云計(jì)算中心節(jié)能評估分析

王 菁

（山西省投資咨詢和發(fā)展規(guī)劃院，山西 太原030073）

0 引言

云計(jì)算被稱為繼大型機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的第四次浪潮，已成為全球未來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的重要引擎。我國“十二五”規(guī)劃綱要明確指出要大力發(fā)展云計(jì)算，加快云計(jì)算服務(wù)平臺建設(shè)。建設(shè)綠色、節(jié)能的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心成為建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的新要求。

1 云計(jì)算中心的能耗現(xiàn)狀

隨著云計(jì)算的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)的推進(jìn)，能源消耗問題也成了最大挑戰(zhàn)。通過對我國云計(jì)算數(shù)據(jù)中心能耗問題的綜合分析，不難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的電耗呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。2009年，我國云計(jì)算中心總耗電量為364億kW·h，占社會(huì)總耗量的1%；2011年，我國數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)700億kW·h，占到全社會(huì)用電量的1.5%。

我國政府高度重視云計(jì)算及其發(fā)展趨勢，將云計(jì)算視為下一代信息技術(shù)的重要內(nèi)容。工信部的《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》中明確指出，2015年數(shù)據(jù)中心PUE值（電能利用效率）降8%，在發(fā)改委的“云計(jì)算示范工程”中要求數(shù)據(jù)中心的PUE＜1.5，而目前中國的PUE大多在2.0～3.0之間。

這些都要求對云計(jì)算中心的建設(shè)使用進(jìn)行嚴(yán)格的節(jié)能評估，保證云計(jì)算中心的建設(shè)符合國家的發(fā)展要求。

2 云計(jì)算中心主要能耗節(jié)能評估

2007年，LBNL（美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室）在調(diào)查12個(gè)云計(jì)算中心用能時(shí)發(fā)現(xiàn)，其耗能主要是電能，功耗分布為：IT設(shè)備占46%、制冷系統(tǒng)占31%、UPS占8%、照明占4%、其他功耗占11%。

以某云計(jì)算中心為例，通過對其集團(tuán)數(shù)據(jù)中心、公共數(shù)據(jù)中心、研發(fā)數(shù)據(jù)中心、配套數(shù)據(jù)中心及云計(jì)算配套用房等建設(shè)內(nèi)容的分析，該云計(jì)算中心的主要能耗為服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備以及空調(diào)系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、供配電及照明系統(tǒng)等。

2.1 主要IT設(shè)備節(jié)能評估

2.1.1 設(shè)備分析

作為云計(jì)算中心的核心，大量的IT設(shè)備是必不可少的，為了系統(tǒng)正常高速運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采用高性能設(shè)備，但在其高性能同時(shí)，還應(yīng)考慮節(jié)能［1］。根據(jù)可行性研究報(bào)告，采用X86系列Intel CPU刀片機(jī)組服務(wù)器；存儲設(shè)備配置34 792塊600G光纖磁盤，總?cè)萘窟_(dá)到20 875T，15 000r，另外配置熱備盤1 000塊；云計(jì)算平臺采用百萬兆以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。

經(jīng)過節(jié)能分析，認(rèn)為選取的設(shè)備性能較好，而且節(jié)能，配置合理可行。

2.1.2 節(jié)能分析

通過對目前市場上主要的塔式、機(jī)架式、刀片式服務(wù)器進(jìn)行分析，認(rèn)為刀片式服務(wù)器在標(biāo)準(zhǔn)高度的機(jī)架式機(jī)箱內(nèi)可插裝多個(gè)卡式的服務(wù)器單元，實(shí)現(xiàn)高可用性和高密度。每一塊“刀片”實(shí)際上就是一塊系統(tǒng)主板。它們可以通過“板載”硬盤啟動(dòng)自己的操作系統(tǒng)，類似于一個(gè)個(gè)獨(dú)立的服務(wù)器，在這種模式下，每一塊母板運(yùn)行自己的系統(tǒng)，服務(wù)于指定的不同用戶群，相互之間沒有關(guān)聯(lián)［2］。管理員可以使用系統(tǒng)軟件將這些母板集合成一個(gè)服務(wù)器集群。與傳統(tǒng)的塔式、機(jī)架式服務(wù)器相比，刀片服務(wù)器具有低功耗、占用空間小、單機(jī)售價(jià)低等特點(diǎn)，能最大限度地節(jié)約服務(wù)器的使用空間和費(fèi)用，并為用戶提供靈活、便捷的擴(kuò)展升級手段。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能評估

