数据中心的能耗评估与节能措施

数据中心机房空调节能措施

摘要：数据中心的节能降耗涉及到多个方面，本文通过对国内某运营商数据中心的实例分析，从空调节能方面提出了一些有效建议，目标是为了更高效的利用能源，建设节能环保的绿色数据中心。

关键词：数据中心；电力输配系统；制冷机房；空调末端系统；节能

随着电子信息及制造技术的飞速提升，数据中心机房的设备密集度大大提高，耗电巨大，发热量更加集中，机房局部过热现象增多，机房内单位面积空调冷负荷急剧增加，由此引来的主设备运行故障和能耗逐年上升，甚至成为了制约通信业务发展的一大瓶颈。同时，具有重要战略地位及发展潜力的数据中心作为通信行业高能耗的代表也成为了大家关注的焦点，国内外各大运营商及相关研究机构都陆续开展了一系列数据中心节能试点改造，取得了良好效果。

1、数据中心能耗现状

近年来，随着电气时代的发展，数据中心的建设呈现向大型化发展的趋势。超过100个机架的数据中心比例逐年上升，2016年预计达到61%.而大型数据中心的电力消耗是相当惊人，比如对一个建设规模为2000个机架的数据中心来说，按照每个机架功率平均3kW计算，2000个机架最终负荷为3kW*2000=6000kW，每个小时耗电6000度，全年电力耗能为：6000kW*24小时/天*365天=52560000kWh，按照1元/KWh计算，全年的电费5256万元，加上数据中心的空调、新风、照明、其他电力能耗，对一个PUE为2的数据中心而言，电费为1.05亿元。从机楼的角度来看，数据中心能耗主要由三个部分构成：数据通信设备、空调（制冷机房、空调末端系统）及电源（电力输配系统、交直流不间断电源），数据通信设备的能耗占比最大。但某种程度上来说，主设备的节能环节是运营商无法真正掌握的。因此，运营商在尽量采购节能减排主产品的同时，需不断加大力度，开展对数据中心空调及电源系统的节能建设及技术改造，以期实现节能降耗。

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数据中心（IDC）电能损耗及节能措施探究

作者：刘军

来源：《硅谷》2012年第19期

摘 要： 数据中心在国内外迅猛发展，预计在2020年将成为世界上最大的能源消耗行业，能耗问题已越来越被人们所关注，绿色数据中心的呼声越来越高。对数据中心电能损耗及节能措施进行探究。

关键词： 数据中心；电能损耗；节能措施

“绿色环保、节能降耗”目前已成为衡量企业未来可持续发展的重要指标。2011年，美国数据中心的总耗电量已超过1000亿千瓦时，总电力成本高达74亿美金。随着数据中心的规模变得越来越大，IT产品的高密度化，数据信息急剧膨胀，能源消耗惊人，供电能力不足和日益增高的电费开支已成为能否建立绿色数据中心机房的“瓶颈性”制约因素，承载着更多数据业务需求的下一代数据中心，其技术集成化高，数据量大，网络容量大，在为IT用户带来便利的同时，也不可避免地存在能源消耗高、热密度高、功率密度高及维护管理难度高的“四高”问题。“数据中心节能”已成为未来数据中心建设的发展趋势。

1 数据中心电能损耗概述

我国IT设备数量增长迅速，能耗也在急剧增加，数据显示，中国IT能源消耗占全国每年能源消耗的5%，而数据中心能耗又占到IT总开销的40%。数据中心能源消耗高、热密度高已成为企业必须面临的两大问题，为了减少数据中心能量消耗，提高数据中心的能效，绿色网格组织（Green Grid）制定了数据中心的能效比指标，电源使用效率（PUE）=数据中心的总能耗÷IT设备的总能耗，传统IDC机房的PUE=2.0～2.4，节能优化IDC机房的PUE=1.6～1.8。

