數(shù)據(jù)中心電源使用率與能耗分析

朱奇峰

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 概述

作為一種高能耗的產(chǎn)業(yè)，數(shù)據(jù)中心不僅給使用者帶來很大壓力，也給社會能源消耗造成很大的負擔。因此，相關(guān)人員在建立數(shù)據(jù)中心時會充分考慮電能的利用率，并將其作為檢驗數(shù)據(jù)中心能耗的重要指標，而如何有效降低電能利用率已然成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點。最新出臺的《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》GB50174-2017中對數(shù)據(jù)中心電能和水的利用率的檢測和計算進行了嚴格的規(guī)定，也有大批企業(yè)在實際工作中將數(shù)據(jù)中心電能利用率的節(jié)能問題作為考核重點，在當前數(shù)據(jù)中心的建設和運行維護中，電能的利用率已成為重要的參考指標[1]。

2 能耗分析

2.1 IT設備能耗

在數(shù)據(jù)中心中，IT設備是最為關(guān)鍵的部分，因而IT設備的能耗也是數(shù)據(jù)中心能耗的重要組成部分。相關(guān)資料顯示，IT設備的能耗幾乎占據(jù)整個數(shù)據(jù)中心能耗的一半，且主要集中在服務器、交換器、路由和存儲設備上，其中服務器系統(tǒng)能耗占據(jù)IT設備總能耗的50%，存儲系統(tǒng)大約占據(jù)35%，通信設備則大約占據(jù)15%。

2.2 其他非IT設備能耗

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的能源幾乎都消耗在電源設備、冷卻設備和照明設施上，其中空調(diào)占比最大。此外，UPS主機的自身損耗是數(shù)據(jù)中心能耗不可忽視的一項重要構(gòu)成。

3 數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀

近年來，各類數(shù)據(jù)中心都在不斷擴容和整合，新建數(shù)據(jù)中心的容量是過去的數(shù)倍，且在城區(qū)之外出現(xiàn)相當規(guī)模的數(shù)據(jù)中心園區(qū)，其容量更是達到前所未有的數(shù)量級別，這些都帶動了數(shù)據(jù)中心能耗的快速增長。

從單位GDP能耗上看，數(shù)據(jù)中心屬于高載能、低污染、資本及技術(shù)密集型的現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)，其承載的IT系統(tǒng)所產(chǎn)生和帶動的行業(yè)產(chǎn)值達到幾十倍甚至數(shù)百倍，因而能源利用率相對較高。以2015年為例，某數(shù)據(jù)中心（IDC）萬元GDP能耗為0.245 t標煤，是全市萬元GDP能耗均值0.338 t標煤的72.5%[2]。但由于數(shù)據(jù)中心建設面積日益擴大且耗能較為集中，同時又是所有信息的承載結(jié)點，其用能狀況受到多方密切關(guān)注[3]。

從重點耗能部位看，數(shù)據(jù)中心主要由IT設備及軟件、制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)三部分構(gòu)成。其中IT系統(tǒng)和軟件是數(shù)據(jù)中心的核心部件，需借助空調(diào)和供電設備的輔助系統(tǒng)有效保證其正常運行。在數(shù)據(jù)中心中，IT設備24小時不停止運行，不僅自身需要耗費大量的電能，還需要制冷系統(tǒng)幫助其除去散發(fā)的大量熱量。此外，需要配電系統(tǒng)為其不間斷供電。在2015年該市數(shù)據(jù)中心用能中，IT設備及軟件能耗占45.6%，其次是空調(diào)能耗，占37.1%，而供配電系統(tǒng)能耗占比為14.6%。

4 基于綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)控制中心體系

4.1 服務器虛擬化節(jié)能技術(shù)體系

在高性能服務器部署虛擬技術(shù)軟件的同時，要對其進行集中分化處理，尤其是對物理服務器的分割和處理，需保證獨立的虛擬主機能滿足實際需求，并整合管控標準和運行體系，確保應用體系充分發(fā)揮各個模塊的優(yōu)勢作用。其中，辦公自動化項目、科技管理項目和人事管理項目都是較為基本的項目體系，應有效整合相關(guān)部署體系，將其分布在不同虛擬主機體系中，在完善業(yè)務隔離效果的同時，為后續(xù)虛擬處理以及管理軟件分析提供保障。

4.2 機房制冷節(jié)能技術(shù)體系

一般而言，冷區(qū)和熱區(qū)主要借助玻璃墻進行隔離處理，保證冷空氣和熱空氣之間形成正常的流通和交互，為后續(xù)整個區(qū)域布置空間結(jié)構(gòu)提供保障。如需借助有效的措施完善制冷方案，可設定冷風區(qū)域的基本溫度，將其控制在26°左右，同時縮短空調(diào)設備制冷風道的長度，保證冷風有效處理設備，在適應性提升的同時，完善節(jié)能目標。

4.3 低能耗處理器節(jié)能體系

在整合服務器管理工作開展進程中，應整合低能耗處理效果，確保處理更加有效，且能滿足實際數(shù)據(jù)體系運行需求。對于2U服務器，保證普通CPU設備功耗為95 W、低功耗CPU設備功耗為60 W。而對于4U服務器，則普通CPU設備功耗為130 W、低功耗CPU設備功耗為95 W。

在此基礎上，利用Intel低功耗處理器實施系統(tǒng)化處理，有效優(yōu)化功耗參數(shù)，在減少熱量的同時，確保設備從根本上滿足散熱要求，減少服務器的基本功耗，滿足轉(zhuǎn)數(shù)運行需求，整合低能耗處理效果，保證節(jié)電水平適用于實際運行參數(shù)體系。

