高校數(shù)據(jù)中心機房綠色運維服務(wù)的實踐探索

許熠堃 譚欣晨

高校數(shù)據(jù)中心機房綠色運維服務(wù)的實踐探索

許熠堃 譚欣晨

[廈門大學(xué)]

近年來，伴隨5G、AI等新技術(shù)的興盛，高校數(shù)據(jù)中心的發(fā)展按下了加速鍵，早期建設(shè)的數(shù)據(jù)中心機房日益不再符合新形勢下綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的要求，需要借助節(jié)能改造實現(xiàn)集約化、高能效轉(zhuǎn)變。文章以某高校綠色機房運營保障服務(wù)項目為例，在實現(xiàn)“雙碳”目標背景下，探討如何通過采用委托運維方式進行節(jié)能改造，降低數(shù)據(jù)中心機房運維成本，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

數(shù)據(jù)中心機房；運維管理；節(jié)能

高校數(shù)據(jù)中心機房集成了信息化運算、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)通信等軟硬件設(shè)備設(shè)施，為高校提供了一個高性能、可靠的信息應(yīng)用環(huán)境，其基礎(chǔ)設(shè)施（包括供電、制冷、不間斷電源、空調(diào)等系統(tǒng)）的安全、平穩(wěn)運行是保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)持續(xù)運行的必要條件。近年來，伴隨高校教學(xué)科研活動的開展，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的深入應(yīng)用，機房設(shè)備數(shù)量不斷擴增，數(shù)據(jù)中心機房體量越來越大，能源消耗也隨之增長。在落實國家“雙碳”戰(zhàn)略，推進綠色低碳轉(zhuǎn)型的大背景下，高校作為碳減排、碳零排關(guān)鍵技術(shù)研究和科技創(chuàng)新的主力軍，應(yīng)當通過數(shù)據(jù)中心機房綠色智慧運維，加強在能源的綠色開發(fā)、低碳利用、減污降碳等方面的應(yīng)用，助力“雙碳”目標的實現(xiàn)。

一、推動數(shù)據(jù)中心機房綠色發(fā)展的重要意義

黨的二十大報告中明確提出，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展是中國式現(xiàn)代化的本質(zhì)要求之一，高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務(wù)。實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展必須要推動經(jīng)濟社會發(fā)展綠色化、低碳化，必須站在人與自然和諧共生的高度謀劃，加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型。2023年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》指出要加快數(shù)字化綠色化協(xié)同轉(zhuǎn)型，建設(shè)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明。各類意見及方案的提出，為落實“雙碳”目標指明了政策方向，同時也為數(shù)字化引領(lǐng)綠色發(fā)展建設(shè)擘畫了藍圖。

數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)處理所需算力的載體，已成為我國數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施和重要數(shù)字戰(zhàn)略資源，同時也已成為我國主要的碳排放源之一。國際環(huán)境保護組織綠色和平與工業(yè)和信息化部電子第五研究所計量檢測中心（廣州賽寶計量檢測中心）聯(lián)合發(fā)布的《中國數(shù)字基建的脫碳之路：數(shù)據(jù)中心與5G減碳潛力與挑戰(zhàn)（2020-2035）》預(yù)測：到2035年，中國數(shù)據(jù)中心和5G總用電量約是2020年的2.5-3倍，預(yù)計將達6951-7820億千瓦時，將占中國全社會用電量5-7%。同時，2035年中國數(shù)據(jù)中心和5G的碳排放總量將達2.3-3.1億噸，約占中國碳排放量的2-4%，其中數(shù)據(jù)中心的碳排放將比2020年增長最高103%。面對碳排放迅速增長的預(yù)期，數(shù)據(jù)中心提升能效、降低碳排放并全面向可再生能源轉(zhuǎn)型的進程刻不容緩，綠色低碳已成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的應(yīng)有之義。

