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解析数据中心对节能降耗的技术需求2008年08月10日06:00比特网ChinaByte通过对数据中心运营状况及发展趋势的调研和分析显示，从2006年到2010年全球数字信息的处理量可能会增长6倍左右。面对如此快速增长的业务需求量和广大用户对数据处理量、信息交换量的巨大期望值，从事于电信、金融、政府、石化、电力能源、教育等行业的企业主管只能通过不断地增加其数据中心IT设备数量来满足用户对其信息网络系统在技术性能、数据处理能力、存储容量以及其可利用率等诸多方面的要求。此时，他们将会面临诸如数据中心的机房面积不足、输入电源的供电能力不足、企业的能源成本日益增高及电费开支偏大等问题的所提出的挑战。当今，日益增大的电费开支、正成为数据中心管理者心目中的挥之不去的阴影。例如一个投资几百万元的机房，其每年的电费开支有可能高达几十万元。据Gantener的预测到2008年底，全球将会有近一半的数据中心、有可能会面临供电系统和空调系统不能支持其功率密度越来越高的服务器和存储设备顺利运行。据相关部门的统计，2006年国内服务器的保有量已达182万台左右(摘自机房建设与管理2008年NO2.)。如果以每台服务器的平均功耗为400W来计算，每年由这些服务器所产生耗电量约为63.77亿千瓦小时。从后面的讨论可知，对于当今的机房而言，为了支持这些服务器的正常运行，需要在数据中心机房中、为它所配套的UPS供电系统、空调系统和照明系统等动力及运行环境保障系统所需的功耗约为IT设备功耗的1-1.8倍左右。即使按1倍IT设备的功耗来计算，由UPS供电系统、空调系统、变压器、供配电柜和照明系统等系统所产生的总耗也应该在63.77亿千瓦小时左右。这样一来，为了维持数据中心机房的IT设备及其动力和环境保障系统的正常运行、所需的总耗电量将高达127.54亿千瓦小时左右。为此，用户每年所需支付的电费将可能高达103.3亿元(以0.81元/度的平均电价计算)。在此背景下，即使是对于一家拥有400台服务器的中型数据中心机房来说，为了维持其正常运行，每年的耗电量和需要支付的电费开支将分别为280万千瓦小时和226.8万元。在此条件下，如果能将这家数据中心机房的总能耗降低30%，每年就可为该企业节约68万元左右的电费开支。此外，根据XX省电信运营商的统计，它的通信基站的耗电量约占其整个运营系统耗电量的89%左右，也就是说：对于电信营运商来说，它对基站通信系统所可能采取的任何一项有效的节能措施都将能对它的整个运营费用的降低带来可观的经济收益。由此可见，抓好节能降耗工作为企业带来的经济利益和社会效益相当可观。根据对国内数据中心机房的运维状况的一项调研结果，可得到如下的统计数据(数据中心与节能2008年No.1)：为维持数据中心机房的正常运行，所配置的IT设备功率密度的不同，每年为每平方米的机房面积所支付的电费开支约为0.4-1万元/平方/年;中、大型数据中心机房的每年电费开支约为几十至几百万元;数据中心所用的服务器实际负载率仅为其标称输入功率的40-60%左右。近年，我国为贯彻以人为本、全面协调和可持续科学发展观，坚持开发和节能并重，加快建设节约型社会的方针。2005年国务院下发国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作通知将节能作为一项基本国策。2006年我国政府再次将节能减排作为可持续的国民经济发展所必须遵循的、具有约束力的指标之一，并提出以节能降耗为重要着手点、促进国民经济结构的调整，促进增长方式的转变和提高效益的发展方针。近期，在国家发改委和财政部制定的节能产品政府采购实施意见中要求采购时，在产品的技术性能、服务质量相同的条件下，应优先选购列于“节能清单”的产品。这样一来，高能耗问题必然会成为绿色数据中心的建设者和管理者所应该给予高度关注和必须解决的问题之一。随着数据中心机房所需能耗的急剧增加和电价的日益上涨，期望节约运维成本的机房管理人员正越来越关注他们的能源的成本问题。