數(shù)據(jù)中心節(jié)能和優(yōu)化布局研究

周伏秋，谷立靜，孟 輝

（1.國家發(fā)展和改革委員會 能源研究所，北京 100038；2.低碳經(jīng)濟(jì)技術(shù)中心，北京 100053）

1 數(shù)據(jù)中心概述

數(shù)據(jù)中心是一個聚集了大量服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等IT設(shè)備的場所，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲、傳輸、交換、管理等業(yè)務(wù)的服務(wù)平臺。從物理層次看，數(shù)據(jù)中心主要由IT設(shè)備、配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)3部分構(gòu)成。IT設(shè)備用于數(shù)據(jù)處理（服務(wù)器）、數(shù)據(jù)存儲（存儲設(shè)備）以及通信（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備），是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心功能的核心部分。配電和空調(diào)系統(tǒng)用以保障IT設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。配電系統(tǒng)用于直流與交流轉(zhuǎn)換，并確保為IT設(shè)備提供可靠的電源?？照{(diào)系統(tǒng)保證IT設(shè)備在正常的溫度和濕度下工作。

數(shù)據(jù)中心的發(fā)展大致經(jīng)歷了幾個階段。早期，計算機(jī)領(lǐng)域巨大的計算機(jī)房是數(shù)據(jù)中心的雛形。20世紀(jì)90年代，客戶端/服務(wù)器的計算模式逐步普及，服務(wù)器開始被單獨(dú)放置，數(shù)據(jù)中心開始流行。21世紀(jì)初，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）快速興起，所能提供的服務(wù)不斷升級。近年來，氣候變暖、能源緊張等問題，使數(shù)據(jù)中心面臨著降低能耗、節(jié)約成本的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心節(jié)能受到前所未有的關(guān)注，“綠色數(shù)據(jù)中心”的概念應(yīng)運(yùn)而生，并將成為數(shù)據(jù)中心新的發(fā)展方向。

2 我國數(shù)據(jù)中心用電迅速增長且布局不盡合理

數(shù)據(jù)中心用電由IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)和配電系統(tǒng)用電3部分組成。IT設(shè)備用電約占數(shù)據(jù)中心總用電量的50%，其中服務(wù)器占40%左右，存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備各占5%左右；空調(diào)系統(tǒng)用電約占40%；配電系統(tǒng)用電約占10%。

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會信息化的快速推進(jìn)，我國數(shù)據(jù)中心電耗迅速增長。研究結(jié)果表明：2009年，我國服務(wù)器保有量約為366萬臺，數(shù)據(jù)中心總耗電量約為364億kWh，占全社會用電量的1%。預(yù)測結(jié)果表明：未來10年里，我國數(shù)據(jù)中心很可能呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。倘若未來數(shù)據(jù)中心電能利用效率仍維持在目前的水平，2015年我國數(shù)據(jù)中心用電量將達(dá)到1 000億kWh左右，大體相當(dāng)于三峽電站一年的發(fā)電量，2020年將超過2 500億kWh。目前，我國數(shù)據(jù)中心大多集中于北京、上海、廣東等電力資源緊缺、電價較高、室外溫度較高的地區(qū)，一方面加大了當(dāng)?shù)毓╇妷毫?，增加了運(yùn)行成本，另一方面，布局過于集中也埋下了安全隱患。加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能和需求側(cè)管理，合理優(yōu)化布局，是建設(shè)資源節(jié)約型社會的現(xiàn)實(shí)和迫切需要。

3 數(shù)據(jù)中心具有可觀的節(jié)電潛力

3.1 數(shù)據(jù)中心總體節(jié)能潛力

IT行業(yè)通常用“電能利用效率”（PUE，指數(shù)據(jù)中心總用電量與IT設(shè)備用電量之比）這一指標(biāo)來評價數(shù)據(jù)中心的能效水平。目前，我國各類數(shù)據(jù)中心的PUE大多在2.0～2.5之間，平均2.2左右，少數(shù)采用了節(jié)電技術(shù)措施的降至1.6～1.8，表明我國數(shù)據(jù)中心用電具有可觀的節(jié)電潛力。

