数据中心节能现状分析

数据中心节能现状分析随着移动互联网、物联网、云计算等数据业务需求的爆炸式增长及IT技术的迅速发展，作为信息的重要载体，数据中心迎来一波新的建设浪潮在电子信息及制造技术的飞速提升的推动下，数据中心机房的设备密集度大大提高。然而由于能效监控管理的不完善，设备的不够智能化及缺乏联动协同等原因，数据中心的能耗问题也变得越来越无法忽视：现有的数据中心整体耗电巨大，发热量集中，机房局部过热现象增多，机房内单位面积空调冷负荷急剧增加，由此引来的主设备运行故障和能耗逐年上升，甚至成为了制约行业发展的一大瓶颈。为了有效开展数据中心节能工作，首先来了解一下数据中心能源利用的现状。随着云计算的发展，数据中心的建设呈现向大型化发展的趋势。超过100个机架的数据中心比例逐年上升，2016年预计达到61%.而大型数据中心的电力消耗是相当惊人，比如对一个建设规模为2000个机架的数据中心来说，按照每个机架功率平均3kW计算，2000个机架最终负荷为3kW*2000=6000kW，每个小时耗电6000度，全年电力耗能为：6000kW*24小时/天*365天=52560000kWh，按照1元/KWh计算，全年的电费5256万元，加上数据中心的空调、新风、照明、其他电力能耗，对一个PUE为2的数据中心而言，电费为1.05亿元。另根据美国斯坦福大学JonathanKoomey教授的一项调查显示，2010年全球数据中心电力消耗为2355亿度，约占全球电力消耗的1.3%.而在美国，这一比例更高，美国环境保护署的报告显示，2011年数据中心能源消耗占到了美国电网总量的2%，并且还将呈现每五年翻一番态势。中国的数据中心能耗也高速增长，显著高于世界的平均水平，据ICTresearch统计，2012我国数据中心能耗高达664.5亿度，占当年全国工业用电量的1.8%.根据预测，到2015年我国数据中心能耗预计高达1000亿度，相当于整个三峡水电站一年的发电量。另一方面，数据中心能源效率普遍低下，能源浪费巨大，据工信部统计，目前，中国的数据中心的平均PUE值在2.2～3.0之间，而实际能耗可能远远高于这一数字。对企业而言，数据中心电费已成为很大一笔开支，大幅侵蚀企业的经营利润。如中国联通2012年营业收入407亿美元，利润仅为12亿美元，但其电费开支却高达17亿美元。数据中心巨大的能源消耗是促使人们研究其能源利用效率的主要推动力，而讽刺的是对于全球数据中心的实际能源消耗量，至今还没有任何有信服力的统计结果。造成这种现象的原因很多：一方面，数据中心发展仍在上升期，数量及设备性能均存在着不稳定性，这在客观上为统计工作带来了困难；另一方面大部分数据中心运行管理人员将数据中心运行数据视为一种私有资源，不愿意公开，主观上为统计工作设置了障碍。数据中心能耗的研究从研究角度的不同可以分为两类，一类是从宏观上研究，力求获得数据中心总体的耗能情况。主要是采用一种间接估算的方法来研究全球服务器的能耗总量。它主要依据全球服务器消费及运行信息。将服务器按其价格分为三类，通过市场调查分析出各类服务器的历史安装数、制造厂家出货数及报废的台数。在每类服务器中选取一个最具代表性的典型服务器来测量其能耗数据，再将测得的各典型服务器全年能耗乘以每一类服务器的实际运行台数则可以得到全球服务器总能耗估计值。这类研究可以在未来的发展方向为进一步提高估算的准确性及考虑数据中心其它部分能耗（其他IT设备及制冷等辅助设备的能耗）的统计，并从单纯统计转变为对未来能耗的预测。另一类是以特定的数据中心作为研究对象，通过对个体的研究以期反映出总体的特点，这一类研究的进一步发展一方面依赖于测量仪器的发展（这一点对于电源供应不独立的数据中心来说尤为重要），另一方面也依赖于所研究的数据中心数量的增加和每个数据中心历年数据的累积，将数据以数据库的形式建立起来以供业内人士的进一步研究。由于现在仍没有所谓的标准数据中心的概念，数据中心配置变化很大，这使得以往用来评价建筑能耗效率的单位面积能耗量这个参数失去了应有的评判意义，因此需要一个新的指标来评价数据中心的能耗效率。数据中心的能效的研究数据中心按其功能可划分成如下几个模块：IT设备、电源系统、制冷系统。这几个模块实质分属于不同的专业，而互相之间相互影响，这也一个侧面显示了数据中心能耗的多学科复杂性。IT设备能耗是数据中心能耗的重要组成部分，由于IT设备能耗与其他部分能耗的关系（如果IT设备能耗减少1W，由此带来的其他辅助部分的能耗也会相应的减少1.8W-2.5W），提高IT设备能效对于数据中心节能来说有着非常重大的意义。目前数据中心IT设备运行中存在的主要问题是低负荷率导致的低能效，数据中心所处理的数据量往往浮动较大，很多时间设备都处在较低的工作负荷下，能源利用下降带来的能源浪费非常可观。一般来说，数据中心电源系统包括：外电引入、变压器、发电机、电动机、交流不间断电源系统、直流不间断电源系统、照明系统及输配电线路等。由于数据中心功率密度的提高，所消耗的电功率增加，在电力各环节能量损耗亦随之增大，因此，电源系统各环节均需采取节能措施。一、数据中心外电、变压器、发电机及电动机等环节的现状见下表：二、数据中心照明及输配电线路环节的现状见下表：三、交、直流不间断电源系统节能现状：1.