綠色數據中心建設向PUE 1.5時代邁進

廣東省電力設計研究院 | 童玲玲

綠色數據中心作為下一代數據中心建設的主要核心理念之一，正受到行業內越來越多的關注與反響。IDC的建設是一項復雜、綜合的工程，綠色IDC概念的引入，為IDC的建設與實現提出了新的挑戰和機遇。

數據中心能耗構成

關于數據中心的能耗構成，參照具有代表性的EYP Mission Critical Facilities Inc所提供的調研報告，按照各種用電設備在數據中心機房中所產生的功耗所占比例大小，數據中心機房的能耗構成因素及排序如下。

（1）IT設備系統：由服務器、存儲和網絡通信設備等所構成的IT設備系統所產生的功耗約占數據中心機房所需總功耗的50%左右。其中服務器型設備占40%左右。另外的10%功耗基本上由存儲設備和網絡通信設備所“均分”。

（2）數據中心機房的空調系統：由它所產生的功耗約占數據中心機房所需的總功耗的37%左右。其中約25%的功耗來源于空調的制冷系統，12%左右的功耗來源于空調的送風和回風系統。

（3）UPS供電系統：由輸入變壓器和ATS開關所組成的UPS輸入供電系統，以及由UPS及其相應的輸入和輸出配電柜所組成的UPS供電系統，它們的功耗約占數據中心機房所需總功耗的10%左右。其中7%左右的功耗來源于UPS供電系統，3%左右來源于UPS輸入供電系統系統。

（4）數據中心機房的照明系統：約占數據中心機房所需功耗的3%左右。

綠色數據中心評價指標

為能公正和客觀地評估不同的數據中心機房的節能降耗的效果，行業內一般使用美國綠格聯盟（The Green Grid）提出的電能使用效率PUE，該指標已經成為評價數據中心物理基礎設施層（機房）效率的核心指標。

數據中心機房的PUE實際上是反映用戶總輸入電能中到底有多少的電能真正被饋送到IT設備上。PUE值越大，表示用于確保IT設備安全運行所配套的、由UPS供電系統、空調系統、輸入/輸出供配電系統以及照明系統等所組成的動力和環境保障基礎設施所消耗的功耗越大。

1）以1000kW的IT設備負荷為例，PUE=2.1即總能耗為2100kW，PUE=1.5即總能耗為1500kW，可以看到PUE從2.1下降到1.5，相當于節約600kW，約節能30%。

2）以總配電容量為1000kW/1600A機房為例，PUE=2.1即可以最大支持476kW的IT設備負荷，PUE=1.5即可以最大支持666kW的IT設備負荷，可以看到PUE從2.1下降到1.5，相當多支持190kW的IT設備負荷，提升40%的負荷能力。

目前，PUE值常用評價參考標準如下表，國內絕大多數的數據中心機房的電能使用系數PUE為2.5：1左右。

表 數據中心機房電能使用系數PUE評價表

從綠格聯盟提出全球數據中心PUE預測趨勢中表示，到2018年，國際上數據中心的PUE平均水平應該在1.3～1.5。所以對于下一代的綠色數據中心，PUE<1.5已經成為最重要的評價指標之一。

綠色數據中心實現因素

（1）IT設備節能

下圖是華為公司提供的測試模型數據，在PUE=1.9的數據中心機房里，使用IT設備的芯片每節省1W的用電，總體用電能節省2.48W。由此可見，降低IT設備的功耗，才能從根本上降低數據中心的整體用電量。

圖 IT設備逐級節能效果示意圖

目前，數據中心的IT設備一般包括服務器、存儲設備和網絡通信設備，可考慮采用的節能技術包括：

● 通過虛擬化合并物理服務器和存儲設備，從根本上提高服務器使用效率；

● 使用采納能源高效設計和部件的系統，譬如低能耗芯片、智能調速風扇等；

● 使用刀片服務器取代傳統臺式或機架式設備，提高電源效率；

● 刪除重復數據和利用數據壓縮等技術手段有效降低設備能耗；

● 使用用電管理軟件精確計算用電功率和智能化控制系統用電。

正確地選用綠色節能的IT產品和節能技術，降低其總耗電量和發熱量，是實現綠色數據中心的關鍵。

（2）配套機房環境節能

綠色數據中心最重要目標是降低PUE，盡量提高數據中心整體能耗效率。而降低PUE，就是旨在降低配套機房環境，包括建筑環境、空調系統和配電系統的能耗占總能耗的比例。目前主流采用的技術手段包括：

● 機房采用下送風上回風走線方式，對應采用“面對面、背靠背”的機架排列方法，形成“熱通道/冷通道”的循環系統；

● 采用冷通道封閉技術，杜絕熱風回流到機柜正門進風口，隔絕冷熱氣流，空調按需提供冷氣至冷通道，可節省30%的制冷系統能耗；

● 機房熱點區域考慮高密度冷卻系統，譬如在高能耗機架部署局部水冷設備，可采用IBM的機架背門熱交換器，有效解決機房局部熱點區域問題；

● 考慮采用液冷（冷凍水）空調，多個室內機共享室外機散熱模式，有利于提高室外系統負載率，構成高柔性散熱架構，可有效節省制冷能耗；

● 采用自然冷卻方式，利用室外低溫空氣對機房降溫，根據當地氣象條件，可選擇直接引入式新風系統、隔離式熱交換系統或帶自然冷卻盤管的機房專用空調設備；

● 對于高密度高能耗機房，可考慮采用行間制冷技術，按需在機架間中布置空調設備，緊靠熱源制冷，可有效提高機房平面利用率；

● 采用高壓直流系統，并配合整流模塊休眠技術，使整流模塊在最佳負載率下工作，從而降低系統的帶載能耗和空載能耗；

● 可選用效率在90%以上的高效率UPS，降低UPS自身損耗；選用模塊化UPS，根據實際負載在線擴容，提高在用UPS的效率；

● 選擇高效節能型的光源、燈具及附件，采用智能照明方式，根據與門禁和移動偵測系統的聯動實現按需照明；

● 智能化精細管理，采用環境設備監控系統對環境及空調設備、電氣設備、照明設備等進行顯示、記錄、控制、報警、趨勢分析和提示功能，動態地監管和調節控制用能狀況，使系統盡量處于高負載率，降低空載的能耗。