二、綠色運維是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的有效途徑

高校數(shù)據(jù)中心機房除了必不可少的IT負載（本文未涉及數(shù)據(jù)生產(chǎn)設(shè)備，故不做相關(guān)論述），還包括為了支持這些IT設(shè)備正常運行，需要在數(shù)據(jù)中心機房中配套的UPS供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等動力及運行環(huán)境保障系統(tǒng)。機房運行環(huán)境所需的功耗約為IT設(shè)備功耗的1-1.8倍左右，以一個典型的數(shù)據(jù)中心為例，在初期建設(shè)時，制冷設(shè)備一般僅占投資額的6%，但均為24小時運行，其后期的電費支出卻能占到整個數(shù)據(jù)中心電費支出的38%，是不折不扣的能耗之源。[1]

信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心機房的服務(wù)保障提出了更高的要求。運維保障服務(wù)不同于“傳統(tǒng)建設(shè)+維保服務(wù)”，它是以按需擴容模塊化的形式對機房的基礎(chǔ)建設(shè)與保障提供服務(wù)，不對機房的正常運行造成影響。運維保障服務(wù)模式的前期建設(shè)及后期維護管理全部由服務(wù)商提供，使用方不再需要承擔日常巡查、值班值守、專業(yè)學(xué)習、備件備品儲備、建立機房緊急事件相應(yīng)機制等繁瑣的內(nèi)部管理職責，僅需在每年或者季度末按照約定的考核辦法對服務(wù)商進行績效評價，根據(jù)整體機房保障面積或負載末端接入的用電量支付對應(yīng)的托管服務(wù)費。通過購買安全保障等級享受相應(yīng)的保障服務(wù)，可以大大節(jié)約基礎(chǔ)運行環(huán)境建設(shè)支出和人員管理費用。數(shù)據(jù)中心機房綠色運維服務(wù)保障，“綠色”體現(xiàn)在整體的設(shè)計規(guī)劃以及機房空調(diào)、UPS、服務(wù)器等IT設(shè)備、管理軟件等軟硬件配置上，即“嚴格適配原則，少消耗即少排放”。

在已經(jīng)頒布的數(shù)據(jù)中心性能指標中最常見的是電能使用效率PUE，在我國，PUE不但是數(shù)據(jù)中心研究、設(shè)計、設(shè)備制造、建設(shè)和運維人員最為熟悉的數(shù)據(jù)中心能源效率指標，也是政府評價數(shù)據(jù)中心工程性能的主要指標。[2]PUE是數(shù)據(jù)中心的總體能耗較IT設(shè)備實際使用能耗的倍率，該值越小越好。PUE指標對數(shù)據(jù)中心機房的真正作用，并不僅僅體現(xiàn)在直接考量機房是否節(jié)能，更為重要的是體現(xiàn)機房管理者對機房節(jié)能的管理水平，如何讓數(shù)據(jù)中心機房實現(xiàn)高效、清潔、集約、循環(huán)的綠色發(fā)展。數(shù)據(jù)中心機房容量變化很難做太長時間的估算，冗余過多是浪費，估算不足導(dǎo)致機房重建浪費更大，采用運維保障服務(wù)有效解決了機房建設(shè)初期規(guī)劃與實際未來發(fā)展的矛盾，同時針對不用機房制定不同的實施方案，通過績效考核有效實現(xiàn)能效管理的目標。運維保障服務(wù)通過對機房全生命周期的管理，采用持續(xù)優(yōu)化資源配置、機房改造擴容、集約化的管理方式、標準化的結(jié)構(gòu)體系，達到各系統(tǒng)之間的均衡，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機房綠色發(fā)展的有效手段。

