數(shù)據(jù)中心能耗和能效現(xiàn)狀
為了有效開展數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作，首先來了解一下數(shù)據(jù)中心能源利用的現(xiàn)狀。
隨著云計算的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)向大型化發(fā)展的趨勢。超過100個機架的數(shù)據(jù)中心比例逐年上升，2016年預(yù)計達到61%。而大型數(shù)據(jù)中心的電力消耗是相當(dāng)驚人，比如對一個建設(shè)規(guī)模為2000個機架的數(shù)據(jù)中心來說，按照每個機架功率平均3kW計算，2000個機架最終負荷為3kW*2000=6000kW，每個小時耗電6000度，全年電力耗能為：6000kW*24小時/天*365天=52560000kWh，按照1元/KWh計算，全年的電費5256萬元，加上數(shù)據(jù)中心的空調(diào)、新風(fēng)、照明、其他電力能耗，對一個PUE為2的數(shù)據(jù)中心而言，電費為1.05億元。
另根據(jù)美國斯坦福大學(xué)JonathanKoomey教授的一項調(diào)查顯示，2010年全球數(shù)據(jù)中心電力消耗為2355億度，約占全球電力消耗的1.3%。而在美國，這一比例更高，美國環(huán)境保護署的報告顯示，2011年數(shù)據(jù)中心能源消耗占到了美國電網(wǎng)總量的2%，并且還將呈現(xiàn)每五年翻一番態(tài)勢。中國的數(shù)據(jù)中心能耗也高速增長，顯著高于世界的平均水平，據(jù)ICTResearch統(tǒng)計，2012我國數(shù)據(jù)中心能耗高達664.5億度，占當(dāng)年全國工業(yè)用電量的1.8%。根據(jù)預(yù)測，到2015年我國數(shù)據(jù)中心能耗預(yù)計高達1000億度，相當(dāng)于整個三峽水電站一年的發(fā)電量。
另一方面，數(shù)據(jù)中心能源效率普遍低下，能源浪費巨大，據(jù)工信部統(tǒng)計，目前，中國的數(shù)據(jù)中心的平均PUE值在2.2～3.0之間，而實際能耗可能遠遠高于這一數(shù)字。對企業(yè)而言，數(shù)據(jù)中心電費已成為很大一筆開支，大幅侵蝕企業(yè)的經(jīng)營利潤。如中國聯(lián)通2012年營業(yè)收入407億美元，利潤僅為12億美元，但其電費開支卻高達17億美元。
數(shù)據(jù)中心能源消耗巨大和能源利用效率低下的現(xiàn)狀，揭示了數(shù)據(jù)中心行業(yè)存在著巨大的節(jié)能空間，綠色節(jié)能自然而然也就成為了當(dāng)前和未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)的一個主流需求。
節(jié)能減排，大勢所趨
數(shù)據(jù)中心節(jié)能不僅僅是企業(yè)節(jié)能、降低成本的需要，還是國家開展節(jié)能減排工作的重要組成部分。在2011年的"十二五"規(guī)劃中，政府提出了數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作刻不容緩的指示。在《工業(yè)節(jié)能"十二五"規(guī)劃》中明確指出，到2015年全國數(shù)據(jù)中心PUE值需達成下降8%的目標(biāo);2013年初，工信部聯(lián)合五部委共同出臺《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》(工信部聯(lián)通(2013)13號)，對我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)、規(guī)劃、布局制定了綱領(lǐng)性要求，確保新建數(shù)據(jù)中心PUE值達到1.5以下，原有改造的數(shù)據(jù)中心PUE值下降到2以下;2014年2月1日，上海率先頒布國內(nèi)首個數(shù)據(jù)中心能耗限額的強制性地方標(biāo)準(zhǔn)，正式吹響了數(shù)據(jù)中心節(jié)能領(lǐng)域的先鋒號角。而像以Google為代表的大型IT公司則紛紛在綠色數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域先行了一步，推出了許多超低PUE綠色數(shù)據(jù)中心的成功實踐。節(jié)能減排，毫無疑問成為了數(shù)據(jù)中心建設(shè)的大勢所趨。
數(shù)據(jù)中心能源消耗構(gòu)成
為了更好地開展數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排工作，還需要了解數(shù)據(jù)中心能源消耗構(gòu)成。據(jù)調(diào)查，按照各種用電設(shè)備在數(shù)據(jù)中心機房中所產(chǎn)生的功耗所占比例大小，數(shù)據(jù)中心機房的能耗構(gòu)成因素及排序如下。
