綠色互聯網數據中心機房節(jié)能方案

李步宵

摘 要 近期，我國各大通信運營商正在大力建設互聯網數據中心（IDC）機房，規(guī)模日益增大，數量日漸增多，但其十分昂貴的建設與運維費用，使得IDC業(yè)務利潤率大幅降低，因此，積極建設綠色節(jié)能的IDC機房，不僅能夠有效解決這些問題，而且還是切實履行社會責任的關鍵構成。本文著眼于各類型IDC中心機房的節(jié)能研究，對機房能耗構成進行了深層分析，利用目標動態(tài)控制分析方法，逐層分解并動態(tài)分析了電能利用率（PUE）指標，從中挖掘出對PUE指標大小造成影響的各系統(tǒng)能耗因素。把工程應用理論與PUE指標相融合，創(chuàng)新性提出了IDC機房節(jié)能實施方案，以期為此領域應用研究提供些許參考。

【關鍵詞】互聯網數據中心 機房 電能利用率 節(jié)能方案

互聯網數據中心（IDC）即為了能夠更好的滿足互聯網各類信息服務與業(yè)務需求，而專門建設的應用基礎設施，IDC通過與互聯網的深入、高速、系統(tǒng)化連接，且憑借自身豐富的網絡、存儲、計算與應用資源，為各基礎對象提供高質量、全方位、規(guī)?；脑鲋捣张c基礎服務。伴隨當今通信技術的日益發(fā)展與完善，其業(yè)務范疇已經不再僅特定在某一領域，而是呈現出全球化傾向，且此傾向正在逐漸成熟與完備，在此大背景下，IDC業(yè)務也呈現出高速的發(fā)展步伐，但由于機房在整體能耗方面的持續(xù)攀升，反而在較大程度上對IDC業(yè)務的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重制約，因此，在建設IDC機房時，秉持“高效、環(huán)保、綠色、節(jié)能”的基本理念，可謂大勢所趨與必然選擇。設計綠色IDC機房時，除了要將電源能耗、I T設備能耗、建筑自身能耗以及空調能耗等考慮在內之外，還須重視其它相關指標對機房節(jié)能所造成的影響，如氣流組織、設備安裝及機房布局等。

1 我國IDC機房能耗現狀及原因

1.1 我國IDC機房能耗現狀

在國際上，PUE值是用作衡量數據中心電能實際使用效率的常用指標，對于其計算方法而言，即數據中心所消耗全部電能與負載消耗的電能比值，基于此計算可知，當PUE值與1越接近時，表明此數據中心有著越高的節(jié)能水平與綠色化程度。當前，在我國各類IDC運營公司當中，呈體系化、規(guī)?；墓?，多集中在經濟最為發(fā)達的一線城市，如北上廣等地，這些城市IDC機房的PUE值，通常維持在2-3之間。比如上海的IDC機房，其PUE年均值為2.22。而在國外，尤其是一些經濟發(fā)達國家的知名互聯網企業(yè)，比如Facebook、谷歌等，其所建設的IDC機房在PUE值上，通?？刂圃?.5以下，有些企業(yè)甚至更低，此些企業(yè)在建設或改造IDC機房時所運用的節(jié)能技術與手段，值得國內相關企業(yè)借鑒與參考。 我國部分互聯網龍頭企業(yè)同樣著手開展了許多創(chuàng)建綠色節(jié)能型IDC機房的實踐工作，比如騰訊公司，伴隨該公司產品的更新與增多，業(yè)務客戶量的持續(xù)攀升，IDC機房規(guī)模同樣呈井噴增加之勢，面對數據中心如此龐大的電能消耗，騰訊公司先后采取了各種節(jié)能措施，加大對此領域的建設與改造，比如強化平臺管理，優(yōu)化產品能耗，配備節(jié)能服務器等，目前，通訊公司在IDC機房節(jié)能性能方面，相比于普通數據中心，節(jié)能幅度達25%。盡管我國現階段部分大型互聯網企業(yè)在IDC機房節(jié)能建設方面已經取得矚目成就，但從總體上來看，IDC機房高能耗問題依然存在，在改進與提升節(jié)能性能方面，仍有非常大的空間。