2.2.1 系統(tǒng)分析

可行性研究報(bào)告中，集團(tuán)數(shù)據(jù)中心、公共數(shù)據(jù)中心、研發(fā)數(shù)據(jù)中心均采用工藝空調(diào)，配備水冷機(jī)組及恒溫恒濕機(jī)；云計(jì)算配套用房采用變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)，夏季制冷，冬季采暖。

由于數(shù)據(jù)中心的IDC機(jī)房、UPS室、空調(diào)控制室、發(fā)電機(jī)控制室、主配線區(qū)主要集中布置于公共數(shù)據(jù)中心、集團(tuán)數(shù)據(jù)中心、研發(fā)數(shù)據(jù)中心三層以上建筑內(nèi)，因而宜采用工藝空調(diào)，冷源為離心式冷水機(jī)，采用N＋1配置，一臺備用，安裝在公共數(shù)據(jù)中心地上一層及研發(fā)數(shù)據(jù)中心地下一層內(nèi)；每臺冷水機(jī)配備冷卻塔，冷卻塔集中布置于公共數(shù)據(jù)中心與集團(tuán)數(shù)據(jù)中心頂層，當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，關(guān)閉制冷機(jī)組，采用板式換熱器進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)自然冷卻；工藝空調(diào)末端采用水冷精密空調(diào)機(jī)，即恒溫恒濕風(fēng)柜＋浸透氣化式加濕器，采用N＋1配置。

研發(fā)數(shù)據(jù)中心三層以下各空調(diào)區(qū)域以及集團(tuán)數(shù)據(jù)中心與公共數(shù)據(jù)中心的高低壓配電室、消防控制室、門廳、值班室、前室等采用舒適空調(diào)，冷源為離心式冷水機(jī)，不設(shè)備用，安裝在研發(fā)數(shù)據(jù)中心地下一層冷站機(jī)房內(nèi)，同時(shí)每層單獨(dú)設(shè)置新風(fēng)機(jī)組；每臺冷水機(jī)配備冷卻塔，集中布置于公共數(shù)據(jù)中心與集團(tuán)數(shù)據(jù)中心頂層；舒適空調(diào)末端采用吊頂式風(fēng)機(jī)盤管［3］。

云計(jì)算配套用房采用變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)，夏季制冷，冬季采暖。

2.2.2 節(jié)能分析

空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)功能進(jìn)行分區(qū)布置，不同區(qū)域采用不同的空調(diào)方案，這樣有利于降低空調(diào)冷負(fù)荷。

在數(shù)據(jù)中心工藝空調(diào)區(qū)域，由于冬季散熱量大，仍需要空調(diào)制冷，這時(shí)采用冷卻塔供冷技術(shù)（自然冷卻工況），即當(dāng)室外環(huán)境溫度較低，冷卻塔可以提供10℃左右的冷卻水時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入完全自然冷卻狀態(tài)，冷凍水經(jīng)板式換熱器與冷卻水水水交換，直接提供12℃的冷凍水，冷水機(jī)組關(guān)閉，這樣可以減少冷水機(jī)組全年運(yùn)行時(shí)間，顯著節(jié)約冷水機(jī)組電耗，通過計(jì)算約節(jié)電3 595萬kW·h。

2.3 采暖系統(tǒng)節(jié)能評估

2.3.1 系統(tǒng)分析

可行性研究報(bào)告中采暖方案為：冷凍站發(fā)電機(jī)房冬季采暖采用散熱器接入市政熱力管網(wǎng)，不單獨(dú)設(shè)置集中采暖系統(tǒng)，采暖熱媒為45～40℃熱水；云計(jì)算中心配套用房等采用變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)，夏季制冷，冬季采暖。

