绿色互联网数据中心机房节能方案

龙源期刊网绿色互联网数据中心机房节能方案作者：李步宵来源：《电子技术与软件工程》2017年第20期摘要近期，我国各大通信运营商正在大力建设互联网数据中心（IDC）机房，规模日益增大，数量日渐增多，但其十分昂贵的建设与运维费用，使得IDC业务利润率大幅降低，因此，积极建设绿色节能的IDC机房，不仅能够有效解决这些问题，而且还是切实履行社会责任的关键构成。本文着眼于各类型IDC中心机房的节能研究，对机房能耗构成进行了深层分析，利用目标动态控制分析方法，逐层分解并动态分析了电能利用率（PUE）指标，从中挖掘出对PUE指标大小造成影响的各系统能耗因素。把工程应用理论与PUE指标相融合，创新性提出了IDC机房节能实施方案，以期为此领域应用研究提供些许参考。【关键词】互联网数据中心机房电能利用率节能方案互联网数据中心（IDC）即为了能够更好的满足互联网各类信息服务与业务需求，而专门建设的应用基础设施，IDC通过与互联网的深入、高速、系统化连接，且凭借自身丰富的网络、存储、计算与应用资源，为各基础对象提供高质量、全方位、规模化的增值服务与基础服务。伴随当今通信技术的日益发展与完善，其业务范畴已经不再仅特定在某一领域，而是呈现出全球化倾向，且此倾向正在逐渐成熟与完备，在此大背景下，IDC业务也呈现出高速的发展步伐，但由于机房在整体能耗方面的持续攀升，反而在较大程度上对IDC业务的可持续发展造成严重制约，因此，在建设IDC机房时，秉持“高效、环保、绿色、节能”的基本理念，可谓大势所趋与必然选择。设计绿色IDC机房时，除了要将电源能耗、IT设备能耗、建筑自身能耗以及空调能耗等考虑在内之外，还须重视其它相关指标对机房节能所造成的影响，如气流组织、设备安装及机房布局等。1我国IDC机房能耗现状及原因1.1我国IDC机房能耗现状在国际上，PUE值是用作衡量数据中心电能实际使用效率的常用指标，对于其计算方法而言，即数据中心所消耗全部电能与负载消耗的电能比值，基于此计算可知，当PUE值与1越接近时，表明此数据中心有着越高的节能水平与绿色化程度。当前，在我国各类IDC运营公司当中，呈体系化、规模化的公司，多集中在经济最为发达的一线城市，如北上广等地，这些城市IDC机房的PUE值，通常维持在2-3之间。比如上海的IDC机房，其PUE年均值为2.22。而在国外，尤其是一些经济发达国家的知名互联网企业，比如Facebook、谷歌等，其所建设的IDC机房在PUE值上，通常控制在1.5以下，有些企业甚至更低，此些企业在建设或改造IDC机房时所运用的节能技术与手段，值得国内相关企业借鉴与参考。我国部分互联网龙头企业同样着手开展了许多创建绿色节能型IDC机房的实践工作，比如腾讯公司，伴随该公司产品的更新与增多，业务客户量的持续攀升，IDC机房规模同样呈井喷增加之势，面对数龙源期刊网据中心如此庞大的电能消耗，腾讯公司先后采取了各种节能措施，加大对此领域的建设与改造，比如强化平台管理，优化产品能耗，配备节能服务器等，目前，通讯公司在IDC机房节能性能方面，相比于普通数据中心，节能幅度达25%。尽管我国现阶段部分大型互联网企业在IDC机房节能建设方面已经取得瞩目成就，但从总体上来看，IDC机房高能耗问题依然存在，在改进与提升节能性能方面，仍有非常大的空间。1.2IDC机房能耗原因分析DIC机房存在的能耗，主要由如下部分构成：其一，IDC机房的各类设备用电，从总体上来讲，主要有网络通信设备、IT设备等；其二，空调制冷系统方面的用电，据相关数据统计得知，在整个数据中心机房总能耗当中，机房制冷用电所占比重达45%，而制冷的核心设备即为空调；其三，供电系统方面的用电，主要包括供电线路损耗、变压器损耗等；其四，其他辅助设备的用电，比如空调通风系统用电、照明设备用电等。综上可知，当前，国内IDC机房有着偏高PUE值的关键原因为：（1）普遍偏高的机房设备能耗。