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功率密度专题 (二) 确定数据中心功率密度的正确

作者:APC UPS 发布时间:2021-04-08 10:00:02点击:

功率密度专题 (二) 确定数据中心功率密度的正确方法

上一期文章中我们探讨了采用每平方米多少瓦特来定义数据中心功率密度的传统做法所带的不必要的困惑以及能源和成本的浪费。本期我们将为大家推荐一种创新的确定数据中心空间和功率密度的方法。


一、新方法四大特点

1.


功率密度规格中的物理空间单位是IT机柜,而非占地面积。占地面积在设计期间决定,是基于每机柜功率密度和其他因素的计算过程的一项输出

2.


规格是分层级的、模块化的,因此不同的机房和区域可以有不同的功率密度需求。

3.


规格设定时,能够考虑到数据中心内不同IT机柜有着不同的功率需求,且这些需求可能并未提前明确。

4.


规格设定时,能够考虑到IT机柜可能具有随时间变化功率密度不同的需求。


二、新方法解析

在介绍设定功率密度规格的流程前,先依次解释以上每个特点。


用机柜作为物理空间的度量单位

IT机柜是IT空间部署中最常用的度量单位。有些类型的设备虽不是机柜,如存储阵列和主机等,但在大多数情况下,它们容易被视作一个或多个尺寸相当的机柜。因此,我们将机柜确定为IT空间部署的度量单位,并采用单位机柜功率作为功率密度的标准度量。

 

遗憾的是,楼宇空间是按占地面积(平方米)进行测量,而不是以“机柜”表示。有时候我们必须将机柜空间转换为物理空间。问题是将机柜转换为占地面积取决于一些关键要素,这些要素往往与单位机柜功率无关,但必须分别做出明确的规定。这些要素包括:


以备将来暂存或迁移之用的预留机柜位置数量(如有)

IT机房内配电柜、空调和UPS等供电和制冷物理基础设施所需的空间

进出通道、高架地板坡道和立柱(如有)所需的空间

IT空间细分的物理分区(如栅栏等)所占空间

为接线板或网络设备预留的空间合计(如有)

为设备存储机柜或栅栏预留的空间合计(如有)

考虑到实际功率密度可能低于设计参数所预留的空间合计(如有)


这些要素都会对所需的空间和单位面积的功率密度产生重大影响,因此必须在设计时与单位机柜功率密度一起做出明确规定。虽然确定这些特性似乎比简单地设置“每平方米的功率”技术规格要复杂得多,但如果大力改善数据中心技术规格的质量和明晰度,就会发现这些要素可以很快被确定下来。本文稍后将介绍如何做到这一点。


模块化的分层功率密度规格

我们需要具有为数据中心不同区域规定不同功率密度的能力。一般情况下,数据中心可以分为以下几个层级:



既然数据中心的某些属性受到各个层级功率密度规格的影响,为了把控整个设计并预测其性能,必须明确规定这四个层级的功率密度规格。比如,IT区域的功率密度会影响该区域的配电额定值和风量分配系统。

 

尽管可以把各个部分的功率密度规格“累加”成一个单一设施级功率密度值,但是通过这种方式获得的单一功率密度值(如瓦特每平方米等)信息量太少, 不足以把控整个设计并获得可预测的结果。下文将提供一种用于创建功率密度规格分级的制表方法。


整个数据中心的功率密度差异

IT机柜之间、许多IT区域之间以及不同机房之间的功率密度有所差异。这种差异存在于机柜之间或机房之间,但是这些功率密度差异也随着时间的变化而有所不同。因为一些IT设备不时会被添加或移除,而且这些IT设备工作负载各异,它们所消耗的功率自然也不同。每个机柜的运行功率不同,而且同一机柜不同时段的功率也不一样。以此看来,试图定义功率密度似乎也是徒劳无益。但是,当我们考虑到我们定义功率密度的原因是为了确定一个可以支持IT设备群的数据中心设计时,我们就能够确定该设备群的许多重要统计参数,这些统计参数足以形成一个不随功率密度差异而变化的功率密度规格。

 