經(jīng)過節(jié)能分析，認(rèn)為該項(xiàng)目可采用水源熱泵機(jī)組回收冷卻塔排出的熱量，作為冬季采暖熱源。

2.3.2 節(jié)能分析

如果采用集中供熱方案，根據(jù)CJJ34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，項(xiàng)目采暖期建筑物空調(diào)采暖耗熱量為9 563GJ／年，根據(jù) GBT2589—2008《綜合能耗計(jì)算通則》，熱力折合標(biāo)煤系數(shù)取34.12kgce／GJ，計(jì)算得本項(xiàng)目能評后熱力能耗折合標(biāo)煤量為326.3tce。

若采用水源熱泵機(jī)組作為冬季采暖熱源，根據(jù)計(jì)算，機(jī)組年耗電量為111萬kW·h，折合標(biāo)煤136.4tce。

如果采用集中供暖，冷卻循環(huán)水廢熱不能得到充分利用，采用水源熱泵機(jī)組后，項(xiàng)目可充分發(fā)掘周邊采暖熱負(fù)荷，以水源熱泵的形式為周邊區(qū)域集中供熱，最大限度回收冷卻塔廢熱，可為周邊約50萬m2建筑提供冬季熱源，既不浪費(fèi)余熱，又節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)了能源梯級利用。

2.4 供配電系統(tǒng)及照明系統(tǒng)節(jié)能評估

2.4.1 系統(tǒng)分析

可行性研究報(bào)告中指出：擬由開發(fā)區(qū)變電站分別引來兩路110kV電源。考慮到一級負(fù)荷的可靠性要求及用電量大的情況，要求均為專線。兩路110kV電源互為熱備用，正常運(yùn)行時(shí)同時(shí)工作，每路負(fù)荷率不大于50%；當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，可閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另一路電源保證所有二級及以上負(fù)荷的正常運(yùn)行［4］。同時(shí)設(shè)置UPS供電及應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。

2.4.2 節(jié)能分析

變電所設(shè)置集中低壓電容器補(bǔ)償裝置，功率因數(shù)由0.8～0.85提高至0.9以上，可減少電力損耗。根據(jù)需要將高低壓變配電室設(shè)置在不同區(qū)域，同時(shí)將UPS電源分區(qū)模塊化配置，并安裝節(jié)能燈具和用電分項(xiàng)計(jì)量裝置，采用分區(qū)控制方式。這些措施的實(shí)行節(jié)約了電能，降低了能耗。

2.5 能效水平分析

PUE是評價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比［5］。經(jīng)過計(jì)算，本項(xiàng)目PUE值為1.45，根據(jù)PUE常用評價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)表，該云計(jì)算中心屬于“優(yōu)秀”級別，能源利用率較高，符合低碳、節(jié)能的要求。

3 結(jié)語

節(jié)約能源是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)長期戰(zhàn)略方針，其不僅是為緩解能源供需矛盾，更是為促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和保護(hù)環(huán)境，同時(shí)對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級具有重大意義。因此，云計(jì)算中心工作系統(tǒng)的建立以及運(yùn)行，必須綜合分析各個(gè)耗能點(diǎn)，并采取相應(yīng)措施來降低能耗，以期盡早實(shí)現(xiàn)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的綠色目標(biāo)和節(jié)能減排目標(biāo)。

［1］殷波，王穎，孟洛明，等.綜合遷移成本和通信成本的云計(jì)算節(jié)能策略［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（1）

［2］廖彬，于炯，孫華等.基于存儲結(jié)構(gòu)重配置的分布式存儲系統(tǒng)節(jié)能算法［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2013（1）

［3］王意潔，孫偉東，周松，等.云計(jì)算環(huán)境下的分布存儲關(guān)鍵技術(shù)［J］.軟件學(xué)報(bào)，2012（4）

［4］廖彬，于炯，張?zhí)?，?基于分布式文件系統(tǒng)HDFS的節(jié)能算法［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013（5）

［5］李建敦，彭俊杰，張武.云存儲中一種基于布局的虛擬磁盤節(jié)能調(diào)度方法［J］.電子學(xué)報(bào)，2012（11）