1)IT設(shè)備系統(tǒng)：由服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等所構(gòu)成的IT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗約占數(shù)據(jù)中心機房所需總功耗的50%左右。其中服務(wù)器型設(shè)備占40%左右。另外的10%功耗基本上由存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備所“均分”。
1.數(shù)據(jù)中心提升能效常見技術(shù)手段IT設(shè)備系統(tǒng)能效提升
IT設(shè)備系統(tǒng)的能效提升不但能降低IT設(shè)備本身的能耗，還能降低為之服務(wù)的散熱和供電系統(tǒng)的能耗，是從源頭上降低數(shù)據(jù)中心能耗的方法。常見的手段有關(guān)閉空閑的應(yīng)用和設(shè)備，提高IT設(shè)備的利用率。另外，當(dāng)前談?wù)摫容^多的虛擬化也可通過整合服務(wù)器和存儲設(shè)備的方式節(jié)省能源。對服務(wù)器虛擬化的原理是：客戶可將四個20%運行效率的服務(wù)器合并成一個80%運行效率的服務(wù)器。盡管這個虛擬的服務(wù)器中的處理器需要消耗更多的電力，但處理器的耗電量僅為服務(wù)器耗電量的30%。所以80%的利用率增長卻僅產(chǎn)生了30%的處理器耗電量。存儲虛擬化[注]就是利用存儲的非常先進的技術(shù)，比如說重復(fù)存儲數(shù)據(jù)刪除，讓它盡量少存儲空間，提高存儲空間的利用效率，通過這些，就可以減少能源10%到20%。
2.制冷系統(tǒng)能效提升
在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)是能耗最大的基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)，提升制冷系統(tǒng)的能效就是提升數(shù)據(jù)中心能效最主要的手段。當(dāng)前比較常用的主要有以下措施：
1)氣流管理。氣流管理的首要措施是對機房室內(nèi)環(huán)境進行有效的密封，這樣不但可以有效阻止冷量泄露，還可有效控制相對濕度，減少不必要的加濕和除濕。若室內(nèi)未妥善密封，提高效率的其它所有方法所起的作用將大打折扣。其次，對正面進氣，背面排氣的設(shè)備，可通過正確的擺放機柜來形成熱通道/冷通道布局，使面對面排列的機柜的正面從同一冷通道吸收冷空氣，熱空氣排入機柜背面的熱通道，在此基礎(chǔ)上，還可以通過冷熱通道封閉，空閑機架加裝盲板，走線孔增加密封毛刷來達到冷熱氣流的完美隔離，避免混合。
2)行級空調(diào)。行級空調(diào)直接安裝在機柜排中，靠近服務(wù)器熱源，實現(xiàn)近端制冷，一方面可以大大縮短空調(diào)風(fēng)機的送風(fēng)距離，降低功耗，另一方面還可以大幅提高空調(diào)的送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度，使空調(diào)運行在高效率的工況。
3)變頻空調(diào)。數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)往往根據(jù)IT設(shè)備的最大負荷來進行選型的。而現(xiàn)實中，IT設(shè)備大部分時間并不是運行在滿載情況，對空調(diào)制冷量的需求并不需要選型的那么大，空調(diào)實際上長時間運轉(zhuǎn)在部分負荷工況。因此，提高空調(diào)部分負荷效率是提升能效的主要手段。變頻空調(diào)通過變頻實現(xiàn)無極調(diào)速，從而更精確逼近負荷需求，可在部分負荷時保持高運行效率。以華為行級直流變頻空調(diào)為例，它可實現(xiàn)10%-100%無級輸出制冷量，且部分負荷時能效更高，綜合能效比(IPLV)高達4.0，能很好地匹配數(shù)據(jù)中心負載特性，提升空調(diào)整體能效。
4)自然冷卻。對于年平均氣溫較低的許多地區(qū)，可以采用適宜的自然冷卻方式。當(dāng)氣溫低至一定程度時，就可以部分或完全關(guān)閉壓縮機制冷系統(tǒng)，而采用效率極高的自然冷卻方式。自然冷卻又可分為風(fēng)側(cè)和水側(cè)自然冷卻，如黑龍江移動就成功采用熱轉(zhuǎn)輪方式的風(fēng)側(cè)自然冷卻方式，將PUE降低到1.2以下。
3.供配電系統(tǒng)能效提升
打造綠色數(shù)據(jù)中心還需要考慮供配電系統(tǒng)能效的提升。UPS系統(tǒng)是供配電系統(tǒng)中能耗最大的環(huán)節(jié)，因此必須關(guān)注UPS系統(tǒng)的效率提升。其能效提升可通過以下三個途徑來實現(xiàn)。
1)選用更高效的高頻UPS。工頻UPS因內(nèi)置用于升壓的輸出變壓器，損耗遠遠大于高頻UPS，宣稱效率也僅能達到93%;而且工頻機輸入諧波大，需附加相應(yīng)的諧波治理設(shè)備，進一步降低了運行效率;諧波及低輸入功率因數(shù)也會導(dǎo)致輸入線纜損耗增大。高頻機通過技術(shù)的改進取消了變壓器，運行效率最可達到96%。
