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多租户数据中心的能效
可在不影响可靠性或灵活性的情况下降低电能相关成本的策略
作者:佚名            来源:             发布时间: 2014-09-05
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摘要

云计算供应商、云托管公司及其他 IT 服务提供商正在迅速建立多租户数据中心 (MTDC) 。主要是由于面临巨大的竞争压力,因此这类设施必须保持极高的能效水平。 

本白皮书阐明了各种挑战致使目标实现具有难度的原因,并在随后介绍了最新的不间断电源系统 (UPS)、气流控制解决方案以及空调节能器是如何帮助 MTDC 拥有者在不消弱设备可靠性及灵活性的情况下大幅降低与电能相关的运营费用的。本文还通过领先的主机托管零售商 Hurricane Electric Internet Services 的经验,生动地证明践行能效最佳做法能使 MTDC 运营商从中受益。 

MTDC的主要需求 

在一定程度上由云计算兴起而推动的 MTDC 目前在规模、数量及普及方面正迅速发展。的确,分析公司 451 Research 预测北美的 MTDC 收入在 2015 年全年将以 15.42% 的复合年增长率攀升。 

要想在越来越拥挤的市场中取得成功,MTDC 提供商必须持续不断地专注于一些苛刻要求。这些要求包括: 

·  负担能力  尽管在评估第三方数据中心时价格并非是唯一的商务考虑变量,但它是最重要的因素之一,因此,MTDC 运营商必须始终都提供具有竞争力的价格。 

·  高效  尽管价格较低,但 MTDC 供应商亦希望获得不错的利润, 因此就必须利用各种机会来节约能源和空间。 

·  可持续性  盈利能力并不是 MTDC 以提高能效为头等要务的唯一 原因。全球 500 强公司中有大约 50% 的企业目前都在拟定可 持续发展计划,这些计划要求他们在购买产品及服务时,需从对环境负责的供应商处购买。这样的企业数目现在还在增加。 

·  可靠  为满足其严格的服务水平协议 (SLA) 要求,MTDC 必须 提供近乎连续的运行时间。 

·  灵活性  快速成长的企业更喜欢 MTDC 在配置、更改及规模应用 方面的灵活性。 

常见的 MTDC 能效挑战

为满足此类急剧变化的需求,MTDC 的运营方式可能会产生严峻的能效挑战,包括以下这些: 

UPS 负载  为保持可靠性,很多 MTDC 采用冗余 UPS 和(或) 2N 架构,其中多台设备各自承担部分负载下运行。因此,如果一个设备出故障或需要维修时,其它设备可马上替补上。尽管此类配置方案可防止停机,但也会降低能效,因为 UPS 负载不足会浪费更多电能,产生的热量的比例也相应地要比全负载 UPS 时的更高。 

极端工作温度  大多数 MTDC 供应商所服务的客户广泛使用虚拟技术和刀片式服务器。尽管这两种技术从根本上均会增大数据中心的计算强度,但在较小空间内也会产生大量的热量。消散这些热量并不简单而且所需费用昂贵。 

瞬时尖峰  瞬间尖峰发生时,可能会使 UPS (滤波器 / 整流器)输入端受损。进行预防性维修时,会检查这些部件是否有任何损伤。 

冷却效率低下  在老旧的建筑中,MTDC 经常是依靠所谓的“混沌”空气分布法将温度保持在可接受范围内。在此类冷却方案中,大量冷空气从服务器周边的机房空调 (CRAC) 中抽出,这些冷空气既冷却了 IT 设备也将主机的热废气推送至设备的回风管。然而,使冷风和热风混合并再循环的这种混沌空气分布设计会降低冷却效率并使电费攀升。在效率更高的混沌气流分布方案中,数据中心是这样排列服务器机架的,那就是在一排中只将热废气或冷空气入口相互面对。这样的“热通道 / 冷通道”排列可使空气对流产生连续的空气流动,从而提高数据大厅的效率,但也还是会留给数据中心运营商不小的冷却负担去补偿。

1 虚拟技术从根本上不仅能提高计算强度,而且还能提升数据大厅温度。 

最大限度提高MTDC 能效的最佳做法 

MTDC 运营商有多种选择来应对这些及其它的效率挑战。其中最有效的是: 

