节能数据中心设计十大指南
数据中心是节能设计措施的主要目标:一个典型的数据中心消耗的电力是标准办公空间的25到50倍。但是，数据中心的关键任务性质历来把其他问题——主要是可靠性和高功率密度容量——放在了所有者和设计者的头脑中，而不是能源效率。此外，数据中心的设计周期通常很短，几乎没有时间来充分评估有效的设计机会，或者考虑首次成本与生命周期成本问题。这可能导致设计只是标准办公空间方法的放大版本，或者重复使用标准的低效策略和规格，而不考虑能源性能。
本文讨论了10个技术领域中低效设计实践的替代方案。没有一种正确的方法来设计数据中心，但是下面的指导方针可以提供在各种数据中心设计情况下提供效率优势的设计建议。
空气管理
现代数据中心设备机架可以产生非常集中的热负荷。通过收集和去除设备余热的房间，实现对气流的精确控制，对各种规模的设施的能源效率和设备可靠性都有重大影响。
优化的数据中心空气管理最大限度地减少或消除了供应给设备的冷却空气和从设备中排出的热空气之间的混合。正确设计的空气管理系统可以降低运营成本和第一成本设备投资，增加数据中心的密度（W/sf）容量，并减少与热相关的处理中断或故障。
几个关键的设计问题是:供应和退货的地点;设备进、排热口配置;以及房间里大规模的气流模式。
机场空侧省煤器
数据中心每天24小时运行，具有恒定的大冷负荷，且与室外空气温度无关。在暖冬和大多数夜晚，空气侧省煤器是冷却数据中心成本最低的选择。
如果没有对当地气候条件和空间要求进行适当的工程评估，不建议简单地使用符合加州第24条规定的标准办公室系统节约器。由于与数据中心相关的湿度和污染问题，可能需要仔细的控制和设计工作，以确保冷却节省不会因为过多的加湿要求而损失。
为节约提供足够的室外空气是一个重大的建筑设计挑战。带有屋顶进风口或侧壁百叶的中央空气处理机组是最常用的，尽管一些内部安装的机房空调(CRAC)机组在安装适当的进风口时提供节约器功能。
根据当地的气候条件，可能需要室外空气湿度传感器，以允许在非常干燥的条件下锁定节约。在大多数地区，使用室外空气是有益的，但在关键应用中，应了解和处理当地的风险因素。为了控制颗粒和污染，应提供适当的低压滴滤，以保持数据中心环境的清洁，同时不造成过高的风扇功率能源成本。其他污染问题，如盐或腐蚀，应进行评估。
集中空气处理
在使用专门设计的集中空气处理系统的数据中心空气系统中观察到更好的性能。与传统的多分布式单元系统相比，这些系统具有许多优势，使用更大的电机和风扇，效率更高。它们也非常适合通过使用变速驱动器(vfd)进行可变音量操作，也称为变频驱动器或vfd。
大多数数据中心负载在一天中不会有明显变化，冷却系统通常尺寸过大，具有显著的备用容量。集中空气处理系统可以通过利用剩余和冗余容量来实际提高效率，从而提高效率。中央系统的维护效益是众所周知的；减少占地面积和维护流量是额外的好处。
冷却装置优化
这种策略为数据中心在设计和运营方面提供了许多提高效率的机会。使用55°F冷冻水的中温冷冻水回路设计提高了制冷机效率，并消除了不受控制的幻像除湿负荷(见下面关于加湿的段落)。冷凝器回路也应优化;5-7°F的方法冷却塔装置与冷凝器水温度复位配对良好的变速(VFD)冷水机，提供了巨大的能源节约。
一个主要的可变容积泵系统与现代冷水机设备相匹配，提供更少的故障点，更低的初始成本，并节约能源。热能储存是一个很好的选择，尤其适用于一些关键设施，在这些设施中，现成的冷却存储不仅具有可靠性优势，还能节省高峰需求。最后，监测冷冻水厂的效率是优化的要求:基本可靠的能源和负荷监测传感器可以迅速为自己节省能源。
直接液体冷却
直接液体冷却指的是许多不同的冷却方法，所有这些方法都采用相同的策略，将废热转移到发热点或非常接近发热点的流体中，而不是将其转移到室内空气中，然后调节室内空气。