实际上，能否提供具有供电容量足够大的市电电源、可靠性和运行效率足够高的UPS供电系统、致冷量足够大的和热交换效率足够高的空调系统以及能否有效地降低IT设备本身的能耗，已成为制约数据中心能否顺利发展的瓶颈。在不可再生能源资源日益稀缺和能源成本日益上升的今天，要求我们应采取必要的技术措施和管理手段来建立“增容不增耗”的绿色数据中心。1、数据中心机房的能耗结构与组成近年来，随着电价和高功率密度IT 设备能耗的持续上升，数据中心所需的相关能源成本正日益备受关注。在此背景下，国外有多家权威性机构已投入相当多的人力和物力资源来对数据中心机房的能耗结构与组成进行过较为详尽的调研和分析。其中包括：RPA(国会环保署)、AFCOM(数据中心工业协会)、ASHRAE(制定空调标准的机构)、U.S. Green Building Council(绿色建筑协会) 、Information Technology Industry Council(信息技术工业协会) 、Green Grid(为数据中心确立标准及最佳运行实践)、Uptime Institute(可用性研究协会)、EYP、IBM、HP、Dell公司等。对各种数据中心机房的运行状况所获得的统计数据表明，他们的调研结果均具有惊人的相似性。在下面、仅以具有代表性的EYP Mission Critical Facilities Inc.，所提供的调研报告为例来研讨数据中心机房的能耗的结构与组成问题。据 EYP 对数据中心机房的能耗调研分析可知(见下图)，按照各种用电设备在数据中心机房中所产生的功耗中的各自所占比例的大小，可以将它会排序为： 数据中心机房的能耗的第一大户：由服务器、存储和网络通信等所构成的IT设备系统，所产生的功耗约占数据中心机房所需的总功耗的50%左右。其中服务器所占的总功耗为40%左右，另外10%功耗由存储设备和网络通信设备均分。由此可见，IT设备本身的功耗大小是决定整套数据中心机房的功耗的最重要因素，解决关键在于我们能否正确地选好用好IT设备：选购IT产品时可供衡量和比较各种IT设备是否具有最佳节能效果的判断标准是在确保IT设备安全、可靠运行的前提下，应该具有如下两项优异的技术指标：IT设备的能效比。IT设备的数据处理流量/秒(或数据吞吐量/秒)与IT设备的功耗之比。所选用IT设备的能效比越高，则意味着IT设备每消耗1W的电能，所能处理、存储和交换数据量越大。由此所带来的另一个潜在好处是可以大幅度地降低数据中心机房所需配套的UPS和空调系统的容量和功耗，从而达到节能、节省机房使用面积的目的。在这里，还需特别说明的是据相关的统计资料显示，对于目前大量应用机房的双电源输入IT设备而言，24小时运行期间内，在第16小时左右的时间段，运行负载百分比仅为7-25%的低负荷工作状态，仅有3-4小时是运行在大于35-40%以上的高负荷的工作状态之中。因此，当我们在选用服务器时，不仅需要了解各种产品在满负荷运行时的功耗大小和效率的高低，还需了解它们在轻负荷运行时的实际功耗大小和效率高低。IT设备所允许的工作温度和湿度范围的宽窄。如果用户选用了对工作温度和湿度都很敏感的IT设备，势必会导致他们必须再花费大量的人力和物力去建立和维护耗能很大的空调保障系统。因此，应尽量选用具有较宽工作温度和湿度范围的IT设备。此外，相关的运行经验显示，对于空调系统而言，在其它的运行工况条件保持不变的情况下，如果将空调机的运行温度(回风口温度)提高1，就能将其运行效率提高3%左右。正是此背景之下，在信息产业部所公布的首批节能降耗电子信息技术、产品与应用方案推荐目录中已将服务器的节能指标纳入到国家的节能规划体制。从某种意义上讲，它标志着在我国推进服务器的节能工作已进入了一个崭新的阶段。与此相配合的动向之一是若干著名的服务器厂商(IBM、HP、Dell、Sun和Cisco等公司)纷纷提出各自的绿色数据中心解决方案。数据中心机房的能耗的第二大户：空调系统。由它所产生的功耗约占数据中心机房所需的总功耗的37%左右。其中25%左右的功耗来源于空调的制冷系统所产生的功耗，12%左右的功耗来源于空调送风和回风系统所产生的功耗。近年来，各空调厂家纷纷推出节能降耗解决方案。