随着人们对数据中心和服务器产生更多的需求,数据中心运营商也面临着能源成本上涨的挑战。文章将讨论数据中心降低能耗成本的必要性和更加节能的冷却技术。

数字化的发展促使数据中心规模和能耗日益增长

近年来,采用云计算的企业数量稳步增长。越来越多的设备和传感器连接到互联网,它们的控制、测量和调谐过程是数字协调的。据调研机构Gartner公司估计,目前全球大约有49亿个网络连接设备。思科公司专家预测,到2020年将有500亿个网络连接设备,这意味着在未来几年内这个数字将翻两番。在智能家居领域,消费者使用这些物联网设备将会越来越多。例如,智能冰箱可以自动创建新的购物清单,或者直接通过网站重新定购空缺的食物。网络设备在工业和商业中也扮演着越来越重要的角色,以便更好地规划生产和制造流程,并使其更具成本效益和时间效率。

随着经济和社会的日益数字化,对计算和存储能力的要求越来越高。工业4.0、机器学习、增强现实等新技术不仅标志着技术化生活进入下一个阶段,而且代表了对可靠和高效的IT基础设施的日益增长的需求。由于数据中心的扩建和建设,德国如今已经成为欧洲最大的数据中心市场,也是全球第三大数据中心市场。许多大型数据中心主要集中在法兰克福地区,其中,全球第五大数据中心其总面积近70000平方英尺。

据估计,数据中心的电力消耗已达全球电力消耗的3%到5%。显然,在数据中心运营方面,规模越大越好。数字化的发展将在未来几十年激励整个IT行业持续发展。数据中心技术创新的关键挑战是能源效率问题,因为物联网和智能家居等新技术不仅对新的计算能力有需求,而且对能源也有新需求。

根据美国能源部的数据,2016年美国数据中心运行和冷却的能耗达到700亿千瓦时。而到2020年,电能需求预计将增加到730亿千瓦时。为了降低数据中心运营成本以及二氧化碳排放量,未来最大的挑战之一就是提高数据中心的能源效率。

事实上,数据中心运营商正在寻求节约能源从而降低成本。节约能源不仅意味着节约资金,而且对气候保护作出重大贡献。不仅冷却技术的改善将主导IT硬件的发展,数据中心设备也将承受更高的环境温度,并产生更少的热量。

数据中心运营商正在使用另一种提高能效的策略是寻找自然资源以获益。例如,谷歌公司采用海水冷却数据中心,在微软工程师正在探索水下数据中心。从技术上来说,麻省理工学院的计算机科学家发现,通过削减常见的查询或“缓存”,可以大大降低能源消耗。

数据中心需要更节能的冷却技术

由于对计算能力的需求迅速增长,因此数据中心的能源消耗不断增加,需要创新的绿色概念,以降低整个行业的功耗。大幅降低能源消耗的一个可能性是一致地使用诸如热水冷却系统,以及数据中心热量的智能再利用。

如今的数据中心可以采用适当的冷却系统以及利用智能余热来节省额外的费用。

目前数据中心的散热冷却主要是采用机械空气冷却系统。在传统数据中心的冷却系统中,通常会对整个房间进行制冷,还有超过一半的冷空气不能到达机房热点。而这样制冷系统浪费了大量的能源和成本。而取代空气冷却的方法之一是使用水或其他液体进行冷却。但很多数据中心工作人员一旦遇到“水”就会犹豫,因为他们认为水冷设备和IT设备并不适合一起部署。尽管如此,已经有一些数据中心运营商已经采用水来替代其他冷却介质。

Green Mountain公司位于北欧地区的数据中心利用附近峡湾的冷水来冷却数据中心。数据中心运营商Cologix公司和Equinx公司在多伦多的数据中心使用安大略湖的湖水来冷却服务器。然而,在这两种情况下,水只是间接地参与冷却过程:通过热交换器,数据中心中的空气相应地被液体冷却介质冷却,然后用于冷却数据中心IT硬件。

但是,从热力学和效率的角度来看,建议将散热片尽可能靠近IT设备进行冷却,而不要对整个机房房间进行冷却。例如通过对热点采用直接水冷却技术是最佳的选择。而冷却后的水温高达40℃,因为水与空气相比具有物理上的优势:水吸收的热量是空气的3330倍,导电率是20倍。冷却介质越接近热源,冷却效率就越高。通过智能化设计,可以实现对CPU等敏感元件的集中冷却。

与传统冷却系统相比,水冷却具有更高的冷却性能,每个机架的功率密度可高达45 kW,同时降低能耗。由于服务器机架中的温度相对较高,冷却水在为IT设备冷却之后,其输出温度最高可达60℃。例如,可以使用这个温度的热水为居民区供暖。

通过智能余热利用节省更多能源

目前,通过利用余热提高能源效率寻求新的协同效应变得越来越重要。根据Borderstep Institute最近的一项调查显示,50%的受访者认为,数据中心的服务器热量被重用,具有非常高的节能潜力。例如,IBM公司在瑞士的一个数据中心为其附近的一个游泳池加热,印第安纳州圣母大学(NotreDame University)的数据中心就是一个温室,而苹果公司和AWS公司在北欧的数据中心为其附近的住宅供暖。

然而,数据中心废热的再利用通常有两个问题:一方面,数据中心冷却水的温度通常不到60℃,其输出温度较低。然而,为了再利用冷却水,例如用于加热建筑物或用于热水制备,至少需要60℃的温度。因此,热泵对弥补温度的差异起着重要的作用。另一方面,热量的传输也是一个不容忽视的挑战,数据中心的余热只能用在接近其位置的应用中。长距离传输会导致热量损失,从而导致热量消耗。

未来的展望

数据中心行业需要更加广泛接受和采用水冷技术,以节省更多的成本。而数据中心废热得到长期的利用,为实现降低能耗目标将迈出了重要的一步。

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