一种选择，目前可从许多机架制造商，安装冷却盘管直接到机架上，以捕获和去除废热。地下通常用于运行冷却管路，用软管连接到机架盘管。许多其他的方法是可用的或正在采用的，从组件散热器的水冷却到用介质流体用热交换器冷却的沐浴组件。
液体冷却可以满足更高的热密度，比传统的空气冷却更有效。除了效率之外，它还可以提供更高的功率密度(W/sf)。在未来，可能会出现一些产品，允许对设备进行更直接的液体冷却，方法包括从芯片散热器中的流体通道到浸没在介质流体中。虽然目前还不能广泛使用，但这种方法有希望，并应在它们继续成熟时加以评估。
通过水边省煤器自由冷却
可通过水边省煤器提供免费冷却，该省煤器利用冷却塔的蒸发冷却能力间接产生冷冻水，在温和的室外条件下(特别是在炎热气候的夜间)为数据中心降温。
免费冷却通常最适合于湿球温度低于55°F，每年3000小时或以上的气候。它最有效地用于设计为50°F以上的冷冻水回路，或在正常运行时具有显著剩余空气处理能力的低温冷冻水回路。通常，现有的数据中心可以利用冗余空气处理能力与冷冻水温度复位控制来改造免费冷却。
加湿控制
数据中心经常过度控制湿度：这不会产生实际的运营效益，因为加湿会消耗大量能源。湿度控制经常不集中，这导致相邻装置之间发生冲突，一个加湿，另一个除湿。如果不定期重新校准传感器，湿度传感器漂移也会导致控制问题。
低能加湿技术可以用绝热方法取代耗电蒸汽发生器，该方法利用空气中存在的热量或从计算机热负荷中回收的热量进行加湿。超声波加湿器、湿介质（“沼泽冷却器”）和微滴喷雾是绝热加湿器的一些例子。
电力供应
大多数数据中心设备使用内部或机架安装交流直流电源。更高效率的电源供应将直接降低数据中心的电费，并间接降低冷却系统成本和机架过热问题。使用更高效的电源每年可以为每个机架节省2700到6500美元。
在服务器层面上，有效的电源供应通常有最小的增量成本，然而，可能需要管理干预来鼓励设备购买者选择有效的模式。为了做出合理的选择，购买者需要在降低电力和空调基础设施的运营成本和第一成本方面获得利益，或者至少了解这些成本。
应选择符合服务器系统基础结构（SSI）倡议1建议的效率准则的电源。还应考虑实际工作负载的影响：选择在其最频繁的工作负载水平下提供最佳效率的电源。
自我的一代
几乎恒定的电力负荷和对高可靠性的需求相结合，使大型数据中心非常适合自我生成。为降低初始成本，自备发电设备应取代备用发电系统。
它既提供了电网电力的替代方案，也提供了废热，既可以满足附近的供暖需求，也可以通过吸收或吸附式制冷技术收集来冷却数据中心。在某些情况下，通过运行自发电机组的剩余和冗余容量，将电力卖回给电网，抵消发电机组的资本成本。
不间断电源
这些系统为数据中心提供备用电源，可以基于电池组、旋转机器、燃料电池或其他技术。UPS提供的用于操作数据中心设备的部分电源由于系统效率低下而丢失，每年可能浪费数十万千瓦时。
ups的效率水平各不相同;在选择UPS系统时应考虑到这一点。数据中心电气系统的设计也可以通过影响UPS运行的典型负载因素来影响效率。基于电池的UPS系统在高负载时效率更高——至少为额定容量的40%或更高。UPS系统配置的类型(线路无功和双转换)也影响效率。更多的电力调节能力通常意味着更多的电力浪费和额外的热负荷，必须由机械冷却系统消除。
数据中心设计是一个相对较新的领域，涉及一个动态且快速发展的技术部门——从真正意义上讲，信息技术和能效技术正在开始融合。最高效、最有效的数据中心设计使用相对较新的设计范式来创建所需的高能量密度、高可靠性环境。
这些指南是根据运行数据中心的基准测量、实践设计师和操作员的输入以及多年为数据中心设计节能冷却系统的经验制定的。它们说明了许多新的“标准”方法，这些方法越来越多地被成功高效的数据中心用作起点。
随着当前数据中心建设的持续繁荣，数据中心的能源使用在总体能源使用中所占比例越来越大，需要新的高效设计来帮助管理我们信息技术基础设施的能源足迹。
