數據中心運營能效管理

李小軍

摘要：本文討論了影響數據中心能效指標PUE值的幾個主要因素，提出了數據中心基于PUE值的運營管理方法。通過對鳳翔IDC的 PUE評估實例，從IT設備、空調、電源、維護四個方面提出改進方案，優化系統配置，提升數據中心的能效管理水平。

關鍵詞：數據中心；能效管理；PUE

一、數據中心能效管理

數據中心已經成為當今全球經濟發展的基石，在數據中心向高密度、高可靠性發展的同時，高能效也成為數據中心發展的一個方向。

數據中心的電費已占到總運營成本的60%左右，探討和研究數據中心的能效改善問題已經不容忽視。為引導和規范全球IT 行業的節能，綠色網格組織提出了 PUE（Power Usage Effectiveness）能效指標的概念。

PUE=數據中心總能耗能耗/IT設備總能耗，其中數據中心總能耗=IT設備能耗+制冷設備能耗+供配電能耗+其他能耗。

該指標反映了數據中心的總體能源使用效率，越接近1表示能效利用率水平越高。

工業和信息化部在《“十三五”國家信息化規劃》明確提出：到2020年，新建大型云計算數據中心PUE值不高于1.4，已經建成的數據中心PUE值需下降8%。工業和信息化部在《國家綠色數據中心試點工作方案的通知》中要求技術與管理并行，以提升國內數據中心能效水平，強調數據中心實施能效管理的必要性和緊迫性。這要求數據中心不但要在設計規劃前期要充分考慮PUE要素，在后期運營中更要不斷分析評估PUE，制定行之有效的節能對策。

二、鳳翔IDC 數據采集

數據中心能效管理是一個系統工程，需要根據IT設備的實際負載對各系統配置不斷優化，對運行參數進行持續調整，但前提是首先要實地勘測采集運行數據，然后再根據數據分析結果來制定對策。

測試主要內容：

1.測試并記錄IT 設備功耗：記錄鳳翔IDC的6、7 樓機房交流配電柜的瞬時電壓，電流，有功功率及無功功率；記錄4、5樓高壓直流配電柜的瞬時電壓，電流及功率；

2.測試并記錄精密空調的能耗：記錄4到7 樓IDC 機房專用空調的瞬時電壓，電流，有功功率及無功功率；

3.測量并記錄1樓、3樓動力機房供電、空調設備能耗：記錄3樓UPS、1樓中恒高壓直流系統的輸入/輸出端瞬時電壓，電流及有功功率，以及空調的瞬時電壓，電流，有功功率及無功功率。

在現場測試過程中還需注意可能影響到結果的兩個關注點，一是IT設備負載可能會有波動，要盡量選擇設備負載比較穩定時開始測試，在機房用電高峰期還要加大測試密度，二是需考慮從列頭柜至IT 設備的線路損耗，在計算IT設備準確功耗時需乘以修正因子。

三、PUE值分析

鳳翔IDC本次共做了10輪現場實際測試。

經過綜合計算，鳳翔IDC機房的PUE平均值為1.843。從測試結果來看，鳳翔IDC機房的PUE值為1.843，能源利用率高于數據中心的能效推薦區間，屬于能耗偏高。另外，從鳳翔IDC能耗構成來看，IT 設備能耗占比為55%，是機房主要能耗，其次是空調制冷的能耗占39%，供配電能耗占比為6%，實測供電設備效率均為90%左右。

四、節能方案

在數據中心開展PUE運營節能管理相當重要，而數據中心的IT設備部署數量是由少到多，功率密度從低到高，能源效率會隨IT負荷變化而變化，因此PUE運營是一個長期而持續的過程，需不斷采集分析的實時數據，然后依據實際負載同步做匹配優化，動態地調整機房精密空調的運行方式、配電系統參數等。

根據本次測試結果，鳳翔IDC的能源利用率偏低，其中IT 設備和空調制冷是該數據中心的主要能耗，下面分別從IT設備選型、空調、電源系統優化、維護管理四個方面制定節能方案。

4.1 降低 IT設備的能耗

根據能效瀑布原理研究模型表明，IT設備每節省1w的能耗，數據中心的整體能耗將減少2.84W，從源頭提高IT設備的能效是最有效率節能舉措，鳳翔IDC的 IT 設備占比高達55%，采用低能耗IT設備是節能的關鍵所在。