1.2 IDC機房能耗原因分析

DIC機房存在的能耗，主要由如下部分構成：其一，IDC機房的各類設備用電，從總體上來講，主要有網絡通信設備、IT設備等；其二，空調制冷系統(tǒng)方面的用電，據相關數據統(tǒng)計得知，在整個數據中心機房總能耗當中，機房制冷用電所占比重達45%，而制冷的核心設備即為空調；其三，供電系統(tǒng)方面的用電，主要包括供電線路損耗、變壓器損耗等；其四，其他輔助設備的用電，比如空調通風系統(tǒng)用電、照明設備用電等。

綜上可知，當前，國內IDC機房有著偏高PUE值的關鍵原因為：

（1）普遍偏高的機房設備能耗。大多IDC機房所運用的設備，普遍存在容量較低但能耗卻偏高的狀況，另外，還未能實現應用節(jié)能算法的統(tǒng)一部署，有著相對偏小的云計算規(guī)模等；

（2）普遍偏低的空調制冷系統(tǒng)利用率，或因機房整體布局不合理所致制冷過度，機房空調因業(yè)務原因或設備分期，使得整體空置率偏高，此外，一些地區(qū)的DIC機房因技術、條件、資金等因素限制，仍然運用的是有著較低冷源利用率的風冷式空調，而在應用大型水冷空調系統(tǒng)方面，未能普及，有著較低的覆蓋率；

（3）不合理的供電系統(tǒng)布局，未對此開展切實性優(yōu)化，諸如變壓器等供電設備，有著偏低的負載率，存在十分嚴重的供電線路冗余現象，除此之外，對于整個供電系統(tǒng)而言，盡管其自身有著并不大的電能損耗，但若存在嚴重冗余，那么電損較大；部分IDC機房配置有UPS（持續(xù)供電系統(tǒng)），此系統(tǒng)于IDC投入運營初期，電能損在整個DIC機房能耗損中所占比重達20%；第四，其它原因，比如未能有針對性的優(yōu)化機柜的散熱方式，不合理的機房布局，沒有依據客戶類型與需要開展細分工作，未制定滿足實際要求的用戶配置方案。

2 機房能耗指標分析

上文所提到的PUE作為一種對互聯網數據中心能效水平加以衡量的綜合指標，其計算公式為：數據中心總用電量/IT設備總用電量=電能利用率（PUE） （1）。對此，可利用目標動態(tài)控制分析法，來深入分析PUE指標，首先，需要逐項的分解PUE指標，對組成PUE指標的各項參數相對應的目標值進行計算；然后，系統(tǒng)化調研機房運行過程中的各項能耗指標，基于此，將PUE指標值計算出來；最后，對比目標值與實際值，加以分析，從中將出現偏差的原因找出，制定對應控制與優(yōu)化對策，然后重回第一步，達到循環(huán)優(yōu)化IDC機房能耗指標的目的。通過逐項分解與歸類PUE指標可得知，數據中心總體用電量主要由兩部分組成，即配套基礎設施總用電量與IT設備總用電量，其中，對于配套基礎設施總用電量而言，可劃分為三部分內容，分別為照明系統(tǒng)總用電量、電源系統(tǒng)總用電量與空調系統(tǒng)總用電量。針對IT設備系統(tǒng)來講，其由網絡通信設備、存儲設備與服務器型的設備等構成，此系統(tǒng)的能耗在IDC機房總能耗中所占比重超過50%；對于空調系統(tǒng)而言，其能耗占比為35%左右；照明系統(tǒng)能耗占比為3%左右；而電源系統(tǒng)在總能耗中的占比為12%左右。在節(jié)能潛力方面，空調系統(tǒng)與IT設備系統(tǒng)最大，其次為照明系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。若將公式（1）進行變形，則可得 公式（2）：照明能效因子+電源能效因子+制冷能效因子+1=照明系統(tǒng)用電量/IT設備總用電量+電源系統(tǒng)用電量/IT設備總用電量+空調系統(tǒng)用電量/IT設備總用電量+1=配套基礎設施總用電量/IT設備總用電+1=電能利用率（PUE）。對于PUE值的范圍來講，即1-無窮大，該值與1越接近，則表明向IDC機房輸入的電能，幾乎均用在IT設備自身，當PUE值越大時，則表明諸如照明、電源、空調等系統(tǒng)配套設施，有著越大的電能消耗，機房有著越低的能效。endprint