本文讨论了10个技术领域中低效设计实践的替代方案。没有一种正确的方法来设计数据中心，但是下面的指导方针可以提供在各种数据中心设计情况下提供效率优势的设计建议。
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空气管理
现代数据中心设备机架可以产生非常集中的热负荷。通过收集和去除设备余热的房间，实现对气流的精确控制，对各种规模的设施的能源效率和设备可靠性都有重大影响。
优化的数据中心空气管理最大限度地减少或消除了供应给设备的冷却空气和从设备中排出的热空气之间的混合。正确设计的空气管理系统可以降低运营成本和第一成本设备投资，增加数据中心的密度（W/sf）容量，并减少与热相关的处理中断或故障。
几个关键的设计问题是:供应和退货的地点;设备进、排热口配置;以及房间里大规模的气流模式。
机场空侧省煤器
数据中心每天24小时运行，具有恒定的大冷负荷，且与室外空气温度无关。在暖冬和大多数夜晚，空气侧省煤器是冷却数据中心成本最低的选择。
如果没有对当地气候条件和空间要求进行适当的工程评估，不建议简单地使用符合加州第24条规定的标准办公室系统节约器。由于与数据中心相关的湿度和污染问题，可能需要仔细的控制和设计工作，以确保冷却节省不会因为过多的加湿要求而损失。
为节约提供足够的室外空气是一个重大的建筑设计挑战。带有屋顶进风口或侧壁百叶的中央空气处理机组是最常用的，尽管一些内部安装的机房空调(CRAC)机组在安装适当的进风口时提供节约器功能。
根据当地的气候条件，可能需要室外空气湿度传感器，以允许在非常干燥的条件下锁定节约。在大多数地区，使用室外空气是有益的，但在关键应用中，应了解和处理当地的风险因素。为了控制颗粒和污染，应提供适当的低压滴滤，以保持数据中心环境的清洁，同时不造成过高的风扇功率能源成本。其他污染问题，如盐或腐蚀，应进行评估。
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集中空气处理
在使用专门设计的集中空气处理系统的数据中心空气系统中观察到更好的性能。与传统的多分布式单元系统相比，这些系统具有许多优势，使用更大的电机和风扇，效率更高。它们也非常适合通过使用变速驱动器(vfd)进行可变音量操作，也称为变频驱动器或vfd。
大多数数据中心负载在一天中不会有明显变化，冷却系统通常尺寸过大，具有显著的备用容量。集中空气处理系统可以通过利用剩余和冗余容量来实际提高效率，从而提高效率。中央系统的维护效益是众所周知的；减少占地面积和维护流量是额外的好处。
冷却装置优化
这种策略为数据中心在设计和运营方面提供了许多提高效率的机会。使用55°F冷冻水的中温冷冻水回路设计提高了制冷机效率，并消除了不受控制的幻像除湿负荷(见下面关于加湿的段落)。冷凝器回路也应优化;5-7°F的方法冷却塔装置与冷凝器水温度复位配对良好的变速(VFD)冷水机，提供了巨大的能源节约。
一个主要的可变容积泵系统与现代冷水机设备相匹配，提供更少的故障点，更低的初始成本，并节约能源。热能储存是一个很好的选择，尤其适用于一些关键设施，在这些设施中，现成的冷却存储不仅具有可靠性优势，还能节省高峰需求。最后，监测冷冻水厂的效率是优化的要求:基本可靠的能源和负荷监测传感器可以迅速为自己节省能源。
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直接液体冷却
直接液体冷却指的是许多不同的冷却方法，所有这些方法都采用相同的策略，将废热转移到发热点或非常接近发热点的流体中，而不是将其转移到室内空气中，然后调节室内空气。
一种选择，目前可从许多机架制造商，安装冷却盘管直接到机架上，以捕获和去除废热。地下通常用于运行冷却管路，用软管连接到机架盘管。许多其他的方法是可用的或正在采用的，从组件散热器的水冷却到用介质流体用热交换器冷却的沐浴组件。