传统交流不间断电源（塔式UPS）系统应用现状当前，数据中心主设备一般要求交流电源输入，多采用传统的交流UPS系统供电模式，即：UPS系统将交流市电整流逆变后，为数据主设备提供220/380V的交流不间断电源。其应用现状总结如下：（1）传统UPS系统多采用N+1配置，等级较高的数据中心机房采用2（N+1）配置。（2）部分在网的早期UPS主机采用6脉冲整流，近年来基本都采用12脉冲整流。（3）为了限制UPS系统产生的谐波，部分UPS系统配置了有源滤波器。（4）蓄电池后备时间大多按单机满载30分钟配置，有的数据中心配置达到了单机满载1小时。2.传统交流不间断电源系统存在的问题随着数据中心高能耗问题的凸显以及对设备运行可靠性要求的不断提高，传统交流UPS供电模式存在以下一些不足：（1）采用了冗余并机技术，无论是N+1还是2（N+1）系统，在正常运行时，UPS主机的负载率均较低，再考虑到系统配置容量较实际偏大，使得系统的负载率更低，未在最佳效率点附近运行，系统损耗较大。经调查，很多大型数据中心机房的UPS系统单机负载率一般在10%至30%之间，大多数只有20%左右，在发展过程中的数据中心机房UPS单机负载率甚至更低，单机负载率10%不到的也占很大部分。（2）目前仍有采用6脉冲整流的UPS在网运行，且没有采取相应的谐波处理措施，导致系统额外附加功率损耗大。部分UPS系统虽然配置了谐波过滤器用于谐波治理，但治理后实际运行情况没有进行相应跟踪，治理效果无法保证。（3）交流UPS系统的后备蓄电池需经过UPS逆变后才能供给负载，一旦UPS本身出故障，仍会造成负载停电。目前被大部分数据中心所采用的制冷系统如下图所示：由于现有制冷系统的设定参数不够完善、空调系统的气流组织不够合理、自然冷源的利用不够充分及制冷系统监控系统的落后，导致制冷系统的能耗成为了数据中心能耗中最重要的一部分。中国数据中心节能政策分析国务院于2009年通过电子信息产业调整振兴规划，明确指出加大第三代移动通信产业新跨越、计算机提升和下一代互联网应用、软件及信息服务培育等领域的投资。北京、上海和广东等地区在信息基础建设、推动企业信息化建设等方面都加大力度，为数据中心业务快速发展提供了良好的宏观环境。随着云计算、物联网、大数据等的兴起，数据中心发展迅猛。2011年出台的“十二五”规划对全面提高信息化水平提出了明确要求，强调推动信息化和工业化深度融合，加快经济社会各领域信息化，并明确指出“培育和发展战略新兴产业”，大力发展“新一代信息技术产业”。数据中心作为行业信息化的重要载体，提供信息数据存储和信息系统运行平台支撑，是推进新一代信息技术产业发展的关键资源，信息化产业的发展将极大地促进数据中心的市场需求。此外，信息技术产业网络化、平台化、服务化的趋势愈加明显，对大规模、高性能的数据中心需求愈加迫切，也推动了数据中心建设与服务需求的大幅增加。数据中心领域的技术创新与节能工作刻不容缓，《工业节能十二五规划》中明确指出，到2015年，数据中心PUE值需下降8%。数据中心技术创新及运维水平的整体提高将为整个社会的发展带来重要意义。2013年初，《工业和信息化部、发展改革委、国土资源部、电监会、能源局：关于数据中心建设布局的指导意见》（工信部联通〔2013〕13号），促进数据中心选址统筹考虑资源和环境因素，积极稳妥引入虚拟化、海量数据存储等云计算新技术，推进资源集约利用，提升节能减排水平；出台适应新一代绿色数据中心要求的相关标准，优化机房的冷热气流布局，采用精确送风、热源快速冷却等措施，从机房建设、主设备选型等方面降低运营成本，确保新建大型数据中心的PUE值达到1.5以下，力争改造后数据中心的PUE值下降到2以下。2013年5月发布的通信行业标准中含有IDC相关标准共4项，包括：YD/T2542-2013《电信互联网数据中心（IDC）总体技术要求》、YD/T2543-2013《电信互联网数据中心（IDC）的能耗测评方法》、YD/T2441-2013《互联网数据中心技术及分级分类标准》、YD/T2442-2013《互联网数据中心资源占用、能效及排放技术要求和评测方法》。YD/T2542-2013规定了因特网数据中心的系统组成，以及服务、资源、网络、机房设施、管理和安全等六个子系统的功能要求，并对因特网数据中心网络与信息安全、编址、服务质量和绿色节能等方面提出了要求。适用于因特网数据中心的规划、设计、建设、运维和评估。YD/T2543-2013分析了因特网数据中心的能耗结构，定义了数据中心的能效指标，提出数据中心能耗测量方法和能效数据发布要求。该技术报告主要关注数据中心的直接消耗的电能，不包括油、水等其它能源或资源的消耗，适用于数据中心能耗的测量及能效的计算，用于了解数据中心能源效率状况，比较不同数据中心之间的能源效率及作为数据中心节能水平评级的依据。通过上述分析我们可以看到数据中心能源消耗巨大和能源利用效率低下的现状，揭示了数据中心行业存在着巨大的节能空间，绿色节能自然而然也就成为了当前和未来数据中心建设的一个主流需求，而数据中心能效的研究目前各专业之间交叉较少，呈现一种各自为政的局面，也需要一个跨专业的组织来统一协调各专业的研究工作。利用国家特提供的多项利好政策，更加系统的研究数据中心能效体系，将对整个国家节能事业的发展做出巨大的贡献。