采用情景分析方法，對凍結(jié)情景、趨勢照常情景、優(yōu)化布局情景、最佳實(shí)踐情景、前沿科技情景5種情景下我國數(shù)據(jù)中心能耗增長趨勢、“十二五”期間總體節(jié)能潛力的分析和測算結(jié)果表明：如各種相關(guān)節(jié)電技術(shù)措施能及時、普遍推廣應(yīng)用，且合理優(yōu)化數(shù)據(jù)中心布局，在前沿科技情景下，2015年全國數(shù)據(jù)中心總電耗可減少至377億kWh，即可節(jié)電600億kWh以上，相當(dāng)于節(jié)約半個三峽電站的年發(fā)電量，其中，優(yōu)化布局對實(shí)現(xiàn)上述節(jié)電潛力的貢獻(xiàn)率約為20%。

3.2 數(shù)據(jù)中心技術(shù)節(jié)能潛力

數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)可分為IT設(shè)備節(jié)能技術(shù)、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)和配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)3大類。

（1）IT設(shè)備節(jié)能技術(shù)包括節(jié)能型服務(wù)器、刀片式服務(wù)器、服務(wù)器的虛擬化技術(shù)、存儲虛擬化技術(shù)、自動精簡配置技術(shù)、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架節(jié)能。

（2）空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)眾多，大體可分為5類。①利用自然冷源的節(jié)能技術(shù)，例如：熱管空調(diào)技術(shù)、空氣側(cè)節(jié)能裝置、水端節(jié)能器；②空調(diào)形式節(jié)能，如：中央空氣處理裝置、直接液冷空調(diào)、機(jī)架式空調(diào)、高熱密度空調(diào)等；③節(jié)能空調(diào)設(shè)備，如：高效冷水機(jī)組和高效機(jī)房空調(diào)；④氣流組織優(yōu)化；⑤智能控制技術(shù)，如：空調(diào)系統(tǒng)虛擬運(yùn)行技術(shù)、濕度控制技術(shù)。

（3）配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)主要有高效UPS、UPS虛擬運(yùn)行和改變服務(wù)器供電方式等技術(shù)。

關(guān)于我國數(shù)據(jù)中心技術(shù)節(jié)能潛力的分析結(jié)果表明：IT設(shè)備系統(tǒng)的綜合技術(shù)節(jié)能潛力大約在11%～39%之間，平均為25%；空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)節(jié)能潛力在4%～69%之間，平均為36%；配電系統(tǒng)的綜合技術(shù)節(jié)能潛力在8%～27%之間，平均為18%。如果數(shù)據(jù)中心在IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)和配電系統(tǒng)方面均采用一定的節(jié)能技術(shù)，則可能實(shí)現(xiàn)的綜合技術(shù)節(jié)能潛力在13%～57%之間，平均為35%。

4 數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局的必要性和可行性

受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、業(yè)務(wù)量等因素的影響，目前我國數(shù)據(jù)中心大多集中在北京、上海、廣東三地。與之相比，西部和東北一些省份具有電力資源豐富、電價地價較低、氣溫較低、自然冷源較多等優(yōu)勢。數(shù)據(jù)中心向這些地區(qū)轉(zhuǎn)移，一方面可有效緩解電力緊張壓力，降低建設(shè)和運(yùn)行成本；另一方面可以減輕電力、煤炭的遠(yuǎn)距離輸送壓力，提高能源、資源利用效率，同時還可促進(jìn)相關(guān)地區(qū)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶動當(dāng)?shù)匦畔⒎?wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化布局，需要綜合權(quán)衡和考慮資源稟賦、氣候條件、資源價格、政策環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、配套產(chǎn)業(yè)、人力資源、企業(yè)意愿、社會穩(wěn)定等諸多因素。綜合考慮上述因素，選取重慶、四川、陜西、青海、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古和黑龍江8個?。▍^(qū)、市）進(jìn)行了優(yōu)化布局的可行性分析。分析結(jié)果表明：