液体冷却可以满足更高的热密度，比传统的空气冷却更有效。除了效率之外，它还可以提供更高的功率密度(W/sf)。在未来，可能会出现一些产品，允许对设备进行更直接的液体冷却，方法包括从芯片散热器中的流体通道到浸没在介质流体中。虽然目前还不能广泛使用，但这种方法有希望，并应在它们继续成熟时加以评估。
通过水边省煤器自由冷却
可通过水边省煤器提供免费冷却，该省煤器利用冷却塔的蒸发冷却能力间接产生冷冻水，在温和的室外条件下(特别是在炎热气候的夜间)为数据中心降温。
免费冷却通常最适合于湿球温度低于55°F，每年3000小时或以上的气候。它最有效地用于设计为50°F以上的冷冻水回路，或在正常运行时具有显著剩余空气处理能力的低温冷冻水回路。通常，现有的数据中心可以利用冗余空气处理能力与冷冻水温度复位控制来改造免费冷却。
加湿控制
数据中心经常过度控制湿度：这不会产生实际的运营效益，因为加湿会消耗大量能源。湿度控制经常不集中，这导致相邻装置之间发生冲突，一个加湿，另一个除湿。如果不定期重新校准传感器，湿度传感器漂移也会导致控制问题。
低能加湿技术可以用绝热方法取代耗电蒸汽发生器，该方法利用空气中存在的热量或从计算机热负荷中回收的热量进行加湿。超声波加湿器、湿介质（“沼泽冷却器”）和微滴喷雾是绝热加湿器的一些例子。
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电力供应
大多数数据中心设备使用内部或机架安装交流直流电源。更高效率的电源供应将直接降低数据中心的电费，并间接降低冷却系统成本和机架过热问题。使用更高效的电源每年可以为每个机架节省2700到6500美元。
在服务器层面上，有效的电源供应通常有最小的增量成本，然而，可能需要管理干预来鼓励设备购买者选择有效的模式。为了做出合理的选择，购买者需要在降低电力和空调基础设施的运营成本和第一成本方面获得利益，或者至少了解这些成本。
应选择符合服务器系统基础结构（SSI）倡议1建议的效率准则的电源。还应考虑实际工作负载的影响：选择在其最频繁的工作负载水平下提供最佳效率的电源。
自我的一代
几乎恒定的电力负荷和对高可靠性的需求相结合，使大型数据中心非常适合自我生成。为降低初始成本，自备发电设备应取代备用发电系统。
它既提供了电网电力的替代方案，也提供了废热，既可以满足附近的供暖需求，也可以通过吸收或吸附式制冷技术收集来冷却数据中心。在某些情况下，通过运行自发电机组的剩余和冗余容量，将电力卖回给电网，抵消发电机组的资本成本。
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不间断电源
这些系统为数据中心提供备用电源，可以基于电池组、旋转机器、燃料电池或其他技术。UPS提供的用于操作数据中心设备的部分电源由于系统效率低下而丢失，每年可能浪费数十万千瓦时。
ups的效率水平各不相同;在选择UPS系统时应考虑到这一点。数据中心电气系统的设计也可以通过影响UPS运行的典型负载因素来影响效率。基于电池的UPS系统在高负载时效率更高——至少为额定容量的40%或更高。UPS系统配置的类型(线路无功和双转换)也影响效率。更多的电力调节能力通常意味着更多的电力浪费和额外的热负荷，必须由机械冷却系统消除。
数据中心设计是一个相对较新的领域，涉及一个动态且快速发展的技术部门——从真正意义上讲，信息技术和能效技术正在开始融合。最高效、最有效的数据中心设计使用相对较新的设计范式来创建所需的高能量密度、高可靠性环境。
这些指南是根据运行数据中心的基准测量、实践设计师和操作员的输入以及多年为数据中心设计节能冷却系统的经验制定的。它们说明了许多新的“标准”方法，这些方法越来越多地被成功高效的数据中心用作起点。
随着当前数据中心建设的持续繁荣，数据中心的能源使用在总体能源使用中所占比例越来越大，需要新的高效设计来帮助管理我们信息技术基础设施的能源足迹。