2)關(guān)注UPS實際運行負載率下效率值。UPS系統(tǒng)為確保可靠性，需要配置為冗余系統(tǒng)，運行負載率一般在40%以下，所以應(yīng)關(guān)注UPS在此負載段的效率。華為UPS通過精細化設(shè)計，20%額定值是效率可達到95%，在40%額定載時效率可達到96%。
3)按需部署提升UPS運行負載率。采用模塊化的UPS，在機房投入運行時，先期可以按照實際的負載配備模塊化的UPS，隨著設(shè)備的增加隨時增加UPS的模塊(熱拔插不用停電)。比如一個100平米機房，按照設(shè)計容量需要200KW，在剛投入使用時只有80KW的負載，可以采購一臺240KW的模塊式UPS(由6個40KW的模塊組成)，但先配3個模塊，得到的是一個120KW的UPS，隨著負載的增加，隨時增加模塊，提高UPS的負載率，實現(xiàn)UPS的高效運行
當(dāng)然，供配電系統(tǒng)節(jié)能還有其他輔助手段，比如減小變壓器與UPS的送電距離，減小UPS輸出到機柜的送電距離，從而降低母線或電纜在電流傳輸中的損耗;采用比傳統(tǒng)光源更節(jié)能的智能LED照明系統(tǒng)，且自動做到人走燈滅，提高照明系統(tǒng)能效。
數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)化方面存在的問題
數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)化雖然有各種各樣的技術(shù)手段，但從當(dāng)前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心能源效率現(xiàn)狀來看，能效優(yōu)化并不是做得十分徹底，能效低的現(xiàn)象依然普遍，能效進一步提升空間依然十分巨大。
首先，目前絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)功能非常不完善，智能滿足基本監(jiān)控的需求。而能效更是基本處于無監(jiān)管狀態(tài)，數(shù)據(jù)中心具體消耗了多少能量，其中各個子系統(tǒng)如服務(wù)器、存儲、空調(diào)室內(nèi)機、空調(diào)室外機、UPS分別消耗了多少能量，實時PUE數(shù)據(jù)是怎樣的，歷史PUE數(shù)據(jù)如何，哪里存在能源浪費的可能，能效優(yōu)化的空間有多大，這些基本上都不可知。
其次，數(shù)據(jù)中心雖然采用了很多先進的節(jié)能設(shè)備，但是這些設(shè)備還不夠智能，基本上處于各自為政、孤軍奮戰(zhàn)的階段，不能很好地協(xié)同。如作為能源消耗的源頭IT設(shè)備，即我們俗稱的L2層設(shè)備，基本上跟L1層的風(fēng)火水電即基礎(chǔ)設(shè)施處于相互隔離的狀態(tài)，L2不能及時地將自身對電力和散熱的需求傳遞給L1，L1也無法準(zhǔn)確地判斷L2對供電和制冷的需求。此外，在基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部，如數(shù)據(jù)中心的“能耗大戶”制冷系統(tǒng)，其室內(nèi)末端和室外主機也是互不通訊的，他們之間缺乏很好的聯(lián)動協(xié)同機制，無法做到高效制冷。
智慧數(shù)據(jù)中心在能效優(yōu)化方面的作用
華為推出的智慧數(shù)據(jù)中心(+微信關(guān)注網(wǎng)絡(luò)世界)，以數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化為理念，通過數(shù)字化手段，將原來一個個粗笨的設(shè)備，如機柜、配電柜、UPS、空調(diào)、電池等全部變成智能設(shè)備，同時通過組網(wǎng)，將這些設(shè)備組成一個系統(tǒng)，統(tǒng)一地管理起來，并通過能效最優(yōu)的算法，進行統(tǒng)一的調(diào)度和協(xié)同，做到系統(tǒng)效率最大化。
智慧數(shù)據(jù)中心首先具有一個包括能效管理模塊的強大的管理系統(tǒng)。能效管理的前提通過部署在各智能設(shè)備的傳感器和感知設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)采集準(zhǔn)確詳細的電能等基礎(chǔ)參數(shù)，如智能IDC機柜，對電能和環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、濕度、煙霧等)進行機柜級感知。智能監(jiān)控單元一方面收集感知數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機連接管控中心服務(wù)器，另一方面對機柜相關(guān)供電和散熱部件(如風(fēng)機)進行實時控制，達到節(jié)能的目的。各機柜之間采用Zigbee自組網(wǎng)傳輸感知數(shù)據(jù)，方便新的傳感設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)中。