（1）承接數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移布局客觀條件（電力資源、氣候條件、電力價格、土地價格）比較好的省份依次是：內(nèi)蒙古、青海、寧夏、黑龍江、甘肅、陜西、四川和重慶。

（2）承接數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移布局軟硬環(huán)境（政策環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、人力資源、信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展）比較好的省份依次是：重慶、陜西、四川、黑龍江、甘肅、內(nèi)蒙古、青海、寧夏。

（3）在節(jié)能和成本方面比較有優(yōu)勢的地區(qū)，在政策環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施等方面較差，反之亦然。綜合條件較好的省份是黑龍江和甘肅。如果國家近期開展優(yōu)化布局試點(diǎn)，建議優(yōu)先考慮這2個地區(qū)。

（4）內(nèi)蒙古客觀優(yōu)勢明顯，國家可以考慮給予政策傾斜，引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心向該地區(qū)布局。青海、寧夏客觀優(yōu)勢也比較明顯，但基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面較為滯后，可以在其發(fā)展較好的城市加快配套設(shè)施建設(shè)，為承接數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局奠定基礎(chǔ)。陜西具備一定的成本優(yōu)勢，且軟硬環(huán)境較好，對于數(shù)據(jù)中心服務(wù)商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商來說，也是較好的備選地區(qū)。

5 數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局的效益分析

選取典型數(shù)據(jù)中心，對其優(yōu)化布局的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了量化分析。分析結(jié)果顯示：

（1）單純考慮氣候因素對數(shù)據(jù)中心空調(diào)負(fù)荷的影響，則優(yōu)化布局的節(jié)能效果微弱。但是考慮采用自然冷卻空調(diào)技術(shù)后，氣候因素帶來的節(jié)能效果明顯。以熱管空調(diào)技術(shù)為例，同樣的數(shù)據(jù)中心使用該項(xiàng)技術(shù)，在華南地區(qū)（如：深圳），空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率僅為14%，而在年均氣溫較低的西北和東北地區(qū)（甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古、黑龍江），節(jié)能率可達(dá)50%以上，青海地區(qū)節(jié)能率高達(dá)70%～80%。就數(shù)據(jù)中心整體而言，該技術(shù)可使東部地區(qū)和西部的重慶、四川、陜西等地數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)節(jié)能10%～20%，PUE降至1.6～1.7；可使年均氣溫較低的西部和北部地區(qū)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)節(jié)能20%～30%，PUE降至1.6以下?？梢?，如果采用自然冷卻空調(diào)技術(shù)的數(shù)據(jù)中心從華中、華南等地轉(zhuǎn)移到西北和東北一些地區(qū)，則可使數(shù)據(jù)中心整體能耗再多降10%左右，其中西寧地區(qū)可再多降16%。這些增加的降幅便是氣候因素帶來的節(jié)能效果。

（2）西部的甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古四省電價優(yōu)惠，數(shù)據(jù)中心從上海轉(zhuǎn)移到這些地區(qū)后運(yùn)行成本節(jié)約效益顯著。如果都按照商業(yè)電價考慮，可節(jié)約17%～37%；如果都按照大工業(yè)電價考慮，可節(jié)約35%～55%，兩方面都是青海地區(qū)的節(jié)約率最高。如果都按照商業(yè)電價考慮，數(shù)據(jù)中心從上海轉(zhuǎn)移到陜西和黑龍江兩省，也可節(jié)約運(yùn)行成本8%，但轉(zhuǎn)移到四川和重慶，運(yùn)行成本則會增加。如果都按大工業(yè)電價考慮，則陜西、黑龍江、四川、重慶四省也都有較好的運(yùn)行成本節(jié)約效果，轉(zhuǎn)移到陜西和黑龍江可節(jié)約25%以上，轉(zhuǎn)移到四川和重慶可節(jié)約10%以上?？梢?，西部地區(qū)在大工業(yè)電價方面更具優(yōu)勢。特別地，一些運(yùn)營性的數(shù)據(jù)中心在東部地區(qū)常常不易獲得工業(yè)電價的待遇，而到西部地區(qū)則比較容易獲得，所以對數(shù)據(jù)中心運(yùn)營企業(yè)來說，這種優(yōu)化布局的成本節(jié)約效益將更為突出。