3 機房節(jié)能實施方案研究

3.1 雙向加強型IDC機房

針對此類型IDC機房來講，除了需要提升IT設備的總用電量之外，還需積極采取有效措施，推動與機房相配套的各類基礎設施總用電量的降低，此方案對于那些機房總用電量并沒有受到限制，且將要啟用的IDC機房整體規(guī)劃、設計較為適用。這不僅是建設綠色IDC機房的核心階段，而且還是IDC機房實際投用后，決定其能耗總量的關鍵階段。對于此方案而言，其在機房可用空間保持不變的情況下，盡量多安裝IT設備，以此來最大化、最高效利用機房資源，此外，選用合理、有效、先進的配套配置方案，促進配套基礎設施在用電總量方面的最大化降低。最終達成IDC機房環(huán)保、節(jié)能且綠色的總體目標。針對此類型機房而言，同時還是達成綠色化機房過程中最為繁瑣的一類，因此，其對規(guī)劃設計成果提出了更多且更加嚴格的要求，通常情況下，需要打破常規(guī)設計樣式、方式與思路，在設計過程中，需從多方面考量各要素對能耗指標所產生的影響，比如工藝、配套、環(huán)境與設備等，從中找出各個限制因素之間充斥的內部平衡點，基于此，完成設計方案的制定工作。在實際節(jié)能設計中，此類型IDC機房往往涉及到多系統(tǒng)的節(jié)能技術，如照明系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、機房布局、電源系統(tǒng)、IT系統(tǒng)及送風方式等，能夠把上述各項節(jié)能技術充分結合于機房現狀，從而設計、制定出更為貼合實際、更具可行性的節(jié)能設計方案。

3.2 IT改進型IDC機房

此類型的IDC機房，即在配套基礎設施總體用電量保持不變的情況下，依據業(yè)務實際發(fā)展需要，增加IT設備的用電總量，此方案有專屬使用范圍，即當IT設備的安裝量并沒有達到機房設計容量相應上限，并且配套設備的能力，可以滿足實際需求的IDC機房。在制定此類型機房的節(jié)能方案時，主要考慮因素是IT設備用電量的增加值對PUE指標所產生的影響，在雙重指標的同步限制下，即降低電能利用率與提升機房利用率，需要把IT設備的合理化配置及IT網絡優(yōu)化作為著重點，在保障網絡運行安全的基礎上，適當性精簡容災設備，優(yōu)化網絡結構，實現在網設備綜合利用率的提升。在選擇IT設備時，需盡可能選擇那些具有節(jié)能等級認證的設備，而且還要易于標準機架安裝，除此之外，還要噪音低、體積小、散熱能力強及重量輕等。在選擇服務器時，應選擇多核CPU處理器，因為此類型處理器不僅低功耗，且具有關閉空閑處理器的功能，除此之外，還集成有低功耗的芯片，主板有內存，還擁有能夠對風扇轉速進行動態(tài)化調節(jié)的電源，具有支持休眠技術與智能管理功能等。在選擇存儲設備時，應挑選刀片服務器最為合宜，此類型服務器支持分級存儲，能夠進行數據壓縮，而且還能實現存儲虛擬化，可以自動精簡配置，還能重復刪除數據。此類型的IDC機房在具體的節(jié)能設計當中，主要涵蓋有IT系統(tǒng)與機房布局方面的節(jié)能技術，在實際操作時，可把上述中所提到的各項節(jié)能技術，結合于機房現狀，然后基于此，制定行之有效的節(jié)能設計方案。

