數據中心創新 ——測量準確度如何提升能源效率？
http://www.debgrams.com 2023-04-17 17:23 來源：維薩拉
本文中，來自蒙特（Munters）的Keith Dunnavant和來自維薩拉（Vaisala）的Anu Kätkä將描述數據中心領域的未來走向，并討論暖通空調測量對能源效率的影響。隨著能源成本不斷攀升和各國政府迫切尋求減少溫室氣體排放的機會，數據中心能效成為國際關注的焦點。
兩位作者在數據中心的能源管理方面均擁有長期的經驗和豐富的專業知識。蒙特是為包括數據中心在內的關鍵任務流程提供節能和可持續氣候控制解決方案的設備生產廠商，而維薩拉是天氣、環境和工業測量領域的設備生產廠商。
一、數據中心能耗
全球對電力的需求量約為20,000太瓦時；ICT（信息與通信技術）行業使用2,000太瓦時，而數據中心使用大約200太瓦時，占總量的1%。因此，數據中心是多數國家和地區能源消耗的重要部分。據估計，全球的數據中心有超過1,800萬臺服務器。除了自身的電力需求外，這些IT設備還需要配套的基礎設施，例如冷卻、配電、滅火、不間斷電源、發電機等。
為比較數據中心的能效，通常的做法是使用“電源使用效率”(PUE) 作為衡量標準，即數據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，而配套基礎設施不消耗任何能源。
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設施的消耗。現存傳統數據中心的PUE 通常約為2，而大型超大規模數據中心可達到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是一個比值，不能體現能源消耗總量，這意味著如果IT設備相比冷卻系統消耗的能源水平較高，則PUE看起來會很低。因此，衡量總功耗以及IT設備的效率和生命周期也很重要。此外，從環境的角度來看，還應考慮發電方式、消耗的水量（包括發電和現場冷卻）以及是否利用廢熱。
PUE概念最初由綠色網格聯盟（Green Grid）于2006年提出，并于2016年作為ISO標準發布。Green Grid是一個開放的行業聯盟，由數據中心運營商、云提供商、技術和設備供應商、設施架構師和終端用戶組成，致力于在全球范圍內提高數據中心生態系統的能源和資源效率，努力降低碳排放。
PUE仍然是計算數據中心能效的常用方法。例如，在蒙特，PUE是根據每個項目的峰值和年化基礎進行評估的。在計算PUE指標時，在PUE的計算中僅考慮IT負荷和冷負荷。這稱為部分PUE (pPUE) 或機械 PUE (PUEM)。電氣工程師使用峰值pPUE來確定最大負荷以及備用發電機的大小。年化pPUE用于評估一年的典型耗電量，并與其他冷卻方案進行比較。雖然PUE可能不是一個完美的工具，但隨著WUE（水利用效率）、CUE（碳使用效率）等其他衡量標準以及SPUE（服務器 PUE）和TUE（總 PUE）等可增強PUE相關性的方法的采用，PUE得到越來越多的支持。
二、數據中心趨勢
在過去十年中，高效的超大規模數據中心在數據中心總能耗中的相對份額有所增加，而許多效率較低的傳統數據中心已經關閉。因此，總能源消耗尚未明顯增加。這些新建的超大規模數據中心專為提高效率而設計。然而我們知道，由于人工智能、機器學習、自動化、無人駕駛汽車等許多新興趨勢的涌現，對信息服務和計算機密集型應用程序的需求將會不斷增長。因此，數據中心的能源需求預計會有所增加，而增加多少則是爭論的焦點。在最理想的情況下，與當前需求相比，到2030年全球數據中心的能源消耗將增加三倍，但更有可能增加八倍。這些能源消耗預測中包含了IT和非IT基礎設施。大部分非 IT 能源消耗來自冷卻，或者更準確地說，來自服務器的散熱，僅冷卻成本就可輕松占據年度總能源成本的25%及以上。毫無疑問，冷卻是維持IT功能的必要條件，并可以通過設計優良、運行高效的建筑系統來優化。
