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Jonathan Koomey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。