3.3 配套節(jié)約型IDC機房

對于此類型IDC機房而言，需確保IT設備在總體的用電量方面保持不變，然后采取切實措施，促進配套基礎設施總用電量的降低，此方案對于那些需進行技術改造、耗能嚴重且配套設施陳舊的IDC機房比較適用。

伴隨當今通信技術的日益發(fā)展與完善，在此大背景下，新型配套設備在耗能方面呈持續(xù)下降趨勢，至此，更新配套設備自然而然的成為降低機房能耗，以及提高設備性能的重要舉措，對于此方案而言，配套設備更新時間點的合理選擇，乃是關鍵所在。針對設備的年平均使用成本來講，其主要有兩部分構成，其一為設備的年運行成本，其二則為設備的年資產消耗成本。如果運用雙倍余額遞減法來進行固定資產折舊的計提操作，那么此時的年資產消耗成本，便可以運用時間的反比曲線來表示，而時間的正比曲線則可表示年運行成本。伴隨設備使用時間的逐年增加，設備在年資產消耗成本方面，則呈現出持續(xù)減少狀態(tài)，由于受設備持續(xù)老化的影響，設備的年資產呈逐年增加趨向，經系統(tǒng)化計算，便能得出基于設備年運行成本的最低經濟壽命點，所得出的此壽命點即為設備更新的最佳時刻，然后與IDC機房現實情況相結合，最終便可將最佳設備更新時間確定下來，通過引入新型節(jié)能配套基礎設施，便能促進IDC機房能耗的最大化降低。針對此類型的IDC機房而言，在開展節(jié)能設計時，一般會涉及到如下方面的節(jié)能技術：照明系統(tǒng)、電源系統(tǒng)與空調系統(tǒng)，因此，可以把上述所提到的各項節(jié)能技術結合于機房現狀，然后從總體上設計與制定有效的節(jié)能設計方案。

3.4 整體投資型IDC機房

此類型IDC機房除了要小幅提升配套基礎設施的用電量之外，還需大幅提升IT設備的用電量，因此，對于此方案而言，對于IT設備裝機未滿，但機房總用電量以及配套基礎設施受限的IDC機房比較適用。此類型機房的突出特點為：機房的裝機空間仍比較大，但如果依據前期已經裝機部分的單機功耗來進行IT設備系統(tǒng)的設計工作，那么無論是機房總電量，還是配套基礎設施能力方面，均無法較好的滿足實際所需，因此，在設計此類型IDC機房時，需著重考量機房在可用總用電量方面的相應限制，需要實際實際情況與需要，拆分可用總用電量，不僅要滿足新增配套基礎設施的總體用電需求，而且還要滿足新增IT設備的用電需求，除此之外，還需控制與維持PUE指標值，使其始終處于綠色機房的許可范圍內。由于此方面需盡量降低新增配套基礎設施的總用電量，因此，在實際設計時，需要對IT設備的具體數量進行合理規(guī)劃，對于設備于機架內的相應安裝位置，需要進行合理分配，尤其是要科學化配置那些高密度、高功率設備的安裝位置，如若IT設備（高功率）被劃分成一個或者多個機柜時（見圖1），由于整體功率過高，往往會出現局部過熱的情況，所以，需切實規(guī)避由此而造成的新增配套能耗需求。對于此類型IDC機房而言，在實際節(jié)能設計時，通常會包含電源系統(tǒng)、IT系統(tǒng)、機房布局以及空調系統(tǒng)等方面的節(jié)能技術，因此，可以將其與機房實況相結合，制定總體性的節(jié)能設計方案。

4 結語

綜上，通過應用IDC機房歸類標準，有助于IDC機房節(jié)能實施方案相應設計流程的簡化，至此，可基于IDC機房節(jié)能實施方案與歸類標準，依據IDC機房類型差異，制定對應節(jié)能措施，促進IDC機房總體耗能的降低，切實構建綠色化的互聯網數據中心。另外，對于ID C機房歸類標準而言，其除了可以在建設綠色互聯網數據中心中應用之外，還可以在設計其它通信機房節(jié)能方案中運用，適用廣泛。

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作者單位

中國人民銀行西寧中心支行 青海省西寧市 810000endprint