數(shù)據(jù)中心降低PUE值的方法研究

李 皓, 周 唯, 劉文意

(國網(wǎng)上海市電力公司信息通信公司 數(shù)據(jù)運維中心, 上海 200436)

2016年11月14日,全球碳項目(Global Carbon Project,GCP)官網(wǎng)發(fā)布了《2016年全球碳預(yù)算報告》,預(yù)計2016年全球化石燃料及工業(yè)二氧化碳排放量將達(dá)到36.4 Gt(碳),其中中國占總占比的28.3%[1],到2020年,全球IT(信息技術(shù))相關(guān)的碳排放量也會突破1.54 Gt大關(guān)[2]。隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的能耗問題已成為業(yè)界重點關(guān)注的問題之一,阿里、谷歌、百度等國內(nèi)外先進(jìn)IT企業(yè)新建數(shù)據(jù)中心的電能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)值都能達(dá)到1.3以下[3-5]。在此背景下,有效降低數(shù)據(jù)中心PUE值成為本文研究的重點。

1 PUE的定義和測量方法

1.1 PUE的定義

PUE作為衡量數(shù)據(jù)中心動力與環(huán)境設(shè)施的指標(biāo),被國內(nèi)外各數(shù)據(jù)中心普遍接受。PUE的概念在2007年由綠色網(wǎng)格(The Green Grid,TGG)組織發(fā)展和完善,其計算公式為

(1)

式中:PTOTAL——數(shù)據(jù)中心總能耗;

PIT——數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的能耗。

通常,PTOTAL為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)(包含消防、安全防護(hù)、新風(fēng)、監(jiān)控平臺、機(jī)房照明等子系統(tǒng))和IT設(shè)備的用電量的和,而PIT僅為信息機(jī)房內(nèi)所有IT設(shè)備的用電量的和。

1.2 PUE的測量方法

根據(jù)式(1),我們不難發(fā)現(xiàn),PUE作為一個比值,它的值越接近1,表示被測數(shù)據(jù)中心的電能轉(zhuǎn)換效率越高。由于各種客觀條件的變換對PUE值存在明顯的影響,因此某一特定時刻的PUE值并不能反映數(shù)據(jù)中心的真實能耗轉(zhuǎn)換率,采用年平均PUE值作為衡量指標(biāo)更具說服力,也更貼近實際。

PTOTAL中包含多個子系統(tǒng)的能耗,難免存在統(tǒng)計方面的疏漏。實際上可以采用數(shù)據(jù)中心電源輸入側(cè)PIN的測量值作為式(1)的分子PTOTAL。PIT的測量比較明確,直接計算數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的IT設(shè)備用電量即可,即

(2)

PUE作為衡量指標(biāo)在國際上被普遍接受,但幾乎每個廠商對PUE的具體測量方法均存在偏差。不論是數(shù)據(jù)中心內(nèi)的辦公電源、公共區(qū)域內(nèi)的輔助設(shè)施、供配電路徑上的電能損耗等都是維持一個數(shù)據(jù)中心正常運行必不可少的能源輸出。我們不應(yīng)該為了更低的PUE值而忽略這些實際存在的損耗。本文關(guān)于PUE值的討論,均基于式(2)展開。

2 影響PUE值的因素

2.1 供配電系統(tǒng)的損耗

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的供電方式,多采用不間斷電源(Uninterruptible Power System,UPS)供電,其示意圖如圖1所示。在正常運行狀態(tài)下,電網(wǎng)的電壓經(jīng)過UPS的整流器和逆變器再供給負(fù)載,經(jīng)歷了一次交流變直流,再由直流變交流的轉(zhuǎn)化過程,電能的每一次轉(zhuǎn)化都會產(chǎn)生功率損耗。電能變化環(huán)節(jié)冗余是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心交流母線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的主要問題[6]。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部變壓設(shè)備的損耗也是不能忽略的電能流失環(huán)節(jié)。大型數(shù)據(jù)中心一般都具有數(shù)量龐大的電纜,這些電纜的損耗也是客觀存在的。

圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電方式示意

2.2 制冷系統(tǒng)的能耗

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心內(nèi),供電系統(tǒng)和機(jī)房的IT設(shè)備等在正常運行狀態(tài)時都會產(chǎn)生大量的熱量,數(shù)據(jù)中心主要的制冷能耗也產(chǎn)生于此。一個數(shù)據(jù)中心的正常運行需要有一個良好、穩(wěn)定的環(huán)境,各類IT設(shè)備、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、辦公設(shè)備等都會產(chǎn)生一定程度的熱能,制冷系統(tǒng)的存在就是為了平衡數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的熱能。要降低制冷系統(tǒng)的損耗,最關(guān)鍵的還是要提高制冷設(shè)備的制冷效率和冷源的利用率。

