數(shù)據(jù)中心節(jié)能現(xiàn)狀分析

數(shù)據(jù)中心節(jié)能現(xiàn)狀分析隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長及IT技術(shù)的迅速開展，作為信息的重要載體，數(shù)據(jù)中心迎來一波新的建設(shè)浪潮在電子信息及制造技術(shù)的飛速提升的推動下，數(shù)據(jù)中心機房的設(shè)備密集度大大提高。然而由于能效監(jiān)控管理的不完善，設(shè)備的不夠智能化及缺乏聯(lián)動協(xié)同等原因，數(shù)據(jù)中心的能耗問題也變得越來越無法無視：現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心整體耗電巨大，發(fā)熱量集中，機房局部過熱現(xiàn)象增多，機房內(nèi)單位面積空調(diào)冷負荷急劇增加，由此引來的主設(shè)備運行故障和能耗逐年上升，甚至成為了制約行業(yè)開展的一大瓶頸。為了有效開展數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作，首先來了解一下數(shù)據(jù)中心能源利用的現(xiàn)狀。隨著云計算的開展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)向大型化開展的趨勢。超過100個機架的數(shù)據(jù)中心比例逐年上升，2016年預(yù)計到達61%.而大型數(shù)據(jù)中心的電力消耗是相當驚人，比方對一個建設(shè)規(guī)模為2000個機架的數(shù)據(jù)中心來說，按照每個機架功率平均3kW計算，2000個機架最終負荷為3kW*2000=6000kW，每個小時耗電6000度，全年電力耗能為：6000kW*24小時/天*365天=52560000kWh，按照1元/KWh計算，全年的電費5256萬元，加上數(shù)據(jù)中心的空調(diào)、新風、照明、其他電力能耗，對一個PUE為2的數(shù)據(jù)中心而言，電費為1.05億元。另根據(jù)美國斯坦福大學JonathanKoomey教授的一項調(diào)查顯示，2010年全球數(shù)據(jù)中心電力消耗為2355億度，約占全球電力消耗的1.3%.而在美國，這一比例更高，美國環(huán)境保護署的報告顯示，2011年數(shù)據(jù)中心能源消耗占到了美國電網(wǎng)總量的2%，并且還將呈現(xiàn)每五年翻一番態(tài)勢。中國的數(shù)據(jù)中心能耗也高速增長，顯著高于世界的平均水平，據(jù)ICTresearch統(tǒng)計，2012我國數(shù)據(jù)中心能耗高達664.5億度，占當年全國工業(yè)用電量的1.8%.根據(jù)預(yù)測，到2015年我國數(shù)據(jù)中心能耗預(yù)計高達1000億度，相當于整個三峽水電站一年的發(fā)電量。另一方面，數(shù)據(jù)中心能源效率普遍低下，能源浪費巨大，據(jù)工信部統(tǒng)計，目前，中國的數(shù)據(jù)中心的平均PUE值在2.2～3.0之間，而實際能耗可能遠遠高于這一數(shù)字。對企業(yè)而言，數(shù)據(jù)中心電費已成為很大一筆開支，大幅侵蝕企業(yè)的經(jīng)營利潤。如中國聯(lián)通2012年營業(yè)收入407億美元，利潤僅為12億美元，但其電費開支卻高達17億美元。數(shù)據(jù)中心巨大的能源消耗是促使人們研究其能源利用效率的主要推動力，而挖苦的是對于全球數(shù)據(jù)中心的實際能源消耗量，至今還沒有任何有信服力的統(tǒng)計結(jié)果。造成這種現(xiàn)象的原因很多：一方面，數(shù)據(jù)中心開展仍在上升期，數(shù)量及設(shè)備性能均存在著不穩(wěn)定性，這在客觀上為統(tǒng)計工作帶來了困難；另一方面大局部數(shù)據(jù)中心運行管理人員將數(shù)據(jù)中心運行數(shù)據(jù)視為一種私有資源，不愿意公開，主觀上為統(tǒng)計工作設(shè)置了障礙。數(shù)據(jù)中心能耗的研究從研究角度的不同可以分為兩類，一類是從宏觀上研究，力求獲得數(shù)據(jù)中心總體的耗能情況。主要是采用一種間接估算的方法來研究全球效勞器的能耗總量。它主要依據(jù)全球效勞器消費及運行信息。將效勞器按其價格分為三類，通過市場調(diào)查分析出各類效勞器的歷史安裝數(shù)、制造廠家出貨數(shù)及報廢的臺數(shù)。在每類效勞器中選取一個最具代表性的典型效勞器來測量其能耗數(shù)據(jù)，再將測得的各典型效勞器全年能耗乘以每一類效勞器的實際運行臺數(shù)那么可以得到全球效勞器總能耗估計值。這類研究可以在未來的開展方向為進一步提高估算的準確性及考慮數(shù)據(jù)中心其它局部能耗〔其他IT設(shè)備及制冷等輔助設(shè)備的能耗〕的統(tǒng)計，并從單純統(tǒng)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷ξ磥砟芎牡念A(yù)測。另一類是以特定的數(shù)據(jù)中心作為研究對象，通過對個體的研究以期反映出總體的特點，這一類研究的進一步開展一方面依賴于測量儀器的開展〔這一點對于電源供給不獨立的數(shù)據(jù)中心來說尤為重要〕，另一方面也依賴于所研究的數(shù)據(jù)中心數(shù)量的增加和每個數(shù)據(jù)中心歷年數(shù)據(jù)的累積，將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式建立起來以供業(yè)內(nèi)人士的進一步研究。