大多IDC机房所运用的设备，普遍存在容量较低但能耗却偏高的状况，另外，还未能实现应用节能算法的统一部署，有着相对偏小的云计算规模等；（2）普遍偏低的空调制冷系统利用率，或因机房整体布局不合理所致制冷过度，机房空调因业务原因或设备分期，使得整体空置率偏高，此外，一些地区的DIC机房因技术、条件、资金等因素限制，仍然运用的是有着较低冷源利用率的风冷式空调，而在应用大型水冷空调系统方面，未能普及，有着较低的覆盖率；（3）不合理的供电系统布局，未对此开展切实性优化，诸如变压器等供电设备，有着偏低的负载率，存在十分严重的供电线路冗余现象，除此之外，对于整个供电系统而言，尽管其自身有着并不大的电能损耗，但若存在严重冗余，那么电损较大；部分IDC机房配置有UPS（持续供电系统），此系统于IDC投入运营初期，电能损在整个DIC机房能耗损中所占比重达20%；第四，其它原因，比如未能有针对性的优化机柜的散热方式，不合理的机房布局，没有依据客户类型与需要开展细分工作，未制定满足实际要求的用户配置方案。2机房能耗指标分析上文所提到的PUE作为一种对互联网数据中心能效水平加以衡量的综合指标，其计算公式为：数据中心总用电量/IT设备总用电量=电能利用率（PUE）（1）。对此，可利用目标动态控制分析法，来深入分析PUE指标，首先，需要逐项的分解PUE指标，对组成PUE指标的各项参数相对应的目标值进行计算；然后，系统化调研机房运行过程中的各项能耗指标，基于此，将PUE指标值计算出来；最后，对比目标值与实际值，加以分析，从中将出现偏差的原因找出，制定对应控制与优化对策，然后重回第一步，达到循环优化IDC机房能耗指标的目的。通过逐项分解与归类PUE指标可得知，数据中心总体用电量主要由两部分组成，即配套龙源期刊网设备总用电量，其中，对于配套基础设施总用电量而言，可划分为三部分内容，分别为照明系统总用电量、电源系统总用电量与空调系统总用电量。针对IT设备系统来讲，其由网络通信设备、存储设备与服务器型的设备等构成，此系统的能耗在IDC机房总能耗中所占比重超过50%；对于空调系统而言，其能耗占比为35%左右；照明系统能耗占比为3%左右；而电源系统在总能耗中的占比为12%左右。在节能潜力方面，空调系统与IT设备系统最大，其次为照明系统、电源系统。若将公式（1）进行变形，则可得公式（2）：照明能效因子+电源能效因子+制冷能效因子+1=照明系统用电量/IT设备总用电量+电源系统用电量/IT设备总用电量+空调系统用电量/IT设备总用电量+1=配套基础设施总用电量/IT设备总用电+1=电能利用率（PUE）。对于PUE值的范围来讲，即1-无穷大，该值与1越接近，则表明向IDC机房输入的电能，几乎均用在IT设备自身，当PUE值越大时，则表明诸如照明、电源、空调等系统配套设施，有着越大的电能消耗，机房有着越低的能效。3机房节能实施方案研究3.1双向加强型IDC机房针对此类型IDC机房来讲，除了需要提升IT设备的总用电量之外，还需积极采取有效措施，推动与机房相配套的各类基础设施总用电量的降低，此方案对于那些机房总用电量并没有受到限制，且将要启用的IDC机房整体规划、设计较为适用。这不仅是建设绿色IDC机房的核心阶段，而且还是IDC机房实际投用后，决定其能耗总量的关键阶段。对于此方案而言，其在机房可用空间保持不变的情况下，尽量多安装IT设备，以此来最大化、最高效利用机房资源，此外，选用合理、有效、先进的配套配置方案，促进配套基础设施在用电总量方面的最大化降低。最终达成IDC机房环保、节能且绿色的总体目标。针对此类型机房而言，同时还是达成绿色化机房过程中最为繁琐的一类，因此，其对规划设计成果提出了更多且更加严格的要求，通常情况下，需要打破常规设计样式、方式与思路，在设计过程中，需从多方面考量各要素对能耗指标所产生的影响，比如工艺、配套、环境与设备等，从中找出各个限制因素之间充斥的内部平衡点，基于此，完成设计方案的制定工作。