運(yùn)行；每個(gè)系統(tǒng)都有一個(gè)1兆瓦ITE負(fù)載的數(shù)據(jù)中心：

基準(zhǔn)案例（案例一）中，設(shè)計(jì)供給溫度為24 °C，回風(fēng)溫度為35 °C (delta-T = 11 °C)。

案例二中，供給和回風(fēng)溫度降低1 °C（delta-T保持不變）。

案例三中，僅將回風(fēng)溫度降低1 °C（delta-T降低）。

結(jié)果顯示，在氣候較溫和的位置，三種場(chǎng)景的能耗均較低。案例二顯示，供給和回風(fēng)溫度降低 1 度，能耗增加 1%至2%。案例三中僅將回風(fēng)溫度降低 1 °C（從而降低 delta-T），能耗顯著增加——三個(gè)位置的能耗都增加了8%至9%。由此可見，溫度的小幅偏差就能產(chǎn)生很大的影響，這恰恰凸顯了delta-T和傳感器準(zhǔn)確度的重要性。

無(wú)論采用何種冷卻方法，以可靠的方式控制暖通空調(diào)流程和室內(nèi)條件都至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，數(shù)據(jù)中心管理人員需要有精確的連續(xù)測(cè)量作為參考，因?yàn)榱己玫目刂苹芈放c測(cè)量的質(zhì)量息息相關(guān)。因此，高質(zhì)量傳感器是有效控制暖通空調(diào)流程和穩(wěn)定室內(nèi)環(huán)境的推動(dòng)因素。但是，安裝時(shí)的傳感器規(guī)格并不一定能作為長(zhǎng)期性能可靠性的指標(biāo)。傳感器的價(jià)值體現(xiàn)在整個(gè)生命周期中，因?yàn)轭l繁的維護(hù)需求需要高昂的成本來(lái)滿足。此外，正如蒙特的模型所顯示的那樣，即使是小幅的準(zhǔn)確度偏差也會(huì)導(dǎo)致能源成本飆升。

在多數(shù)情況下，IT基礎(chǔ)設(shè)施中數(shù)據(jù)的價(jià)值非常高，而且所涉及的通常是關(guān)鍵任務(wù)。因此，如果低成本傳感器會(huì)導(dǎo)致高昂的維護(hù)成本或?qū)е赂邇r(jià)值數(shù)據(jù)面臨風(fēng)險(xiǎn)，配置它就毫無(wú)意義了。用戶應(yīng)尋找耐用的、能夠長(zhǎng)期提供可靠、穩(wěn)定讀數(shù)的測(cè)量產(chǎn)品，因?yàn)橹匾氖钱a(chǎn)品的終身可靠性。

維薩拉產(chǎn)品經(jīng)理Anu Kätkä

六、影響選擇傳感器的因素

1.可靠性

傳感器在安裝點(diǎn)的準(zhǔn)確度顯然很重要，但更重要的是傳感器能長(zhǎng)期穩(wěn)定提供精確的讀數(shù)。考慮到數(shù)據(jù)中心的較高價(jià)值以及通常較為偏遠(yuǎn)的位置，變送器的使用壽命應(yīng)遠(yuǎn)高于正常水平。因此，制造商應(yīng)具備該領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，并具有在關(guān)鍵環(huán)境中進(jìn)行可靠測(cè)量的聲譽(yù)。可追溯的校準(zhǔn)證書可確保傳感器在出廠前正常運(yùn)行，而經(jīng)驗(yàn)證的可靠性意味著可以長(zhǎng)期保持這種準(zhǔn)確度水平。

2.維護(hù)成本

應(yīng)避免使用維護(hù)要求高的傳感器。不僅因?yàn)槌杀荆€因?yàn)榇祟悅鞲衅鲿?huì)帶來(lái)更高的故障風(fēng)險(xiǎn)。此外，如上所述，傳感器漂移或準(zhǔn)確度下降會(huì)導(dǎo)致巨額能源成本。數(shù)據(jù)中心對(duì)正常運(yùn)行時(shí)間有較高水平的要求，這意味著監(jiān)控設(shè)備的維護(hù)操作不應(yīng)干擾數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行。因此，像維薩拉提供的帶有可更換測(cè)量探頭或模塊的儀表能更好地滿足客戶需求——尤其是此類儀表可以移除傳感器并離線校準(zhǔn)。如果更換了測(cè)量探頭或模塊，則還應(yīng)更新校準(zhǔn)證書，這一點(diǎn)也很重要。理想情況下，應(yīng)該能夠使用儀表供應(yīng)商提供的工具在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)操作，并且這項(xiàng)工作應(yīng)作為定期保養(yǎng)計(jì)劃的一部分進(jìn)行。

3.可持續(xù)性

從傳感器的角度來(lái)看，新技術(shù)允許用戶只升級(jí)傳感器的測(cè)量部件，而不必更換或報(bào)廢整個(gè)變送器，這有助于避免不必要的浪費(fèi)。在決定購(gòu)買時(shí)，應(yīng)考慮供應(yīng)商的環(huán)境和可持續(xù)性證書。這能夠讓可持續(xù)發(fā)展沿供應(yīng)鏈向下延伸，并為企業(yè)形成驅(qū)動(dòng)力。可持續(xù)發(fā)展是蒙特和維薩拉的核心。以蒙特為例，他們?cè)谌虬惭b了超過1.5吉瓦的數(shù)據(jù)中心冷卻設(shè)備，其節(jié)省的能源相當(dāng)于瑞典每年能源消耗的2%。維薩拉在《金融時(shí)報(bào)》的“2022年歐洲氣候領(lǐng)袖企業(yè)”名單中位列前五。這一榜單包含了在2015年至2020年期間溫室氣體減排量最多的歐洲公司。

七、總結(jié)

由于價(jià)值數(shù)十億美元的關(guān)鍵數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，因此高耗電服務(wù)器必須保持在理想的溫度和濕度條件下，以防止停機(jī)。同時(shí)，隨著當(dāng)下能源成本不斷攀升，我們還迫切需要降低溫室氣體排放、提高能源效率、降低能源成本并采取更好的PUE衡量標(biāo)準(zhǔn)。這種“完美風(fēng)暴”驅(qū)動(dòng)因素意味著準(zhǔn)確控制和優(yōu)化暖通空調(diào)流程必不可少。