1.   采用高效节能的UPS

新一代先进的 UPS 可帮助 MTDC 在不降低可靠性的情况下提高效率。这样的设备有两种基本类型:

·  可变的模块化UPS  许多双转换 UPS 现在都包含多种供电Z模块。最先进的设备还允许数据中心有变化地加载那些模块。因此,数据公司并非将负载均匀分配到处于低水平的各模块,而是可以使一个或多个模块满负载,而其它不需要的模块则使其处于待机休眠状态。如果是硬件故障或其它问题导致负载需求突然猛增,UPS 可自动且立即启动待机模块。最终结果是,当问题发生时,正常条件下以及连续不断运行时的效率更高。 

·  多模式UPS  可变的模块化 UPS功能仅仅是双变换模式转换,而多模式 UPS 支持两种工作模式。正常工作时,UPS 在高效节能的模式下运行,但当电源条件超出事先设定的允许范围时,该设备会自动且立即地转换成双变换模式。当电源恢复到可接受范围内时,UPS 会自动地转换回节能模式。 

尽管最新的双变换模式 UPS 的节能效率通常达到 90% 以上,但多模式 UPS 在节能模式下运行时的节能效率可高达 99%。因此,它为 MTDC 供应商提供了低运行成本和高可靠性的完美组合。 

某些多模式 UPS 还内置谐波抑制功能。谐波是数据中心电压或电流变形的波形,通常由服务器、变频驱动器以及荧光灯等非线性负载产生。如果不予处理,谐波可能会降低能效和可靠性,同时缩短昂贵的电器设备的使用寿命。 

过去,数据中心运营商担忧谐波专门吸收技术将会占用宝贵的使用面积。今天他们可以选择使用具有降低谐波功能的多模式UPS。具有此功能的旧设备只在双模式 UPS 中可吸收降低谐波,但较新的最先进设备可减缓谐波,进行功率因数校正,还能在节能状态下平衡负载。

2 为最大限度提高能效,变量型模块化 UPS 允许数据中心运营商对某个模块加大负载,而不是在正常工作时对几个模块施加较小负载。 

2.实施气流控制解决方案 

冷却是数据中心能耗成本产生的主要原因,特别是像 MTDC 这样布满温度较高服务器机架的设备。采用空气控制方案,MTDC 运营商可降低其冷却成本 30% 甚至更多。 

控制方案是将服务器包围在一个封闭的结构内封住热空气,并将其导入机房空调设备或其它冷却系统中,并将冷空气直接送入服务器的冷风入口。

3 基于控制的冷却策略是用隔绝送入、返回空气气流的方法来提高效率。 

以这种方法分布和控制气流可极大地提高冷却效率。例如,为抵消再循环废空气影响,热气 / 冷气通道方案必须经常将返回的废气冷却到 55°F/12.78°C,然而,基于控制冷却系统,由于完全隔绝返回空气,他们可安全地输入温度为 65°F/18.34°C 的空气,这降低了可观的冷却能源费用。 

气流控制方案还有一个好处,那就是可防止服务器因热废气而热关机,因此可靠性能得到增强。该解决方案还能提高灵活性,使设备运营商能有更大的自由度来设置服务器机架,以便更好地满足需求,而不是古板地排成线,按热 / 冷通道要求统一排成行。 

3.采用空调节能器 

尽管大多数数据中心仍然依靠机房空调,但它占用宝贵的使用面积、维护成本高且是一个相当大的能量消耗源。因此,MTDC 拥有者越来越愿意部署较小的机房空调,要么完全取消它,要么只将它用作更高效节能的冷却技术,例如空调节能器的备份。 

有两种基本的空调节能器: 

·  水辅助空调节能器利用寒带室外温度,来冷却液体冷却系统中闭环冷却中的液体。 

·  空气辅助空调节能器将数据中心中的服务器的热废气抽出,同时泵入室外自然冷空气。空气辅助空调节能器将数据中心中的服务器的热废气抽出,同时泵入室外自然冷空气。尽管往往其在北纬、寒冷期使用效果很好。根据很多专家研究表明,其至少在部 分时日甚至在温暖的气候,也是一个现实的选择。 