近期的一個重要趨勢是服務器機架功率密度增加，有些甚至高達30至40千瓦及以上。根據數據中心專業人士行業協會AFCOM進行的研究，2020 年數據中心狀態報告表明，平均機架密度躍升至每個機架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，機架密度在過去三年中有所增加。
向云計算的轉變無疑推動了超大規模和托管型數據中心的發展。從歷史上看，一個 1兆瓦數據中心的設計初衷是為了滿足銀行、航空公司或大學的需求，但許多機構和公司現在正在轉向超大規模和托管型數據中心設施內的云服務。隨著這一需求的不斷增長，對數據速度的要求也越來越高，所有這些數據中心都服務于關鍵任務應用，因此，基礎設施的可靠性至關重要。
同時，人們也越來越關注邊緣數據中心以減少延遲，還采用液體冷卻來應對高性能芯片，并以此來減少能源使用。
三、溫度和濕度控制
對于提升風冷數據中心冷卻能效，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，許多現存數據中心的溫濕度控制系統仍然沒得到妥善管理，導致能源效率低下。而另一方面，新的數據中心建設往往非常重視溫濕度控制，這對提升性能大有裨益。
在大多數情況下，送風溫度介于24 °C和25.5 °C之間時較為理想。然而，熱通道和冷通道之間的溫差 (delta-T) 至關重要。通常，delta-T約為10至12 °C，但在數據中心設計中通常將目標定為14 °C。delta-T的提升會帶來兩方面的收益，即減少冷卻系統所需的風扇電機能耗，以及增加實現節能散熱策略的潛力。
四、數據中心溫度變化
節能是利用室外空氣促進數據中心部分散熱的過程。節能可以直接發生，即室外空氣經過適當的空氣過濾，直接引入冷卻系統并輸送到服務器；節能也可以間接發生，即再循環的數據中心空氣通過空氣-空氣熱回收器排入環境。這能降低成本并提高效率和可持續性。但為了保持效率，應盡量減少由于過濾導致的空氣側壓下降。因此，如果空氣在數據中心內進行再循環而不引入外部空氣，則應該可以減少或完全消除對過濾的需求。
冷卻和通風需要精準控制，重要的是配置高效風扇，保持建筑物的微正壓并控制室內濕度。例如，新風系統應將空間露點控制在足夠低的水平，以便冷卻螺旋管僅進行顯冷，而不必處理潛熱負荷（降低空氣濕度）。
排熱系統的總體目標是保持IT設備的最佳狀態，同時盡可能減少能耗。例如，濕度低會增加靜電風險，而濕度高會導致冷凝，進而對電氣和金屬設備構成威脅，增加故障風險并縮短工作壽命。已有證據表明，高濕度水平與各種環境污染物相結合會加速服務器內各種組件的腐蝕。
為避免過熱和防止故障，必須通過冷卻來消除IT設備產生的熱量。根據一些研究，相較于穩定的高溫，溫度快速波動實際上對IT設備的危害更大，因此從這一角度來看，控制回路至關重要。
新的IT設備通常能夠在較高的溫度下運行，這意味著可以提高進氣溫度，且這更有助于實現自然冷卻和節能。如前所述，室外空氣可直接或間接用于冷卻室內空氣，而蒸發或絕熱冷卻可進一步提高節能效率。隨著不消耗水的干排熱策略日漸流行，上述這些節能技術已得到廣泛應用。由于熱提取介質（氣體或液體）溫度升高，有效利用數據中心廢熱的潛力也隨之增加，比如可以將廢熱用于區域供熱網絡。例如，在芬蘭赫爾辛基，微軟（Microsoft）和能源集團富騰（Fortum）正在合作開展一個收集余熱的項目。微軟數據中心將會使用100%無排放電力，同時富騰把服務器冷卻過程中產生的清潔熱量傳輸到與其區域供熱系統相連的家庭、服務和商業場所。該數據中心廢熱回收設施或是世界上同類設施中最大的。
瑞典蒙特集團銷售副總裁Keith Dunnavant
五、準確監測的重要性
在許多現代設施中，正常運行時間預計占99.999%；這意味著每年只有幾分鐘的停機時間。由于IT基礎設施處理的數據和流程十分重要且富有價值，良好的性能必不可少。
數據中心設計的一個關鍵特性是為服務器提供正確的溫度，而這只有在控制系統使用精確傳感器的情況下才能實現。機房越大，可能越難以監測，因為它們的空間溫度更有可能發生變化，因此應配備足夠數量的溫度傳感器來確保監測到所有服務器，這一點非常關鍵。