對收集的數(shù)據(jù)進行全面實時的PUE計算和分析，獲得機柜級、模塊級、區(qū)域級和機房級PUE數(shù)據(jù)，同時考慮PUE數(shù)據(jù)的時間和空間特性，獲取動態(tài)溫度云圖和熱點可視化，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果及PUE基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成直觀的數(shù)據(jù)中心溫度云圖，提供針對性的供電和制冷策略，為數(shù)據(jù)中心節(jié)能決策提供目標(biāo)方向和論證依據(jù)。比如通過溫度云圖，發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域溫度偏低，則可相應(yīng)調(diào)動該區(qū)域的空調(diào)，減少制冷量輸出，提高該區(qū)域的溫度，達到提升能效的目的。
智慧數(shù)據(jù)中心的另一個特征是各設(shè)備智能化后，整個數(shù)據(jù)中心成為一個大系統(tǒng)，各設(shè)備能實現(xiàn)很好的聯(lián)動，相互協(xié)同，做到數(shù)據(jù)中心整體能效最優(yōu)化。這里可以通過幾個具體的例子，來說明協(xié)同在提升能效方面的作用。
首先是基礎(chǔ)設(shè)施層(L1)與IT層(L2)的協(xié)同。由于業(yè)務(wù)的變化，IT設(shè)備的負載率時刻在發(fā)生變化，能耗也會有較大的波動，那么通過CPU、內(nèi)存等實時數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，便可以預(yù)測業(yè)務(wù)的變化情況，時段性的物理關(guān)閉某些閑置的服務(wù)器，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整各級電源供應(yīng)策略，相應(yīng)關(guān)閉或休眠為這些服務(wù)器供電的電源模塊，提高供配電效率。通過傳感設(shè)備收集實時全面的服務(wù)器運行溫度數(shù)據(jù)，精確計算并預(yù)測制冷需求，結(jié)合智能的空調(diào)設(shè)備(如行級直流變頻空調(diào))，關(guān)閉或調(diào)低為這些服務(wù)器散熱的風(fēng)機或空調(diào)，提高制冷系統(tǒng)的效率。
其次是基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部各設(shè)備之間的協(xié)同。華為推出的iCooling制冷系統(tǒng)，便可以實現(xiàn)制冷系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備之間的聯(lián)動協(xié)同。比如對于大型數(shù)據(jù)中心，一般采用冷凍水末端空調(diào)配合機房外冷水機組的制冷方案。傳統(tǒng)的做法中，空調(diào)末端與冷水機組之間相互是不通訊的，冷水機組的調(diào)節(jié)是通過水溫來進行傳遞的。而從服務(wù)器負載的變化到冷水機組的水溫變化，中間需要經(jīng)過很長的路徑：由IT設(shè)備負載的變化，到功耗和散熱量的不同，到服務(wù)器進出風(fēng)溫度變化，到空調(diào)末端的送回風(fēng)溫度變化，再到空調(diào)末端內(nèi)水溫的變化，最終引起冷水機組水溫的變化。這個變化是非常緩慢，有較大的時延。所以傳統(tǒng)的做法中，數(shù)據(jù)中心冷水機組的調(diào)節(jié)很不及時和精確的。iCooling制冷系統(tǒng)不但可以將整個IT設(shè)備負載變化情況及時反饋給空調(diào)末端，也可以及時反饋到冷水機組，使得制冷系統(tǒng)中耗能最大的冷水機組可以采取針對性的供冷策略，實現(xiàn)端到端的按需制冷，提升能效。
數(shù)據(jù)中心智能化后，不光是制冷系統(tǒng)可以實現(xiàn)協(xié)同，供配電系統(tǒng)的協(xié)同也成為了可能。華為推出的iPower系統(tǒng)，可以對整個供配電系統(tǒng)進行端到端精細化的管理，根據(jù)IT負載的需求，實行針對性的能效最優(yōu)化的供電策。iBattery可以對電池的狀態(tài)、充放電過程進行精細化管理，在提升運維效率的同時，實現(xiàn)供配電系統(tǒng)的精細化節(jié)能。
數(shù)據(jù)中心節(jié)能是一個綜合性的工程，很難一蹴而就。在傳統(tǒng)上關(guān)注的制冷系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的硬件高效化改造基礎(chǔ)上，以數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)的智慧數(shù)據(jù)中心，通過智能管理和協(xié)同機制，必將在構(gòu)筑綠色數(shù)據(jù)中心和提升能效方面大放異彩。文章來源：大金機房精密空調(diào)http://www.ejwym.cn/jingmikongtiao/daikin.html
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