对于数据中心层级结构中的特定层级,如由IT区域“单元”构成的机房层级,或由机柜“单元”构成的IT区域层级,其功率密度可以根据下表中所示的五种重要参数确定。



请注意,占地面积并非功率密度规格的关键输入参数。考虑到这些规格参数和其他与地面空间使用相关的设计因素(在“用机柜作为物理空间的度量单位”一节中已有描述),占地面积只是一个计算结果

 

单元数量和每单元设计目标平均功率显然是确定功率密度参数所必需的信息,而峰值功率、单元功率不确定性和管理功率比是这里新引入的概念。这些之所以必要,是因为设计目标平均功率并未提供确定配电和制冷系统的必要信息,也未提供用于确定能效计算工作点的足够信息。

 

为示范新功率密度参数设定方法,并表明其如何与占地面积相互关联,下面以一间小型40kW服务器机房为例进行分析。


三、新方法举例

40kW服务器机房是一个简单案例,因为该设施只有一间IT机房,一个IT区域。在这种情况下,规格等级就是机房,也是IT区域,该机房包括一组IT机柜。这种情况下的规格结构很简单。该参数表提供了清晰明了的设计指导。表中的黄色方框为用户输入,性能汇总自动计算得出。


输入:


输入:


结果及汇总:


规格中的功率密度参数可使用以下简单流程确定:


1.


机柜数量由IT需求决定。

2.


每机柜设计目标平均功率由IT供应商规范决定,或通过选择该应用的典型平均设计值来决定。在本例中,企业服务器机房(4kW/机柜)的典型值是选定的。

3.


通过设定最大预期或容许机柜功率来选择峰值功率。在本例中,我们规定最大容量为8 kW (请再次注意,峰值容量是指当一些机柜处于峰值功率时的容量。所有机柜的总功率不能超过设计平均值计算的功率)。

4.


通过考虑不同的IT部署方案,或选择该应用的典型设计值来估计机柜功率的不确定性。在本例中,预期部署功率密度设置为设计目标平均值(4kW) 的+/-15%。

5.


根据IT负载的预期功率管理功能来估计管理功率比。在本例中,功率管理功能预计IT的实际管理功率比将为设计目标平均值的70%。

为确定机房空间需求,首先要明确IT设备(包括前后机柜通道) 需要的面积,然后累加其他空间需求,以确定总面积。对于非IT空间使用,该工作表也有设定,因此可以预留出机柜位置或空间面积。在考虑到占用空间设备,如供电、制冷或机柜接线板时,预留空间就会派上用场。“功率密度不确定性所推荐的预留空间”根据用户规定的功率不确定性进行计算。然后,用户可明确预留出空间面积或机柜位置,以满足推荐的空间预留要求。在该范例中,推荐预留面积为3平方米 ,用户通过预留两个机柜位置,基本能实现这一推荐数值。


四、结论

此时,我们必须承认,规格设定人员也许无法获得上述所有信息,因为IT要求并非清晰明了,或确切的配置尚未敲定。这里要表达的关键点并不是说规格能确切地反映出各机柜的具体详细IT计划(因为几乎无法提前获知各装置的IT计划),而是说规格可确保数据中心的性能是已知可预测的。

 

在本范例中,规格参数明确界定了一项支持任何多达12个机柜群的设计,该机柜群中,设计目标平均功率为4 kW,每个机柜的峰值小于或等于8 kW。此外,考虑到功率管理时,平均功率预计为每机柜4 kW的70%时或总功率为34 kW时,主供电和制冷设备的效率性能保证应在上述功率密度的基础上做出。为确保不超过峰值功率,该数据中心可制定一项预先部署的IT策略,该策略规定,每机柜最大功率为8 kW,负载增大时则必须分配给各机柜。如果实际IT功率密度低于设计目标平均值4 kW的15%,额外的预留空间可确保所有的可用供电和制冷容量均能被利用。请注意,如果依旧采用传统的瓦特每平方米功率密度额定值,说明相关人员并未理解上述讨论的要点。


本文讨论了一种创新的空间和功率密度计算方法,该方法解决了采用每平方米多少瓦特的传统定义方法所带来的不必要的困惑以及能源和成本的浪费。并以一个小型数据中心为例进行该方法的解释,那么对于大型数据中心,考虑到成长计划和模块化设计,功率密度的设定方法又如何呢?敬请关注下一期:施耐德数据中心论坛 | 功率密度专题(三)制定数据中心功率密度的正确方法 (续)。

 

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