在此背景下，艾默生公司更推出能适用于中、高热密度IT设备的数据中心机房的“一体化柔性空调解决方案”。数据中心机房的能耗的第三大户是：由输入变压器(典型配置为10KV/400V型的干式降压变压器)和ATS开关所组成的UPS输入供电系统和由UPS及其相应的输入和输出配电柜所组成的UPS供电系统。它们的功耗约占机房总功耗的10%左右。其中7%左右来源于UPS供电系统所产生的功耗，3%左右来源于UPS输入供电系统系统所产生的功耗。数据中心机房的能耗的第四大户是：照明系统，它约占数据中心机房所需的功耗的3%左右。上述的相关调研资料、非常清晰地向我们显示，在机房中最大节能潜力的系统应该是IT设备和IT机架所组成的信息网络系统以及与之配套的空调系统。相比之下，对于UPS及其配套的供配电系统和照明系统而言，它们的节能潜力是相当有限。如上所述，由IT设备所产生的能耗占总功耗的50%，由空调制冷系统所组成的环境保障系统所产生的能耗占总功耗的37%左右。凡是熟悉IDC机房设计工作的人士都知道，UPS供电系统和空调系统的容量大小、设备的选型、系统的配备以及设计方案等技术参数的最终确定均取决于由数据中心业主所选用的机架及其数量所决定。因此，能否通过正确地选用具有明显的节能效果的IT产品、将其总耗电量和发热量降下来是事关能否建立起具有节能、环保特色的”绿色数据中心机房的关键所在。当我们在筹建数据中心机房时，应该在确保数据中心机房具有足够大的数据处理/交换能力、足够高的可利用率和信息网络具有高效、不间断的连续运行的优异性能的前提下，制定出重点突出、目标明确、针对性强、指标切实可行的“节能降耗”方针和策略。其中，不仅应向IT设备、空调设备和UPS设备等产品制造商提出明确、可供考核的技术需求，还应该向承担机房设计和施工任务的设计院和工程承包商提出要求。要求他们能提供具有节能降耗效果的设计方案及其相应的验收标准，以便为今后承担日常运维管理任务的物业公司/维护机构能制定出具有节能特色的运维、管理和操作规程奠定下坚实的技术基础。综上所述，我们可将“绿色数据中心机房”的节能、环保的考核指标大致归纳为：节能、节地和环保。2、数据中心机房的电能利用率为了公正和客观地评估不同的数据中心的节能降耗效果，推荐使用电能利用率PUE(Power Usage Effectiveness)，PUE=(数据中心的总用电量)/(IT设备的总用电量)。数据中心电能利用率的物理含义是在用户总输入电能中、到底有多少的电能是真正被馈送到IT设备上。数据中心机房的PUE值越大，则表示用于确保IT设备安全运行所配套的、由UPS供电系统、空调系统、输入/输出供配电系统以及照明系统等所组成的动力和环境保障基础设施所消耗的功耗越大。这是一个简单易行的节能量化技术指标。在实际工作中，我们只需要分别测量出数据中心机房的总输入耗电量和IT设安装机房的总输入耗电量，就可很方便地计算出整座数据中心机房的PUE值。目前，绝大多数的数据中心PUE为2.8：1左右。对于这样的数据中心机房而言，为了支持数据中心机房中的功耗为1瓦的IT设备的正常运行、需要它所配置的市电电源的总输入功耗应为2.8瓦。这就意味着：为了支持功耗为1瓦的IT设备的正常运行、必须为它配置一套总功耗高达1.8瓦的动力和环境保障基础设施。然而，对于采用具有优化节能功能，例如艾默生公司所推荐的“能效逻辑(Energy Logic)”优化设计方案，则有可能将它的PUE值从2.8：1下降低到2：1左右，从而达到大幅度降低数据中心机房的运维成本的目的。按照类似的思路，我们可以利用UPS供电系统的PUE，PUE=(UPS供电系统的总用电量)/(IT设备的总用电量)，来对不同数据中心的UPS供电系统的节能效果进行评估。利用空调致冷系统PUE，PUE=(空调致冷系统的总用电量)/(IT设备的总用电量)，来对不同数据中心的空调系统的节能效果进行评估。对数据中心机房的节能效果进行评估的另一个技术参数是IT设备的能效比，IT设备能效比=(IT设备的数据处理流量/秒或数据吞吐量/秒)IT设备的功耗。用户所选用IT设备的能效比越高，则意味着IT设备每消耗1W的电功耗时，它所