在实际节能设计中，此类型IDC机房往往涉及到多系统的节能技术，如照明系统、空调系统、机房布局、电源系统、IT系统及送风方式等，能够把上述各项节能技术充分结合于机房现状，从而设计、制定出更为贴合实际、更具可行性的节能设计方案。3.2IT改进型IDC机房此类型的IDC机房，即在配套基础设施总体用电量保持不变的情况下，依据业务实际发展需要，增加IT设备的用电总量，此方案有专属使用范围，即当IT设备的安装量并没有达到机房设计容量相应上限，并且配套设备的能力，可以满足实际需求的IDC机房。在制定此类型机房的节能方案时，主要考虑因素是IT设备用电量的增加值对PUE指标所产生的影响，在双重指标的同步限制下，即降低电能利用率与提升机房利用率，需要把IT设备的合理化配置及IT网络优化作为着重点，在保障网络运行安全的基础上，适当性精简容灾设备，优化网络结构，实现在网设备综合利用率的提升。在选择IT设备时，需尽可能选择那些具有节能等级龙源期刊网认证的设备，而且还要易于标准机架安装，除此之外，还要噪音低、体积小、散热能力强及重量轻等。在选择服务器时，应选择多核CPU处理器，因为此类型处理器不仅低功耗，且具有关闭空闲处理器的功能，除此之外，还集成有低功耗的芯片，主板有内存，还拥有能够对风扇转速进行动态化调节的电源，具有支持休眠技术与智能管理功能等。在选择存储设备时，应挑选刀片服务器最为合宜，此类型服务器支持分级存储，能够进行数据压缩，而且还能实现存储虚拟化，可以自动精简配置，还能重复删除数据。此类型的IDC机房在具体的节能设计当中，主要涵盖有IT系统与机房布局方面的节能技术，在实际操作时，可把上述中所提到的各项节能技术，结合于机房现状，然后基于此，制定行之有效的节能设计方案。3.3配套节约型IDC机房对于此类型IDC机房而言，需确保IT设备在总体的用电量方面保持不变，然后采取切实措施，促进配套基础设施总用电量的降低，此方案对于那些需进行技术改造、耗能严重且配套设施陈旧的IDC机房比较适用。伴随当今通信技术的日益发展与完善，在此大背景下，新型配套设备在耗能方面呈持续下降趋势，至此，更新配套设备自然而然的成为降低机房能耗，以及提高设备性能的重要举措，对于此方案而言，配套设备更新时间点的合理选择，乃是关键所在。针对设备的年平均使用成本来讲，其主要有两部分构成，其一为设备的年运行成本，其二则为设备的年资产消耗成本。如果运用双倍余额递减法来进行固定资产折旧的计提操作，那么此时的年资产消耗成本，便可以运用时间的反比曲线来表示，而时间的正比曲线则可表示年运行成本。伴随设备使用时间的逐年增加，设备在年资产消耗成本方面，则呈现出持续减少状态，由于受设备持续老化的影响，设备的年资产呈逐年增加趋向，经系统化计算，便能得出基于设备年运行成本的最低经济寿命点，所得出的此寿命点即为设备更新的最佳时刻，然后与IDC机房现实情况相结合，最终便可将最佳设备更新时间确定下来，通过引入新型节能配套基础设施，便能促进IDC机房能耗的最大化降低。针对此类型的IDC机房而言，在开展节能设计时，一般会涉及到如下方面的节能技术：照明系统、电源系统与空调系统，因此，可以把上述所提到的各项节能技术结合于机房现状，然后从总体上设计与制定有效的节能设计方案。3.4整体投资型IDC机房此类型IDC机房除了要小幅提升配套基础设施的用电量之外，还需大幅提升IT设备的用电量，因此，对于此方案而言，对于IT设备装机未满，但机房总用电量以及配套基础设施受限的IDC机房比较适用。此类型机房的突出特点为：机房的装机空间仍比较大，但如果依据前期已经装机部分的单机功耗来进行IT设备系统的设计工作，那么无论是机房总电量，还是配套基础设施能力方面，均无法较好的满足实际所需，因此，在设计此类型IDC机房时，需着重考量机房在可用总用电量方面的相应限制，需要实际实际情况与需