云計算中心節能評估分析

王 菁

（山西省投資咨詢和發展規劃院，山西 太原030073）

0 引言

云計算被稱為繼大型機、個人計算機、互聯網之后的第四次浪潮，已成為全球未來信息產業發展的戰略方向和推動經濟增長的重要引擎。我國“十二五”規劃綱要明確指出要大力發展云計算，加快云計算服務平臺建設。建設綠色、節能的云計算數據中心成為建設資源節約型和環境友好型社會的新要求。

1 云計算中心的能耗現狀

隨著云計算的發展，數據中心建設的推進，能源消耗問題也成了最大挑戰。通過對我國云計算數據中心能耗問題的綜合分析，不難發現數據中心的電耗呈現逐年增長的趨勢。2009年，我國云計算中心總耗電量為364億kW·h，占社會總耗量的1%；2011年，我國數據中心總耗電量達700億kW·h，占到全社會用電量的1.5%。

我國政府高度重視云計算及其發展趨勢，將云計算視為下一代信息技術的重要內容。工信部的《工業節能“十二五”規劃》中明確指出，2015年數據中心PUE值（電能利用效率）降8%，在發改委的“云計算示范工程”中要求數據中心的PUE＜1.5，而目前中國的PUE大多在2.0～3.0之間。

這些都要求對云計算中心的建設使用進行嚴格的節能評估，保證云計算中心的建設符合國家的發展要求。

2 云計算中心主要能耗節能評估

2007年，LBNL（美國勞倫斯伯克力國家實驗室）在調查12個云計算中心用能時發現，其耗能主要是電能，功耗分布為：IT設備占46%、制冷系統占31%、UPS占8%、照明占4%、其他功耗占11%。

以某云計算中心為例，通過對其集團數據中心、公共數據中心、研發數據中心、配套數據中心及云計算配套用房等建設內容的分析，該云計算中心的主要能耗為服務器、交換機等設備以及空調系統、采暖系統、供配電及照明系統等。

2.1 主要IT設備節能評估

2.1.1 設備分析

作為云計算中心的核心，大量的IT設備是必不可少的，為了系統正常高速運轉，必須采用高性能設備，但在其高性能同時，還應考慮節能［1］。根據可行性研究報告，采用X86系列Intel CPU刀片機組服務器；存儲設備配置34 792塊600G光纖磁盤，總容量達到20 875T，15 000r，另外配置熱備盤1 000塊；云計算平臺采用百萬兆以太網技術進行組網。

經過節能分析，認為選取的設備性能較好，而且節能，配置合理可行。

2.1.2 節能分析

通過對目前市場上主要的塔式、機架式、刀片式服務器進行分析，認為刀片式服務器在標準高度的機架式機箱內可插裝多個卡式的服務器單元，實現高可用性和高密度。每一塊“刀片”實際上就是一塊系統主板。它們可以通過“板載”硬盤啟動自己的操作系統，類似于一個個獨立的服務器，在這種模式下，每一塊母板運行自己的系統，服務于指定的不同用戶群，相互之間沒有關聯［2］。管理員可以使用系統軟件將這些母板集合成一個服務器集群。與傳統的塔式、機架式服務器相比，刀片服務器具有低功耗、占用空間小、單機售價低等特點，能最大限度地節約服務器的使用空間和費用，并為用戶提供靈活、便捷的擴展升級手段。

2.2 空調系統節能評估

2.2.1 系統分析

可行性研究報告中，集團數據中心、公共數據中心、研發數據中心均采用工藝空調，配備水冷機組及恒溫恒濕機；云計算配套用房采用變頻多聯空調機，夏季制冷，冬季采暖。

由于數據中心的IDC機房、UPS室、空調控制室、發電機控制室、主配線區主要集中布置于公共數據中心、集團數據中心、研發數據中心三層以上建筑內，因而宜采用工藝空調，冷源為離心式冷水機，采用N＋1配置，一臺備用，安裝在公共數據中心地上一層及研發數據中心地下一層內；每臺冷水機配備冷卻塔，冷卻塔集中布置于公共數據中心與集團數據中心頂層，當室外環境溫度較低時，關閉制冷機組，采用板式換熱器進行換熱，實現自然冷卻；工藝空調末端采用水冷精密空調機，即恒溫恒濕風柜＋浸透氣化式加濕器，采用N＋1配置。

研發數據中心三層以下各空調區域以及集團數據中心與公共數據中心的高低壓配電室、消防控制室、門廳、值班室、前室等采用舒適空調，冷源為離心式冷水機，不設備用，安裝在研發數據中心地下一層冷站機房內，同時每層單獨設置新風機組；每臺冷水機配備冷卻塔，集中布置于公共數據中心與集團數據中心頂層；舒適空調末端采用吊頂式風機盤管［3］。