从表1中可以看出数据中心的能量消耗三大部分，即：IT设备及网络通信设备、空调设备、变压器/UPS供电系统，接下来对上述三个能量消耗部分及节能措施进行探究。

2 IT设备及网络通信设备节能是数据中心节能的基础

科技创新导报2020 NO.17Science and Technology Innovation Herald信息科学

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald137DOI：10.16660/ki.1674-098X.2020.17.137数据中心节能的五种可行措施①王金贵(中国移动通信集团河南有限公司 河南郑州 450000)摘 要：随着信息技术的发展普及，数据中心用电量基数大，增速快。随着绿色数据中心标准的完善，绿色数据中心建设和现有数据中心节能优化改造迫在眉睫。本文通过剖析工程实践案例，涉及机架高效利用、高压直流配电系统、节能制冷系统、智能动环和提高IT资源使用效率等多种举措，全面分析了提高数据中心电能使用效率的方法和措施，对绿色数据中心建设、改造进行了有益探索。关键词：绿色数据中心 高压直流 送风优化 虚拟机优化 智能动环监控中图分类号：F626 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)06(b)-0137-02

①作者简介：王金贵（1986—），男，汉族，河南商丘人，本科，助理工程师，研究方向：企业信息化。2012—2018年,信息技术领域用电量复合增长率高达15.3%。截至2017年底，我国各类数据中心年耗电量超过1200亿度，已超过水泥行业用电量，约占全国全社会用电总量2%[1-3]。中国数据中心节能技术委员会统计数据显示，电费占数据中心运维总成本60%~70%，是数据中心运营企业的主要负担。我国绿色数据中心建设起步晚，任务重，随着5G来临，数据中心能耗将更大，绿色、高效成为数据中心建设、运营必须关注的重要方面。目前，数据中心评价主要参考PUE值，PUE是数据中心总能耗与IT设备实际能耗的比率，比值越接近于1，表明能效、绿色化程度越好。为降低PUE值，在数据中心设计、建设、运营的全生命周期，应着重降低IT、电气和冷却能耗。1 数据中心硬件整合，提升机架利用率1.1 新建或扩建项目节能措施数据中心新建、扩建过程中，应注意提升机架利用率，按服务器实际功率上架。一般数据中心，单机柜按照5kW设计，80%的电源利用率实际可用到4kW，2路服务器（单台实际功率200W），单机架供电量可满足20台服务器使用。综合考虑机房配电、机柜散热、机房空调制冷量及送风方式，单机柜可安装12-14台2路服务器。数据中心新建、扩建过程中，应根据部署业务场景，采用定制化服务器。定制化服务器，已根据业务模型进行优化配置，提供的CPU能力和内存能力与业务的需求能更好的匹配，可以更好发挥服务器效能。定制化服务器主要应用场景是作为云资源池宿虚拟化宿主服务器、分布式存储节点服务器和大数据分析服务器。（1）定制化计算型服务器：主要用作虚拟化宿主服务器，密集型计算应用服务器，如BOSS核心系统。（2）定制化存储服务器（大数据型）：应用于省内的经分大数据分析平台、移动网络综合规划分析支撑系统、无线网优平台等。（3）定制化存储服务器（SERVER󰀁SAN型）：主要用作分布式存储节点服务器，如数据采集、备份系统。1.2 节能改造措施投产一定年份的数据中心，可以实施数据中心IT硬件整合来达到节能降耗的目的。通过设备关停、云化迁移、老旧高能耗设备替换等多种手段，进行IT设备整合，集约机房、机柜空间，优化布局，降低功耗，改善数据中心效益。2 高压直流配电，提高配电能效高压直流系统较之UPS供电，减少了逆变环节和维修旁路，具有节能、可靠性高、易于维护等优势[5]。高压直流(双系统配电)可将电能使用效率提高至92%以上，每250kW有效荷载较之原有1+1并机UPS系统，可减少逆变设备及旁路系统2套。如某数据中心IT设备整合后，设备功耗284kW，采用400kVA󰀁1+1并机UPS系统，系统效率84.65%；336V/1200A直流系统改造后，单机负载率约49.31%，系统效率92.60%，年节约电能252312kW，节能效果明显。3 优化空调系统，降低冷却能耗数据中心冷却形式分为机房级、机柜级以及服务器级，传统空调送风形式属于机房级，即以机房为冷却末端进行冷却[1]。提升冷却系统效能、减少换热和跑冒漏环节最直接的方式就是聚焦冷却末端，机柜级和服务器级冷却系统可以有效提升冷源利用率，降低冷却功耗。机房精确送风是指机房空调通过专用风管或通道，将空调送风直接送到通信机柜内部，同时通过风阀、风口的调节，按需提供冷量。精确送风适用于新建机房或已建但气流组织不合理，未实现先冷设备后冷环境的机房使用。对于原有采用上送风方式的机房，适宜采用上送风精确送风方式改造；原有采用下送风方式的机房，当同时采用定制机柜时，适宜采用下送风精确送风方式改造。4 提升云资源利用率，深挖降耗潜能(1)建立并落实资源动态优化分配机制,提高虚拟机负载率。服务器虚拟化软件不支持资源在线回收的情况下，虚拟机的资源回收需要停止虚拟机释放资源，每次虚机资源回收相当于一次业务割接，需要运维、业务部门以及应用软件厂家共同参与。(2)严格评审，合理管控应用系统硬件资源需求，提高(下转139页)Copyright©博看网 . All Rights Reserved.科技创新导报2020 NO.17Science and Technology Innovation Herald信息科学