MTDC 采用何种空调节能器需基于一些变量,比如其所处位置以及是否采取液体冷却,但几乎每个 MTDC 均会从空调节能器提供的“自然冷却”中受益。

 

4 研究表明甚至在温暖的气候,空气辅助空调节能器至少在某些时日是现实的选择。 

案例研究Hurricane Electric Internet Services 

Hurricane Electric Internet Services 总部设在加利福尼亚州佛利蒙市, 是一家 主 机 托 管 零 售 提 供 商,其 在 旧 金 山 湾 共设有三家 MTDC。按互联网连接数来衡量,其运营的是世界上最大的 IPv6 骨干网以及全球 10 大 IPv4 骨干网之一。上述 Hurricane Electric 的经验以及所采用的能效策略体现了哪些最佳做法对 MTDC 供应商的盈利能力、可靠性及灵活性的影响有多么的大。 

处境 

与很多其它 MTDC 拥有者不同,Hurricane Electric 是使用自有资金创立的企业,没有吸收第三方风险投资资金。因此,他比其竞争者更需要尽可能地提高运营效率。另外,作为零售商,该公司交易的客户群有小规模的新建公司也有成规模的云计算巨头。这些公司同样地都有各种容量需求。为此,Hurricane Electric 必须对小负载、大负载及介于两者之间的任何负载均需保持较高的节能效率。此外,像所有的 MTDC 一样,为必须保持不间断可用性,其必须这样做。 

结果 

在正常运行中, 安装多模式UPS能够使Hurricane Electric 将UPS 负载提高到 60%,UPS 节能效率提高到 99% 以上。由于这些改进,该公司的对冷却需求在一定程度上得到大幅降低,从而使其能够经常使用其全新的空调节能器系统。 

另外,由于其选择了模块化多模式 UPS,可使其在维护期间不需将其下游设备下线。这些收益的最终结果是降低了故障平均间隔时间、可量化的节约及更加稳固的底线。 

结论 

在市场中竞争并赢得竞争,对于MTDC服务来说是不容易的,但是对于始终将提高效率作为要务的MTDC运营商来说,照样可获得坚实的稳定的利润。特别是如Hurricane Electric Internet Services的经验所表明的,采用新的高效率的UPS、空气控制方案及空调调节器,可使MTDC拥有者在提高可靠性和灵活性时,降低能源浪费、减轻冷却负担。因此,想要在长期的经营中,取得成功的MTDC供应商,应该与能源系统及冷却设备供应商对所处环境,按本文所述共同研究出适合的、最佳的节能方法。 

关于伊顿

伊顿公司的电气业务在配电及线路保护、备用电源保护、控制与自动化、雷电保护及安全、结构解决方案及配线、恶劣危险环境解决方案及工程服务领域处于全球领先地位。Eaton® 通过其全球解决方案确立地位,来应对当今最关键的电力管理方面的挑战。  

伊顿是一家全球领先的动力管理公司,2013年销售额达220亿美元。伊顿致力于提供各种节能高效的解决方案,以帮助客户更有效、更安全、更具可持续性地管理电力、流体动力和机械动力。伊顿在全球拥有约10.1万名员工,产品销往超过175个国家和地区。如需更多信息,敬请访问公司中文网站www.eaton.com.cn/pq。 

关于作者

Ed Spears 是伊顿公司在北卡莱罗纳州罗莉市电能质量解决方案机构的产品经理。作为从事电力系统行业 30 年的资深人士,他在 UPS 系统检测、销售、应用工程设计及培训等方面具备经验,另外还曾参与电信、数据中心、有线电视、公共宽带网络的电能质量工程及市场营销方面的工作。通过 EdSpear@Eaton.com 可与他取得联系。 

Benny Ng 是 Hurricane Electric Internet Services 的基础设施总监。Hurricane Electric 在加利福尼亚蒙特利市拥有其自己的全球 IPv4 和 IPv6 网络,根据网络接入数,它被认为是全球最大的 IPv6 骨干网。Ng 具有可持续建造顾问一级资质和二级建筑运营证,监管该公司的蒙特利市的数据中心建设。他在 Hurricane Electric 的工作年限已超过 16 年。

 
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