三、高校數(shù)據(jù)中心機房綠色運營保障服務(wù)模式應(yīng)用案例

X大學(xué)機房總面積為430㎡，劃分為3個功能區(qū)：中心機房230㎡，托管機房120㎡，UPS配電間80㎡，采用機房硬環(huán)境運維保障服務(wù)的模式：即學(xué)校僅提供機房場地、電力及水源的環(huán)境條件，由服務(wù)商出資建設(shè)機房硬環(huán)境，并提供持續(xù)的運維管理，保障各項機房運行環(huán)境指標能持續(xù)達到雙方約定要求，學(xué)校根據(jù)考核情況按年度支付服務(wù)商運維費用，項目經(jīng)過10年運維管理，機房的“綠色”成效得到充分的貫徹與體現(xiàn)。

（一）經(jīng)濟效益明顯

從實際使用情況看，機房10年期間主要有三次較大擴容，分別在2012年、2016年、2019年，UPS主機容量經(jīng)歷了2*60KVA、2*160KVA、2*300KVA（UPS自身消耗功率按照10%計算），三個階段，機房空調(diào)系統(tǒng)制冷量也從120KW（用電功率40KW）到240KW(用電功率80KW)再到350KW(用電功率117KW)同步進行擴容。（備注： IT設(shè)備負載根據(jù)學(xué)校的需求逐步增加因此不計入本次能耗核算） 下面將按照這三個階段對比“傳統(tǒng)一次性建設(shè)”和“運維保障服務(wù)”,從支持機房硬環(huán)境的設(shè)備（UPS、空調(diào)、輔助用電）進行能耗統(tǒng)計分析對比來看（能耗計算公式：能耗=用電設(shè)備功率KW*24小時*365天)：

1.傳統(tǒng)一次性建設(shè)模式

傳統(tǒng)一次性建設(shè)按照UPS系統(tǒng)：2*300KVA 空調(diào)系統(tǒng)總制冷量：350KW一次性建設(shè)到位，該模式能耗情況詳見表1。

表1 傳統(tǒng)一次性建設(shè)模式設(shè)備能耗

2.運維保障服務(wù)模式

按需擴容：2012年-2016年-2019年，UPS主機容量從2*60KVA-2*160KVA-2*300KVA(UPS自身消耗功率按照10%計算)三個階段，機房空調(diào)系統(tǒng)制冷量從120KW（用電功率40KW）-240KW(用電功率80KW)-350KW(用電功率117KW)同步進行擴容，該模式能耗情況詳見表2。

表2 運維保障服務(wù)模式設(shè)備能耗

通過以上數(shù)據(jù)對比可得出：采用運維保障服務(wù)的模式較傳統(tǒng)一次性建設(shè)在機房能耗上可節(jié)省6570000KWH,根據(jù)當?shù)鼐用裆钣秒妴蝺r0.5483元每度電（KWH）,從經(jīng)濟效率上可節(jié)能超過360萬元。從人力成本效益方面，若采用傳統(tǒng)建設(shè)及自營，機房管理者需要具備UPS、空調(diào)、綜合布線、消防、防雷等不同專業(yè)的技術(shù)能力，至少需要2個專業(yè)管理人員，按照2012年-2022年10年平均社評工資：6439元/人，2人*120個月*6439元，采用運維模式，10年間人力成本可節(jié)省約154萬元。按照10年的對比方案，在投入資金成本和人力成本可節(jié)約500多萬元。

（二）節(jié)能效果顯著

對于機房硬環(huán)境來說，本項目不涉及IT負載設(shè)備，對能耗管理主要是針對空調(diào)、UPS等其他要素，對此，本項目在外圍護結(jié)構(gòu)（密閉、遮陽、保溫等）、設(shè)備布局規(guī)劃、制冷架構(gòu)、供電布局等方面進行針對性優(yōu)化。

1.防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

機房采用密閉設(shè)計進行建設(shè)，機房內(nèi)部形成一個正壓環(huán)境，機房外部為負壓環(huán)境，保持機房潔凈度和恒溫恒濕。機房墻體采用防火巖棉彩鋼板敷設(shè)，巖棉采用具有防火、保溫、屏蔽、降噪等作用；機房頂部采用微孔鋁扣板敷設(shè)，具有阻燃、防塵、自我清潔降噪作用。