2.3 輔助系統(tǒng)的能耗

數(shù)據(jù)中心的輔助系統(tǒng)一般包含消防、安保、新風(fēng)、監(jiān)控、照明等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都是支撐數(shù)據(jù)中心的必要環(huán)節(jié)。隨著發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)的普及,現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心多采用LED的智能照明系統(tǒng),照明系統(tǒng)的能源利用率已有顯著提升。但其他輔助系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗同樣影響著PIN值,消防、安保、監(jiān)控等系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心的運行至關(guān)重要,在沒有技術(shù)保障的情況下,很難采取有效的節(jié)能措施。

3 降低PUE值的方法

3.1 優(yōu)化數(shù)據(jù)中心供電結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的能耗,可以占到PIN的21%[7],優(yōu)化供電結(jié)構(gòu),降低其在PIN中的占比,對降低PUE值有比較明顯的效果。

目前,高壓直流母線的供電結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的數(shù)據(jù)中心得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)供電方式相比,高壓直流母線的供電結(jié)構(gòu)省去了逆變環(huán)節(jié),提高了電能傳輸?shù)男?具體如圖2所示。以一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心為模型,將220 V交流供電系統(tǒng)與300 V直流供電系統(tǒng)在相同的負(fù)載下進(jìn)行了效率對比,直流系統(tǒng)的效率要高出15%[8]。

圖2 高壓直流母線供電示意

近年來,48 V整機(jī)柜供電架構(gòu)的供電方式也日趨成熟,具體如圖3所示。這種供電方式完全去除了機(jī)房級UPS,直接在機(jī)柜中配置電源供應(yīng)器(Power Supply Unit,PSU)模塊、模塊化的UPS及鋰電池包,由機(jī)柜的48 V母線排直接向服務(wù)器供電。隨著服務(wù)器主板支持48 V直流電源輸入的中央處理器(Central Processing Unit,CPU)降壓模塊技術(shù)的成熟,這種48 V的供電架構(gòu),從電網(wǎng)到CPU全路徑上,只經(jīng)歷了一個中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),大幅提升了電能的使用效率。48 V整機(jī)柜供電架構(gòu)的電能利用率可以達(dá)到92.1%[9],明顯高于現(xiàn)有的其他供電方式。

圖3 48 V整機(jī)柜供電架構(gòu)示意

3.2 提高制冷效果

數(shù)據(jù)中心制冷效果的提高,包括制冷系統(tǒng)本身制冷效率的提升以及合理利用已經(jīng)產(chǎn)生的冷量。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心多采用離心式冷凍機(jī)、風(fēng)冷螺桿冷水機(jī)組等作為制冷源,雖然制冷效果較好,但是電能消耗巨大,傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的能耗甚至超過PIN的1/3。如何減少制冷系統(tǒng)的能耗是每個數(shù)據(jù)中心面臨的難題。

現(xiàn)在,越來越多的數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用了冷熱通道隔離的方法來提高制冷系統(tǒng)的工作效率,采用冷封閉通道與精確送風(fēng)、回風(fēng)來改變氣流組織的流向,達(dá)到節(jié)能的效果。冷封閉通道如圖4所示。隨著季節(jié)的變化,數(shù)據(jù)中心對溫度的要求也在不斷變化,合理調(diào)整制冷系統(tǒng)的運行方式(例如晚間、冬季減少制冷設(shè)備的開機(jī)數(shù)量等)也是降低制冷系統(tǒng)能耗的一種選擇。

圖4 冷封閉通道示意

雖然制冷設(shè)備制冷效率的提升能減少制冷系統(tǒng)的能耗,但制冷設(shè)備本身仍在運行,設(shè)備運行消耗大量電能仍無法避免。目前,通過自然冷源對數(shù)據(jù)中心制冷的概念在業(yè)界已得到廣泛認(rèn)可,合理利用自然資源,降低數(shù)據(jù)中心的能耗已成為主流趨勢。