有些服務器可能距離冷卻裝置較近，有些則較遠；有些可能在機架底部，有些則在較高的位置，因此存在發生三維變化的可能性。因此，除了裝配足夠數量的傳感器外，確保在整個服務器機房中妥當放置冷卻裝置且氣流通暢也很重要。通過將適當的設計和監控結合，可以有效地控制冷卻和氣流，從而滿足所需的規范。
為了評估不同變量對年均能耗的影響，蒙特在三個不同的位置建立了系統運行模型，以三種不同的控制應用模型運行；每個系統都有一個1兆瓦ITE負載的數據中心：
基準案例（案例一）中，設計供給溫度為24 °C，回風溫度為35 °C (delta-T = 11 °C)。
案例二中，供給和回風溫度降低1 °C（delta-T保持不變）。
案例三中，僅將回風溫度降低1 °C（delta-T降低）。
結果顯示，在氣候較溫和的位置，三種場景的能耗均較低。案例二顯示，供給和回風溫度降低 1 度，能耗增加 1%至2%。案例三中僅將回風溫度降低 1 °C（從而降低 delta-T），能耗顯著增加——三個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生很大的影響，這恰恰凸顯了delta-T和傳感器準確度的重要性。
無論采用何種冷卻方法，以可靠的方式控制暖通空調流程和室內條件都至關重要。為實現這一目標，數據中心管理人員需要有精確的連續測量作為參考，因為良好的控制回路與測量的質量息息相關。因此，高質量傳感器是有效控制暖通空調流程和穩定室內環境的推動因素。但是，安裝時的傳感器規格并不一定能作為長期性能可靠性的指標。傳感器的價值體現在整個生命周期中，因為頻繁的維護需求需要高昂的成本來滿足。此外，正如蒙特的模型所顯示的那樣，即使是小幅的準確度偏差也會導致能源成本飆升。
在多數情況下，IT基礎設施中數據的價值非常高，而且所涉及的通常是關鍵任務。因此，如果低成本傳感器會導致高昂的維護成本或導致高價值數據面臨風險，配置它就毫無意義了。用戶應尋找耐用的、能夠長期提供可靠、穩定讀數的測量產品，因為重要的是產品的終身可靠性。
維薩拉產品經理Anu Kätkä
六、影響選擇傳感器的因素
1.可靠性
傳感器在安裝點的準確度顯然很重要，但更重要的是傳感器能長期穩定提供精確的讀數。考慮到數據中心的較高價值以及通常較為偏遠的位置，變送器的使用壽命應遠高于正常水平。因此，制造商應具備該領域的經驗，并具有在關鍵環境中進行可靠測量的聲譽。可追溯的校準證書可確保傳感器在出廠前正常運行，而經驗證的可靠性意味著可以長期保持這種準確度水平。
2.維護成本
應避免使用維護要求高的傳感器。不僅因為成本，還因為此類傳感器會帶來更高的故障風險。此外，如上所述，傳感器漂移或準確度下降會導致巨額能源成本。數據中心對正常運行時間有較高水平的要求，這意味著監控設備的維護操作不應干擾數據中心的運行。因此，像維薩拉提供的帶有可更換測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。如果更換了測量探頭或模塊，則還應更新校準證書，這一點也很重要。理想情況下，應該能夠使用儀表供應商提供的工具在現場進行維護操作，并且這項工作應作為定期保養計劃的一部分進行。
3.可持續性
從傳感器的角度來看，新技術允許用戶只升級傳感器的測量部件，而不必更換或報廢整個變送器，這有助于避免不必要的浪費。在決定購買時，應考慮供應商的環境和可持續性證書。這能夠讓可持續發展沿供應鏈向下延伸，并為企業形成驅動力。可持續發展是蒙特和維薩拉的核心。以蒙特為例，他們在全球安裝了超過1.5吉瓦的數據中心冷卻設備，其節省的能源相當于瑞典每年能源消耗的2%。維薩拉在《金融時報》的“2022年歐洲氣候領袖企業”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
由于價值數十億美元的關鍵數據在數據中心進行處理和存儲，因此高耗電服務器必須保持在理想的溫度和濕度條件下，以防止停機。同時，隨著當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衡量標準。這種“完美風暴”驅動因素意味著準確控制和優化暖通空調流程必不可少。
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