（3）如果僅從節(jié)能效益和成本效益來考量，最適宜數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局的地區(qū)是青海，其次是甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏和黑龍江。西部的重慶、四川和陜西等地因年均溫度較高，節(jié)能效益與華中地區(qū)相當(dāng)，好于華南地區(qū)，不如華北地區(qū)，所以，單從節(jié)能效果看，重慶、四川和陜西不是首選的數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局地區(qū)。但是由于其電價方面較東部部分地區(qū)尚有一定優(yōu)勢，特別是大工業(yè)電價方面優(yōu)勢較大，所以從運(yùn)行成本角度看，也可以作為運(yùn)營性數(shù)據(jù)中心企業(yè)備選的布局區(qū)域。

（4）我國70%的服務(wù)器都放置在設(shè)備間和小機(jī)房級別的數(shù)據(jù)中心中。對數(shù)據(jù)中心的建設(shè)地域進(jìn)行合理選擇的同時，還應(yīng)考慮將數(shù)據(jù)中心資源進(jìn)行整合，盡量減少分散的小機(jī)房，引導(dǎo)其租用大型數(shù)據(jù)中心的服務(wù)，以形成一定的規(guī)模效益，進(jìn)一步降低能耗。資源整合也是優(yōu)化布局的一個方面。

對2種情形下數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局的規(guī)模效益進(jìn)行了定量分析：第一種情形是將面積在100m2量級上下的小型數(shù)據(jù)中心（如：政府、學(xué)校、醫(yī)院等機(jī)構(gòu)的機(jī)房）整合為大型數(shù)據(jù)中心；第二種情形是將面積在20m2左右的小機(jī)房（如：中小型企事業(yè)單位的服務(wù)器間）整合為大型數(shù)據(jù)中心。分析結(jié)果顯示：將小型數(shù)據(jù)中心整合為大型數(shù)據(jù)中心時，可實(shí)現(xiàn)初投資節(jié)約31%，運(yùn)行能耗節(jié)約19%，運(yùn)行成本節(jié)約29%；將設(shè)備間、機(jī)房整合為大型數(shù)據(jù)中心時，可實(shí)現(xiàn)初投資節(jié)約71%，運(yùn)行能耗節(jié)約26%，運(yùn)行成本節(jié)約53%。

6 政策建議

盡管我國數(shù)據(jù)中心具有可觀的節(jié)電潛力，但目前還缺乏國家、行業(yè)層面的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和激勵性政策等推進(jìn)措施，建議通過采取一攬子措施加以推動。

（1）制訂和完善數(shù)據(jù)中心相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)

一是修訂現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計規(guī)范，使其更符合節(jié)能需要，如：適當(dāng)提高機(jī)房室內(nèi)設(shè)計溫度等。目前，有些數(shù)據(jù)中心按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計，機(jī)房保溫過好，反而影響散熱，應(yīng)盡快制定出臺適宜數(shù)據(jù)中心的建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，或在已有相關(guān)規(guī)范中補(bǔ)充相關(guān)設(shè)計條文。

二是盡快制定出臺服務(wù)器能效標(biāo)準(zhǔn)，逐步制定出臺存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等其它IT設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)。