2017年4月,國網(wǎng)上海市電力公司信息通信公司完成了位于上海市靜安區(qū)一處機(jī)房的冷封閉通道改造工作。該機(jī)房改造前采用的是傳統(tǒng)的精密空調(diào)下送風(fēng)整機(jī)房制冷模式,冷量浪費嚴(yán)重,氣流組織紊亂。2011年投運后,其PUE值一直在2.1～2.5,居高不下。改造后,當(dāng)年7月和8月的平均PUE值約為1.86,相較于歷年同期的均值2.42顯著降低,下降了23.14%。

3.3 提高機(jī)房溫度

我國對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center,IDC)機(jī)房有A,B,C 3個級別的劃分,其中A類機(jī)房開機(jī)溫度要求為23±1 ℃。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到30 ℃時,大多數(shù)的信息設(shè)備仍保持正常工作狀態(tài)。

通過記錄同一機(jī)房在22 ℃和28 ℃兩種環(huán)境溫度下運行1個月的制冷系統(tǒng)能耗,分析機(jī)房溫度對PUE值的影響,結(jié)果如表1所示。從測算結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn),機(jī)房溫度由22 ℃升至28 ℃后,制冷系統(tǒng)能耗下降了9.92%,PUE值下降了10.21%。因此,適當(dāng)提高制冷系統(tǒng)的出風(fēng)溫度,能夠顯著減少制冷系統(tǒng)的能耗。目前,國內(nèi)外的許多數(shù)據(jù)中心都將機(jī)房的工作溫度設(shè)定在28 ℃左右,隨著信息設(shè)備抗高溫能力的提升以及節(jié)能環(huán)保的需求,提高運行機(jī)房的環(huán)境溫度必然是未來數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢。

表1 機(jī)房制冷系統(tǒng)能耗及PUE值

3.4 科學(xué)選址

數(shù)據(jù)中心的選址需要結(jié)合地理條件、電力環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、物業(yè)環(huán)境等方面進(jìn)行綜合考慮。本文僅針對如何選址才能最大化地節(jié)約能源進(jìn)行討論。為替代高能耗的傳統(tǒng)制冷方式,自然冷卻技術(shù)伴隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展也在逐漸成為IDC機(jī)房主流的冷卻方式,常用的自然冷卻方式主要包括風(fēng)冷式直接蒸發(fā)冷卻和水冷式冷水機(jī)組冷卻。

我國大部分地區(qū)氣候分明,氣象數(shù)據(jù)存在明顯的季節(jié)性波動,表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中心夏季、冬季制冷系統(tǒng)能耗存在明顯的峰值、谷值。在其他基礎(chǔ)條件允許的情況下,建議在嚴(yán)寒地區(qū)(最冷月平均溫度≤-10 ℃)[10]建立大型數(shù)據(jù)中心,充分發(fā)揮氣候優(yōu)勢,減少制冷系統(tǒng)的負(fù)荷。但嚴(yán)寒地區(qū)通?；A(chǔ)建設(shè)等條件較差,大部分企業(yè)還是會選擇在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)建立數(shù)據(jù)中心,而這些中心相對嚴(yán)寒地區(qū),沒有環(huán)境上的優(yōu)勢。這類地區(qū)可以選擇在靠近湖泊或大海等水資源豐富的地方建立數(shù)據(jù)中心,使用水冷式冷水機(jī)組制冷,在夏季或極端氣候時切換為蒸汽壓縮制冷模式。這種復(fù)合型自然冷源系統(tǒng)的優(yōu)點在于:室外氣溫遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)中心環(huán)境要求溫度時,可以完全依靠自然冷源,只在必要時開啟冷凍機(jī)組制冷,大大降低了數(shù)據(jù)中心的能耗水平。

4 結(jié) 語

本文從影響數(shù)據(jù)中心PUE值的因素入手,通過對數(shù)據(jù)中心環(huán)境動力系統(tǒng)的分析,得出了降低PUE值的一些方法。具體如下:優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的供電結(jié)構(gòu),采用高壓直流母線的供電結(jié)構(gòu)或48 V整機(jī)柜供電架構(gòu)的方式進(jìn)行供電,以降低供電系統(tǒng)的能耗;使用冷熱通道隔離的方式布置機(jī)房,最大限度地利用制冷資源;按照機(jī)房的實際負(fù)載情況,合理提升機(jī)房的運行溫度,降低制冷系統(tǒng)的能耗;盡量選擇在嚴(yán)寒地區(qū)建立大型數(shù)據(jù)中心,選擇自然冷源充足的地方,充分利用自然冷源,以降低數(shù)據(jù)中心的能耗。