由于現(xiàn)在仍沒有所謂的標準數(shù)據(jù)中心的概念，數(shù)據(jù)中心配置變化很大，這使得以往用來評價建筑能耗效率的單位面積能耗量這個參數(shù)失去了應(yīng)有的評判意義，因此需要一個新的指標來評價數(shù)據(jù)中心的能耗效率。數(shù)據(jù)中心的能效的研究數(shù)據(jù)中心按其功能可劃分成如下幾個模塊：IT設(shè)備、電源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)。這幾個模塊實質(zhì)分屬于不同的專業(yè)，而互相之間相互影響，這也一個側(cè)面顯示了數(shù)據(jù)中心能耗的多學科復(fù)雜性。IT設(shè)備能耗是數(shù)據(jù)中心能耗的重要組成局部，由于IT設(shè)備能耗與其他局部能耗的關(guān)系〔如果IT設(shè)備能耗減少1W，由此帶來的其他輔助局部的能耗也會相應(yīng)的減少1.8W-2.5W〕，提高IT設(shè)備能效對于數(shù)據(jù)中心節(jié)能來說有著非常重大的意義。目前數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備運行中存在的主要問題是低負荷率導(dǎo)致的低能效，數(shù)據(jù)中心所處理的數(shù)據(jù)量往往浮動較大，很多時間設(shè)備都處在較低的工作負荷下，能源利用下降帶來的能源浪費非?？捎^。一般來說，數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)包括：外電引入、變壓器、發(fā)電機、電動機、交流不間斷電源系統(tǒng)、直流不間斷電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及輸配電線路等。由于數(shù)據(jù)中心功率密度的提高，所消耗的電功率增加，在電力各環(huán)節(jié)能量損耗亦隨之增大，因此，電源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)均需采取節(jié)能措施。一、數(shù)據(jù)中心外電、變壓器、發(fā)電機及電動機等環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀見下表：二、數(shù)據(jù)中心照明及輸配電線路環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀見下表：三、交、直流不間斷電源系統(tǒng)節(jié)能現(xiàn)狀：1.傳統(tǒng)交流不間斷電源〔塔式UPS〕系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀當前，數(shù)據(jù)中心主設(shè)備一般要求交流電源輸入，多采用傳統(tǒng)的交流UPS系統(tǒng)供電模式，即：UPS系統(tǒng)將交流市電整流逆變后，為數(shù)據(jù)主設(shè)備提供220/380V的交流不間斷電源。其應(yīng)用現(xiàn)狀總結(jié)如下：〔1〕傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)多采用N+1配置，等級較高的數(shù)據(jù)中心機房采用2〔N+1〕配置?！?〕局部在網(wǎng)的早期UPS主機采用6脈沖整流，近年來根本都采用12脈沖整流?！?〕為了限制UPS系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波，局部UPS系統(tǒng)配置了有源濾波器?！?〕蓄電池后備時間大多按單機滿載30分鐘配置，有的數(shù)據(jù)中心配置到達了單機滿載1小時。2.傳統(tǒng)交流不間斷電源系統(tǒng)存在的問題隨著數(shù)據(jù)中心高能耗問題的凸顯以及對設(shè)備運行可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)交流UPS供電模式存在以下一些缺乏：〔1〕采用了冗余并機技術(shù)，無論是N+1還是2〔N+1〕系統(tǒng)，在正常運行時，UPS主機的負載率均較低，再考慮到系統(tǒng)配置容量較實際偏大，使得系統(tǒng)的負載率更低，未在最正確效率點附近運行，系統(tǒng)損耗較大。經(jīng)調(diào)查，很多大型數(shù)據(jù)中心機房的UPS系統(tǒng)單機負載率一般在10%至30%之間，大多數(shù)只有20%左右，在開展過程中的數(shù)據(jù)中心機房UPS單機負載率甚至更低，單機負載率10%不到的也占很大局部?！?〕目前仍有采用6脈沖整流的UPS在網(wǎng)運行，且沒有采取相應(yīng)的諧波處理措施，導(dǎo)致系統(tǒng)額外附加功率損耗大。局部UPS系統(tǒng)雖然配置了諧波過濾器用于諧波治理，但治理后實際運行情況沒有進行相應(yīng)跟蹤，治理效果無法保證?！?〕交流UPS系統(tǒng)的后備蓄電池需經(jīng)過UPS逆變后才能供給負載，一旦UPS本身出故障，仍會造成負載停電。目前被大局部數(shù)據(jù)中心所采用的制冷系統(tǒng)如下列圖所示：由于現(xiàn)有制冷系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)不夠完善、空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織不夠合理、自然冷源的利用不夠充分及制冷系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的落后，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的能耗成為了數(shù)據(jù)中心能耗中最重要的一局部。中國數(shù)據(jù)中心節(jié)能政策分析