云計算通過共享軟硬件資源和信息，實現資源調度按需分配。通過引入云計算，IT資源集中共享，統一計算、統一存儲，在統一網絡下的彈性調度和按需分配，實現分層分級管理和全網設備資源的統一管理，通過資源共享實現節能減排。其次，虛擬化技術是在硬件之上構建一個虛擬化平臺，通過時分復用、邏輯綁定等多種調度形式，優化整合資源，實現物理資源和資源池的動態共享及調整，將IT資源分配給最需要它們的任務，從而實現對硬件資源的高效復用，減少閑置服務器空轉造成的能源浪費。另外，虛擬化過程中結合采用節能型IT設備，如服務器具備支持休眠和降頻功能的CPU、大顆粒的內存顆粒、支持休眠功能的硬盤等等，將進一步提升數據中心的能耗水平。

我公司建設的營銷系統桌面云，實現了辦公終端設備簡化，僅用10臺PC服務器就取代350臺PC終端，桌面上只保留了顯示器、鼠標和鍵盤。從原辦公電腦平均功耗105kw，到新的瘦身終端功耗只有35kw，節能效果相當明顯。

4.2 空調系統優化

我公司組織專業廠家對鳳翔IDC機房空調系統進行建模，對機房氣流組織，溫度場分布及布局合理性做出綜合評估，發現機柜間有氣流亂流的現象，同時由于機房內各機柜設備實際運行中功耗不同，還存在局部高發熱密度區域。

根據多次流體分析計算的結果，我公司安排工程項目做了空調系統的節能技改，在“面對面、背對背”布置形式的基礎上，在冷通道兩端加裝通道門，大幅減少氣流短路和冷熱氣流混合損失，并根據各列的散熱量不同對冷風分配進行一定的控制，其次調整了空調的安裝位置，并增加風管系統將冷氣直接輸送到發熱機柜上方，均衡送風口的風量，把冷風直接輸送到高熱區域對設備進行冷卻。

另外，鳳翔IDC 機房七層樓共配置了32臺為機房精密空調，設計制冷功率1200KW，而機房熱負荷=設備熱負荷+建筑熱負荷=620+135=755KW，空調功率余量0.59，空調制冷量冗余偏大。我們安排項目做了空調群控改造，實現多臺空調共享數據，自動輪巡，避免空調間的競爭運行，改造后機房內的冷量分布均勻，實現按需配置空調的數量，提高了空調系統的整體效率。

經測算，經過上述改造后空調系統平均節電率約為17%。

4.3 采用高效電源設備

240V高壓直流供電系統相比傳統UPS減少了逆變器的損耗，供電效率較UPS有顯著提高，同時因其采用模塊化結構，可根據輸出負載的大小，現場值守人員靈活控制調配模塊的開機運行數量，從而使高壓直流系統的負載率始終保持在較高的水平，其效率可超過95%。

2015年鳳翔IDC在4、5樓擴容時采用了中恒的高壓直流電源系統，從投入運行后的對比測試結果表明，高壓直流系統不僅可以明顯的減少初期建設投資，實際節電效果約10%。

4.4 基于PUE的運維管理

我公司新部署一套可視化機房監控系統，集成了基于流量統計的機房模塊級PUE算法，能夠實時直觀展現新建機房的動態PUE值，為PUE優化提供了精確的計量手段。

另外，還引入能效管理制度，建立以周為單位的運營日志管理體系，一方面根據機房IT負載的變化進行實時調整，另一方面還可以分析每周數據差異和能耗變化原因，及時采取節能措施來不斷提升PUE。

五、總結

數據中心能效管理是一項貫穿全生命周期的系統管理工程，需要綜合考慮投資、建設、運維、安全等因素，必須合理規劃，精細運營，跨專業協作，持續優化才能真正達成能效管理目標。

控制IT設備的功耗將獲得極佳的節能投資效益比，鳳翔IDC主要手段是采用云計算和硬件虛擬化；空調能耗占比僅次于主設備，也是節能關注的重點，冷熱通道隔離實現“先冷設備，后冷環境”，改善氣流組織，結合空調群控能提升大幅空調系統的整體效率；采用240V高壓直流供電系統，根據IT設備的實際功率需求來動態調整投入的開關電源的模塊數量，提高電源系統的效率。

我公司通過鳳翔IDC數據中心PUE運營管理，持續優化各系統的運行參數，不斷提升數據中心的能源使用效率，PUE值從原來的1.843逐步提高到1.657，能耗下降了10.1%左右，總體能耗成本顯著降低。

參考文獻

[1] 鐘景華，朱利偉. 新一代綠色數據中心的規劃與設計[M]. 北京：電子工業出版社，2011.

[2] 喬棟.數據中心機房節能減排技術研究與實踐[J]. 電信工程技術與標準化，2011，12

（作者單位：中國電信股份有限公司海南公司）