浅谈数据中心空调系统的节能措施　■周勇　【摘要】随着智能化、信息化技术的发展，在空调应用中　也建立了数据中心，其可以对空调系统的温、湿度进行独　立控制，应用了变频技术，对布局和气流组织进行优化，　使用数据中心技术后降低了能耗，而且节能环保，技术操　作简单，可以大范围地推广。因此，数据中心空调系统的　节能技术得到了普及。下面就对这些方面进行分析，希望　能给有关人士一些借鉴。　【关键词】数据中心空调系统节能措施　对于数据中心产生的能耗而言，主要有电源系　统能耗、空调系统能耗、信息设备能耗，在能耗数　据分析中发现，信息设备能耗占到总能耗的５０％，　而空调系统能耗占到总能耗的４０％。由此可见，这　两者是主要的能耗，因此在施工安装中，必须加强　这方面的处理和控制。　一、对据中心空调系统进行分析　对于数据中心空调系统而言，其主要由通风循　环设备、空调设备构成，其中处理机房回风是空调　设备的作用，在使用过程中该设备可以及时将把湿　度、温度、洁净度等控制在送风范围内，保证正常　的工作需求。对于数据中心而言，通常使用了机房　的专用精密空调，将冷气流输送到机柜热源周围是　通风循环设备的作用，之后和信息设备进行热能置　换，最后将空气送回到空调设备中，在这个循环过　程中，有专用的机房环境气流通道和气流通道。相　关人员还注意到数据中心具有低散湿量、高发热量　的特点，针对这一情况，对空调系统有很高要求，　例如其必须具有小送风焓差、大送风量的能力。通　过大送风量就可以确保设备散出的热量及时排除到　其他位置，小送风焓差功能能有效避免设备结露。　除此之外，对于数据中心的各个设备，还具有最佳　温度、相对湿度的工作范围，在该范围内可以正常　工作，如果超过这一范围，那么空调系统的能耗就　会增加。　二、数据中心空调系统运行中高能耗问题分析　１．空调系统运行中存在的问题　对于系统运行的环境要求恒温、恒湿，不能有　灰尘，因此空调系统运行过程中，不会引入外界环　境的新风，都是利用循环风作用带走热能。该方式　下没有湿源，因此不需要对该空调系统进行除湿操　作，但是在实践调查中发现，机房空调在冬季使用　中会存在冷凝水，其原理是在冷风输出过程中一般　都带有部分潜冷量，也就是冷凝水所携带的冷量，　由于机房对湿度有明确要求，因此必须对机房回风　降温冷凝除湿，但为了满足正常工作，其必须同时　进行加湿操作，由此可见，该设备工作不合理，主　要是设计人员的责任，那么在工作中就会产生大量　的能源浪费。甚至在下雪时数据中心空调系统仍运　行在制冷状态，同时不断在除湿，这一弊端的严重　性由此可见一斑。　２．机房气流组织问题　工作人员在对数据中心气流组织调查中也发现　很多问题：（１）机柜排列施工不科学，机柜都是相　同方向进行摆放的，当前面的服务器将热量排出后，　这部分能量就会被后排的服务器吸收，这是典型的　冷热气流混合情况，如果不进行处理，那么整个数　据中心空调运行效率就会降低。（２）没有科学的进　行送风通道设计，很多企业为了降低投入成本，使　用老式办公室作为控制机房，和重新规划设计相比，　其只需要进行局部改造即可，那么在应用中就会受　到层高的限制，另一方面，由于地板送风通道的高　度有限，致使在送风环节存在很大的阻力，系统整　体的送风量非常小，达到的距离有限，导致机房空　调的制冷能力十分有限。除此之外，机房风道处有　很多的障碍物，如管路、线缆等，在正常运行中风　道流通不畅，影响实际的制冷效果。　三、分析数据中心空调系统的节能措施　１．