4.4 UPS自身節(jié)能體系

在建構(gòu)數(shù)據(jù)控制中心體系的過程中，要重視UPS自身運行結(jié)構(gòu)，在完善管控效果的基礎上，保障其運行體系和IT設備負載適配效果高效，在采用高頻開關(guān)進行整流處理的同時，完善功率因數(shù)的糾正和處理工作，確保高頻機能有效控制變壓器，不僅整合資源，也減輕整個設備的基礎性重量。此外，完善設備參數(shù)能提高其實際運行效率，為后續(xù)節(jié)能環(huán)保管理工作的全面開展提供保障。

5 數(shù)據(jù)中心能耗管控途徑

5.1 技術(shù)管控途徑

（1）強化數(shù)據(jù)中心節(jié)能基礎研究。組建數(shù)據(jù)中心能效研究實驗室，開展前沿技術(shù)研究與推廣，立足于節(jié)能技術(shù)驗證、節(jié)能產(chǎn)品評價和節(jié)能評級，培養(yǎng)和挖掘先進適用的節(jié)能技術(shù)。

（2）推廣先進適用的節(jié)能技術(shù)。針對數(shù)據(jù)中心各項節(jié)能技術(shù)進行系統(tǒng)評價，從整體性和全局性出發(fā)解決節(jié)能問題。針對數(shù)據(jù)中心節(jié)能產(chǎn)業(yè)鏈條，應用不同的節(jié)能技術(shù)和和選項執(zhí)行有效規(guī)劃。此外通過推廣使用一些節(jié)能效果良好并且經(jīng)濟實用的成熟節(jié)能技術(shù)，可以切實提升全市數(shù)據(jù)中心能效水平。

5.2 標準管控途徑

（1）加快數(shù)據(jù)中心節(jié)能標準體系建設速度。通過完善現(xiàn)有設計標準和能耗限額標準，形成具有指導意義的數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能設計標準體系，為提高能效提供指標評價和有效參考。通用數(shù)據(jù)中心節(jié)能運維標準可以指導當前已運行的數(shù)據(jù)中心步入正確且高效的運營。

（2）研究建立數(shù)據(jù)中心能效評估體系。通過對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能標準、規(guī)范以及工具的研究和分析，可形成一個完整的數(shù)據(jù)中心能效評估系統(tǒng)，并在此基礎之上建立明確的節(jié)能目標，有效推動節(jié)能工作的積極開展。例如，在美國，很多數(shù)據(jù)中心都有評估工具，且這些工具大多與數(shù)據(jù)中心保持對應，也有針對數(shù)據(jù)中心某個系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心具體設備的，方便管理者了解數(shù)據(jù)中心各個方面的能效水平，明確差距和潛力，找準節(jié)能發(fā)展方向。

5.3 機制管控途徑

（1）建立健全能耗計量統(tǒng)計系統(tǒng)。完善數(shù)據(jù)中心能耗分項計量，規(guī)范開展分項計量工作，做到單獨計量IT設備系統(tǒng)電耗和空調(diào)系統(tǒng)電耗，并提高數(shù)據(jù)中心能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時，充分運用現(xiàn)代信息技術(shù)，盡快建立安全高效的能耗數(shù)據(jù)一體化的能源統(tǒng)計信息系統(tǒng)。

（2）設立數(shù)據(jù)中心能耗管控平臺。針對北京市已建、新建、改擴建、節(jié)能改造的數(shù)據(jù)中心安裝整體能耗監(jiān)測軟件，并與國家數(shù)據(jù)中心能耗管控平臺相對接，以便實時掌握市內(nèi)數(shù)據(jù)中心能耗情況，同時也要制定相應的政策和監(jiān)管措施。運用能耗管控平臺定期開展數(shù)據(jù)中心能效評價和監(jiān)測，大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心需每年進行例行性的能效評價，并由第三方專業(yè)機構(gòu)實施安全性排查，提出能效提升建議。

5.4 市場管控途徑

（1）繼續(xù)開展節(jié)能改造試點。重點在于公共機構(gòu)領(lǐng)域應繼續(xù)推進數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造試點工作，依靠政府力量促進數(shù)據(jù)中心節(jié)能產(chǎn)品和技術(shù)市場的形成，進一步增強全社會的示范帶動作用，并鼓勵企業(yè)采用合同能源管理方式開展數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造。

（2）規(guī)范數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造流程。針對當前數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造市場，設立標準化和規(guī)范化的工作流程，明確監(jiān)管機構(gòu)、節(jié)能改造公司、第三方核查機構(gòu)以及數(shù)據(jù)中心用戶等鏈條的分工與權(quán)責，保證節(jié)能改造進程順利推進并得到后續(xù)指導。

（3）建立數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造企業(yè)信息庫。通過建立企業(yè)信息庫，可聯(lián)動監(jiān)管平臺，及時發(fā)布各項節(jié)能政策與專項補貼，指導企業(yè)應用新技術(shù)與新產(chǎn)品并了解節(jié)能效益。在開展改造后，應記錄實際情況和運行效果，積累工作經(jīng)驗。

6 結(jié) 論

在對數(shù)據(jù)中心建設項目進行系統(tǒng)化升級過程中，應從節(jié)能環(huán)保的綠色發(fā)展理念出發(fā)，建立健全可靠的系統(tǒng)體系，確保其能為常規(guī)化管理工作的開展提供保障，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理工作的可持續(xù)發(fā)展。