2.設(shè)備布局規(guī)劃

機房機柜采用“面對面”+“冷通道密封”形成一個冷通道微模塊，將整體機房劃分為若干個獨立的機房微生態(tài)模塊，分離且共生。根據(jù)硬件類型、軟件類型要求每個微模塊內(nèi)部通過靈活調(diào)整僅滿足當前設(shè)備運行配電功率和制冷量，避免造成無效資源堆砌導(dǎo)致浪費，實現(xiàn)能效比的最大化。通過預(yù)制+管理+擴容的方式配置不同應(yīng)用場景、不同區(qū)域機房環(huán)境各系統(tǒng)獨立運行策略，在滿足設(shè)備運行要求的同時，實現(xiàn)了資源的合理優(yōu)化配置，減低了設(shè)備能耗。

3.制冷架構(gòu)設(shè)計

機房空調(diào)外機設(shè)計因地制宜，綜合考慮遮陽與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，選擇在機房外部綠化區(qū)域放置空調(diào)外機，此區(qū)域為回字形綠化區(qū)域，四周群樓有效解決了太陽上午東曬和下午西曬的問題，同時高聳的棕櫚樹形成一道天然屏障阻擋了中午太陽直射。很大程度上提高了外機的散熱及制冷效率，并延長了使用壽命。采機房用風道精準送風與共用冗余雙管齊下，在冷通道微模塊的基礎(chǔ)上進一步減少能耗的損失并提高了空調(diào)設(shè)備的利用率，同時采用封閉冷通道對機房的冷、熱風進行隔離，通過對氣流的組織管理，有效地提高了空調(diào)制冷效率。根據(jù)測算，封閉冷通道使能源節(jié)約達到30%以上。

4.供電設(shè)備

整體機房供配電及UPS電源連續(xù)系統(tǒng)采用A級機房容錯的方式，兩套完全獨立的供電系統(tǒng)確保了機房高可用性和高可靠性。“按需擴容”是運維保障服務(wù)主要特色之一，最大程度實現(xiàn)了機房節(jié)能降耗，解決了機房初期小負載與未來大規(guī)劃之間的矛盾。運維服務(wù)商按照機房實際負載配置對應(yīng)的動力設(shè)備功率與數(shù)量，隨著機房信息化業(yè)務(wù)的發(fā)展，采用按需擴容的方式提供運維保障服務(wù)。

采用機房運維保障服務(wù)通過模塊化的建設(shè)以及對應(yīng)配套適合的動力設(shè)備，不會因過量的冗余，導(dǎo)致無效的能耗損失。實踐證明，采用機房運維保障服務(wù)，無需采用任何新技術(shù)節(jié)能措施時，10年間平均PUE值可簡單地達到1.65以下。經(jīng)過進一步優(yōu)化，現(xiàn)階段，該機房的PUE指標在1.4左右，低于全國超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE值（1.46），逐步向1.3以下的目標邁進。

四、結(jié)語

我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展進入新時代，數(shù)字中國建設(shè)如火如荼。在推進產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，綠色低碳轉(zhuǎn)型也是不可忽視的重要一環(huán)。通過對機房的運行管理實現(xiàn)節(jié)能降碳的新模式，可以為高校提升其信息化基礎(chǔ)設(shè)施并使其管理方式更靈活化、多樣化，更為重要的是，通過綠色運維保障服務(wù)的示范帶動作用，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新發(fā)展，助力實現(xiàn)碳達峰碳中和目標任務(wù)。

[1]海陽. 為機房貼上節(jié)能標[J].中國計算機用戶,2005(21):41.

[2]殷平.數(shù)據(jù)中心研究（4）:關(guān)鍵性能指標、電能使用效率PUE和EEUE[J].暖通空調(diào), 2017,47(04): 36-45.

(責任編輯:趙鵬程)