施工中对气流组织进行优化　建筑结构，选择的参数对机房气流有很大影响，　因此，要求施工人员要很强的专业能力，例如在进　行地板开孔时，要求位置适当，对于出风口距离空　调机组不能太远也不同太近，距离要适中，如果距　离空调机太近，空气的动压很大，静压很小，会导　致冷空气出不来，如果机桓离空调太近，不容易开　设出风口，如果出风口离空调机太远，那么冷风送　不到，因此施工人员要架空地板的高度，或者架空　层管线布局设置好地板的开孔位置和开孔率。送回　风系统优化时，可以从以下两个方面合理地选择送　回风方式，有下送风和上送风两种。对于上送风而　言，就是对处理过的冷空气，利用送风口输送到信　息设备的上部，将信息设备中的能量带走，该热量　会通过机房下部空间回到空调机组内，有效进行冷　却和降温，形成一个完整的循环。对于下送风方式　而言，就是抬高机房地板，让其变为架空层，将系　统处理后的冷空气从空调机底部送到架空层，将机　房上部的热量都带走，完成对其的降温处理，这也　是一个完整的循环过程。对机柜进行优化时，施工　人员都使用统一朝向的布置方式，由于前排机柜散　出的热空气和进入后排机柜的冷空气相掺混，那么　传统方式下进入机柜的温度比传统方式要高，空调　制冷效率得到限制。因此设计了背靠背、面对面的　布置方式，将冷热空气隔离开，提高了机组的运行　效率。　１４０　２．引入变频技术　数据中心空调能耗会随着工作量的变化而变　化，其有一定的规律可循，因此相关设备的发热量　也会有一个周期性的变化，在安装空调时，为了避　免这些问题，可以直接应用变频技术，有效控制这　些问题。例如在施工中，在系统中安装变频水泵、　变频风机、变频压缩机等，能够保证空调设备的制　冷效率。施工中应用这种变频技术，空调在实际运　行中，能够结合数据中心机房室内外不同的温度，　有效对转速进行调节，进而来改变风机、泵的性能　曲线，合理的调整其运行力，但是不会影响整个管　路的阻力，这样数据中心空调系统就可以保持高效　的运行。如果流量减少到一半后，普通空调系统的　风机，或者水泵的能耗只减少２１％～３５％，但根据对　使用变频技术的空调检测分析，其减少的能耗在　７０％￣８０％，通过这一数据就可以证实，其在很大程　度上降低了系统运行中的能耗，提高了工作效率。　３．施工中引入温度、湿度独立控制技术　经过施工人员的研究推演，最终决定在施工中　应用温度、湿度独立控制技术，能够有效避免传统　系统出现的热度、湿度耦合问题，除此之外，还可　以提高能源利用率。为了证实这一点，相关技术人　员做了实验，和同类空调相比，应用了温度、湿度　进行独立控制技术后，系统节能效果提高到了４０％，　这是很大的进步。数据中心空调系统温湿度控制分　离后，对温度的调节就成为其主要能耗来源。在温　度调节系统中，可以使用中高温冷源系统，有效避　免在进行空气冷却时出现的过度除湿问题，将这部　分不必要的除湿能源节省下来，提高了数据中心空　调实际的制冷机性能。从当前的空调技术角度分析，　中高温冷源技术研究使用多年，都比较成熟，使用　中根据建筑的地理环境不同，　实际功能要求不同，　科学合理的选择使用。　四、结语　通过以上对数据中心空调系统的节能措施分　析，发现在工作流程设计中存在较大问题，技术人　员在施工中必须抓住细节，引入节能技术，使用节　能设备，将所有能耗较高的因素都考虑其中，然后　一一进行解决，这样数据中心空调运行效率才会提　升。　参考文献　［１］何钟琪，黄霞．上海地区数据中心空调系统节能　措施探讨［Ｊ］．暖通空调，２０１ｌ，４ｌ（８）：３－６．　（作者单位：广东省第一建筑工程有限公司，广州　５１００００）