國務(wù)院于2009年通過電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃，明確指出加大第三代移動通信產(chǎn)業(yè)新跨越、計算機提升和下一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、軟件及信息效勞培育等領(lǐng)域的投資。北京、上海和廣東等地區(qū)在信息根底建設(shè)、推動企業(yè)信息化建設(shè)等方面都加大力度，為數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)快速開展提供了良好的宏觀環(huán)境。隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等的興起，數(shù)據(jù)中心開展迅猛。

2011年出臺的“十二五”規(guī)劃對全面提高信息化水平提出了明確要求，強調(diào)推動信息化和工業(yè)化深度融合，加快經(jīng)濟社會各領(lǐng)域信息化，并明確指出“培育和開展戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)”，大力開展“新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)”。數(shù)據(jù)中心作為行業(yè)信息化的重要載體，提供信息數(shù)據(jù)存儲和信息系統(tǒng)運行平臺支撐，是推進新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)開展的關(guān)鍵資源，信息化產(chǎn)業(yè)的開展將極大地促進數(shù)據(jù)中心的市場需求。此外，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)化、平臺化、效勞化的趨勢愈加明顯，對大規(guī)模、高性能的數(shù)據(jù)中心需求愈加迫切，也推動了數(shù)據(jù)中心建設(shè)與效勞需求的大幅增加。數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與節(jié)能工作刻不容緩，《工業(yè)節(jié)能"十二五"規(guī)劃》中明確指出，到2015年，數(shù)據(jù)中心PUE值需下降8%。數(shù)據(jù)中心技術(shù)創(chuàng)新及運維水平的整體提高將為整個社會的開展帶來重要意義。

2013年初，《工業(yè)和信息化部、開展改革委、國土資源部、電監(jiān)會、能源局：關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》〔工信部聯(lián)通〔2013〕13號〕，促進數(shù)據(jù)中心選址統(tǒng)籌考慮資源和環(huán)境因素，積極穩(wěn)妥引入虛擬化、海量數(shù)據(jù)存儲等云計算新技術(shù)，推進資源集約利用，提升節(jié)能減排水平；出臺適應(yīng)新一代綠色數(shù)據(jù)中心要求的相關(guān)標準，優(yōu)化機房的冷熱氣流布局，采用精確送風、熱源快速冷卻等措施，從機房建設(shè)、主設(shè)備選型等方面降低運營本錢，確保新建大型數(shù)據(jù)中心的PUE值到達1.5以下，力爭改造后數(shù)據(jù)中心的PUE值下降到2以下。

2013年5月發(fā)布的通信行業(yè)標準中含有IDC相關(guān)標準共4項，包括：YD/T2542-2013《電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心〔IDC〕總體技術(shù)要求》、YD/T2543-2013《電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心〔IDC〕的能耗測評方法》、YD/T2441-2013《互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心技術(shù)及分級分類標準》、YD/T2442-2013《互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心資源占用、能效及排放技術(shù)要求和評測方法》。YD/T2542-2013規(guī)定了因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)組成，以及效勞、資源、網(wǎng)絡(luò)、機房設(shè)施、管理和平安等六個子系統(tǒng)的功能要求，并對因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)與信息平安、編址、效勞質(zhì)量和綠色節(jié)能等方面提出了要求。適用于因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運維和評估。YD/T2543-2013分析了因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的能耗結(jié)構(gòu)，定義了數(shù)據(jù)中心的能效指標，提出數(shù)據(jù)中心能耗測量方法和能效數(shù)據(jù)發(fā)布要求。該技術(shù)報告主要關(guān)注數(shù)據(jù)中心的直接消耗的電能，不包括油、水等其它能源或資源的消耗，適用于數(shù)據(jù)中心能耗的測量及能效的計算，用于了解數(shù)據(jù)中心能源效率狀況，比擬不同數(shù)據(jù)中