云計算配套用房采用變頻多聯空調機，夏季制冷，冬季采暖。

2.2.2 節能分析

空調系統根據功能進行分區布置，不同區域采用不同的空調方案，這樣有利于降低空調冷負荷。

在數據中心工藝空調區域，由于冬季散熱量大，仍需要空調制冷，這時采用冷卻塔供冷技術（自然冷卻工況），即當室外環境溫度較低，冷卻塔可以提供10℃左右的冷卻水時，系統將進入完全自然冷卻狀態，冷凍水經板式換熱器與冷卻水水水交換，直接提供12℃的冷凍水，冷水機組關閉，這樣可以減少冷水機組全年運行時間，顯著節約冷水機組電耗，通過計算約節電3 595萬kW·h。

2.3 采暖系統節能評估

2.3.1 系統分析

可行性研究報告中采暖方案為：冷凍站發電機房冬季采暖采用散熱器接入市政熱力管網，不單獨設置集中采暖系統，采暖熱媒為45～40℃熱水；云計算中心配套用房等采用變頻多聯空調機，夏季制冷，冬季采暖。

經過節能分析，認為該項目可采用水源熱泵機組回收冷卻塔排出的熱量，作為冬季采暖熱源。

2.3.2 節能分析

如果采用集中供熱方案，根據CJJ34—2010《城鎮供熱管網設計規范》計算，項目采暖期建筑物空調采暖耗熱量為9 563GJ／年，根據 GBT2589—2008《綜合能耗計算通則》，熱力折合標煤系數取34.12kgce／GJ，計算得本項目能評后熱力能耗折合標煤量為326.3tce。

若采用水源熱泵機組作為冬季采暖熱源，根據計算，機組年耗電量為111萬kW·h，折合標煤136.4tce。

如果采用集中供暖，冷卻循環水廢熱不能得到充分利用，采用水源熱泵機組后，項目可充分發掘周邊采暖熱負荷，以水源熱泵的形式為周邊區域集中供熱，最大限度回收冷卻塔廢熱，可為周邊約50萬m2建筑提供冬季熱源，既不浪費余熱，又節約能源，實現了能源梯級利用。

2.4 供配電系統及照明系統節能評估

2.4.1 系統分析

可行性研究報告中指出：擬由開發區變電站分別引來兩路110kV電源。考慮到一級負荷的可靠性要求及用電量大的情況，要求均為專線。兩路110kV電源互為熱備用，正常運行時同時工作，每路負荷率不大于50%；當一路電源發生故障時，可閉合聯絡開關，由另一路電源保證所有二級及以上負荷的正常運行［4］。同時設置UPS供電及應急柴油發電機組。

2.4.2 節能分析

變電所設置集中低壓電容器補償裝置，功率因數由0.8～0.85提高至0.9以上，可減少電力損耗。根據需要將高低壓變配電室設置在不同區域，同時將UPS電源分區模塊化配置，并安裝節能燈具和用電分項計量裝置，采用分區控制方式。這些措施的實行節約了電能，降低了能耗。

2.5 能效水平分析

PUE是評價數據中心能源效率的指標，是數據中心消耗的所有能源與IT負載使用的能源之比［5］。經過計算，本項目PUE值為1.45，根據PUE常用評價參考標準表，該云計算中心屬于“優秀”級別，能源利用率較高，符合低碳、節能的要求。

3 結語

節約能源是中國經濟發展的一項長期戰略方針，其不僅是為緩解能源供需矛盾，更是為促進國民經濟健康發展和保護環境，同時對產業結構調整和升級具有重大意義。因此，云計算中心工作系統的建立以及運行，必須綜合分析各個耗能點，并采取相應措施來降低能耗，以期盡早實現云計算數據中心的綠色目標和節能減排目標。

［1］殷波，王穎，孟洛明，等.綜合遷移成本和通信成本的云計算節能策略［J］.北京郵電大學學報，2012（1）

［2］廖彬，于炯，孫華等.基于存儲結構重配置的分布式存儲系統節能算法［J］.計算機研究與發展，2013（1）

［3］王意潔，孫偉東，周松，等.云計算環境下的分布存儲關鍵技術［J］.軟件學報，2012（4）

［4］廖彬，于炯，張陶，等.基于分布式文件系統HDFS的節能算法［J］.計算機學報，2013（5）

［5］李建敦，彭俊杰，張武.云存儲中一種基于布局的虛擬磁盤節能調度方法［J］.電子學報，2012（11）