三是研究制定數(shù)據(jù)中心能效標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定數(shù)據(jù)中心及其所用設(shè)備的能效水平。目前數(shù)據(jù)中心能效多用PUE來衡量，但該指標(biāo)只能反映空調(diào)、配電及其它輔助系統(tǒng)的能效水平，無法反映IT設(shè)備的能效水平，不夠全面。

（2）建立數(shù)據(jù)中心能效檢測和標(biāo)識機(jī)制

一是委托獨(dú)立的檢測機(jī)構(gòu)，對數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的能效進(jìn)行標(biāo)識，結(jié)合能效標(biāo)準(zhǔn)，限制低能效設(shè)備進(jìn)入市場，推行高能效設(shè)備。

二是委托獨(dú)立的評估機(jī)構(gòu)，對擬建數(shù)據(jù)中心的能效進(jìn)行評估，不符合能效標(biāo)準(zhǔn)的不允許開工建設(shè)。對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心開展能效檢測，達(dá)不到入門標(biāo)準(zhǔn)的，要求盡快整改。

三是研究制定綠色數(shù)據(jù)中心評價體系，為開展綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)和推廣提供基礎(chǔ)，并依據(jù)該體系對數(shù)據(jù)中心的綠色級別進(jìn)行評定和認(rèn)證。綠色數(shù)據(jù)中心評價體系應(yīng)是一個綜合全面的體系，同時考慮節(jié)能與環(huán)保，涉及建設(shè)、運(yùn)行、管理等方面，綠色數(shù)據(jù)中心的各個設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)該同時符合其各自的能效標(biāo)準(zhǔn)要求，并使數(shù)據(jù)中心整體達(dá)到較高的能效水平。

（3）數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)研發(fā)、示范和推廣

鼓勵、支持?jǐn)?shù)據(jù)中心節(jié)電技術(shù)的研發(fā)，對前沿技術(shù)組織科技攻關(guān)，為數(shù)據(jù)中心節(jié)電提供堅實(shí)的技術(shù)支撐。組織開展綠色數(shù)據(jù)中心示范工程，示范應(yīng)用各種數(shù)據(jù)中心節(jié)電技術(shù)，并對各技術(shù)的節(jié)電潛力進(jìn)行實(shí)際測評。在示范的基礎(chǔ)上，推廣應(yīng)用潛力大、經(jīng)濟(jì)性好的技術(shù)，如：利用自然冷源的空調(diào)技術(shù)，IT設(shè)備及空調(diào)、配電系統(tǒng)的虛擬運(yùn)行技術(shù)等。

（4）組織開展數(shù)據(jù)中心優(yōu)化布局試點(diǎn)

建議先考慮在氣候條件較適宜、基礎(chǔ)設(shè)施比較完善的黑龍江、甘肅地區(qū)開展試點(diǎn)，引導(dǎo)現(xiàn)有部分?jǐn)?shù)據(jù)中心和擬新建數(shù)據(jù)中心向西部和北部適宜的地區(qū)布局，同時引導(dǎo)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施（電網(wǎng)、寬帶、通信網(wǎng)絡(luò)等）向試點(diǎn)地區(qū)加快發(fā)展。此外，組織開展數(shù)據(jù)中心整合試點(diǎn)，選取特定區(qū)域或行業(yè)，通過采取能效準(zhǔn)入等措施，引導(dǎo)當(dāng)前分散的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行資源整合，形成規(guī)模效益。

（5）制定和實(shí)施數(shù)據(jù)中心節(jié)能財政激勵政策

將節(jié)能型IT設(shè)備納入政府采購目錄，引導(dǎo)全社會購買和使用節(jié)能型IT設(shè)備；對購買節(jié)能型IT設(shè)備的單位給予財政補(bǔ)貼；對數(shù)據(jù)中心能效達(dá)到先進(jìn)水平的單位給予財政獎勵；對采用合同能源管理方式進(jìn)行數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造的單位給予財政獎勵。