数据中心的节能分析

安 真 （IBM国际商业机器（中国）有限公司，北京 100101）

1 概述

数据中心建筑内设有大量服务器、存储设备等高散热量IT设施，耗电量高；另一方面IT服务器在运行过程中大量散热，耗冷量也高。因此，在数据中心电力系统、机械空调系统的设计过程中，不但要考虑系统的可靠性，还要重点考虑系统节能。机械空调系统的能耗在数据中心能耗中占据30%～45%的比例，因此在空调规划中采取节能措施直接影响到PUE的数值和运行阶段的维护成本，对整个数据中心的节能有着十分重要的意义。

图1 PUE定义

图2 数据中心的能源消耗概况

2 PUE概念及数据中心能耗分析

2.1 PUE的概念

PUE 是Power Usage Effectiveness的简写，是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，是DCIE(data center infrastructure efficiency )的反比(见图1)。

PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗，PUE是一个比率，越接近1表明能效水平越好。在数据中心运行过程中，瞬时PUE会随气象条件、运行负荷、所采用的节能方式等条件变化而发生较大的变化，因此，我们通常意义上的PUE需要采用全年能耗的统计数据。

2.2 数据中心能耗分析

从图2可见数据中心的能源消耗概况，其主要包括机械系统和电气系统两方面。

机械系统的能源消耗包括数据中心制冷系统的所有部件，能耗量取决于机械系统的类型，能耗值将随数据中心具体情况而变化。机械系统包括向服务器提供 HVAC 的主系统和向数据中心提供服务的机房（例如，活动地板区域、UPS间和开关设备间等）。这将包括从中压（MV）到低压（LV）的电源转换（一般效率为 0.96～0.98）以支持机械系统，使用备用 UPS电源为那些机械部件提供机械 UPS 电源转换。例如，CRAC 风扇或冷却水泵（一般效率为 0.85～0.95）、机械布线损耗（一般效率为 0.98～0.99）、专用的机械设备（包括制冷器、冷却水泵、冷却塔风扇、干燥或隔热冷却风扇、补水泵、换气风扇）和 CRAC 单元（包括压缩机、内部和外部风扇和加湿器和再热器）。各机械系统通常会使PUE值增加 0.4，甚至可能使得PUE值高达 2。

电气消耗包括 IT 设备使用UPS、PDU 和 RPP 时耗费的所有电能。电气系统包括通过 UPS 系统为服务器提供最终电源的主系统，其中包括通过静态变送开关（STS）和电源配送单元（PDU）向服务器供电的电源、UPS 电源（通常效率为 0.85～0.96）以及配电损失（通常损失为 1%～1.5%）。各配电系统通常将使PUE值增加0.08～0.5。

除以上提及的几种主要数据中心能源消耗外，照明用电和数据大厅/机房用电、火警系统（包括气体灭火系统）、BMS（通常在 UPS上）、EPMS（通常在UPS上）、安全系统（通常在UPS上）以及机房和控制室的 HVAC（BMS、EPMS、安全、设备管理和维护）等少量用电也包括在PUE的定义之内。然而用于数据中心照明的电能仅占所有电能消耗中的一小部分，节能在很大程度上取决于数据中心无人时间的长短。现代化的数据中心使用“熄灯”理论，即为仅当有需要的时候才为其提供照明。正确的照明控制系统能轻松节约50%的照明能源。这些系统的损耗，将使PUE值增加0.02～0.05。

因为数值相对较小，总体评估某个数据中心时可将其他各种设备的PUE包含在电气方面PUE之内计算。

因此，设备所有的 PUE 为机械 PUE 和电气 PUE的总和。

图3 不同空调系统的PUE

2.3 不同空调系统对PUE的影响

不同空调系统的PUE统计数据如图3：由图3可以看出，风冷空调的PUE值通常＞2.0，特别是大型数据中心的体量较大，冷媒管路相对较长，室外机数量较多，互相干扰，影响散热，这些都是不利于节能的因素。此外，管理水平对PUE也有一定影响，上述各种不利因素使得国内很多数据中心的PUE高达2.5～3.0。

3 数据中心优选的节能措施

由于数据中心能耗较高，在数据中心项目中应采取多种技术措施，节省能耗，降低PUE。节能包括但不局限于下列内容:

3.1 空调系统节能措施

对于较大规模的数据中心，可采用冷冻水型精密空调替代传统的DXA型直膨型空调。

● 条件许可时，可以采用新风冷却等技术手段，减少使用电制冷的时间和比例。

● 环境条件具备时，可以利用其他能源，如风能、太阳能等清洁能源。

● 在满足设备要求的前提下，尽量提高冷冻水的供水温度。

传统的空调水温为7～12℃，供回水温度提高到12～18℃后，可以提高冷水机组的COP，冷冻水供水温度及冷却水供水温度对冷水机组COP的影响见表1。

表1 冷水机组COP变化趋势

完全自然冷却时间 部分自然冷却时间 无自然冷却时间（小时数/百分比） （小时数/百分比） （小时数/百分比）冷冻水供水温度7℃ 2825h/32.2% 1080h/12.3% 4855h/55.4%冷冻水供水温度12℃ 3281 h/37.5% 1070 h/12.2% 4409 h/50.3%

可见，提高冷冻水供水温度可以有效延长完全自然冷却的时间。

● 采用自然冷却系统和部分自然冷却技术

冬季冷水机组无需运行，过渡季节将减少冷机的运行负荷，降低能耗。该时段越长，能耗下降越明显，对PUE的降低影响重大。

● 改善精密空调系统

传统的精密空调回风温度为24℃，RH为50%，配有加湿段和加热段方能满足IT设备运行。现有方案取消了加湿段、加热段，设备造价和运行费用都会下降。

● 改善加湿方式

传统的精密空调配有加湿段，通常采用电极加湿，现有方案采用湿膜加湿，可以降低能耗。

● 冷却塔风机变频驱动，在低负荷时节省能源。

本文以柔爆索爆炸加载为研究对象，通过发展理论模型，探索了在小装药比情况下内爆引起双层壳体碎片飞散的速度计算方法，得到以下结论：

● 机房用精密空调采用变频风扇，通过调整转速，降低能耗。

● 尽可能减少旁通气流，如减少地板出线，必须出线的孔洞也应在穿线后严密封堵；利用盲板密接服务器柜内各服务器之间的未安装服务器处。

● 地板开孔格栅采用可调节型，关闭无用的开孔。

3.2电气系统节能措施

● 变电站靠近负荷中心，特别是模块化变电站就近设在模块旁边，大大减少了低压线路损耗，节省了线路造价。

● 采用中压柴油发电机组，减少了低压线路损耗，节省了中间环节，节省了造价。

● 采用高功效UPS，增加了UPS效率，降低了损耗。

● 采用新型干式变压器，减少了变压器的损耗。

● 照明灯具采用高效节能型荧光灯，采用的智能化照明控制，节省了能耗。

3.3 建筑设计节能措施

● 外墙尽量不要设外窗,对于设外窗的IT机房内采取封堵；最大限度降低室外辐射的热，节约空调能耗。

● 建筑结构墙体做外保温；降低建筑冷负荷。

● 机房区与非机房区之间做保温；降低建筑冷负荷。

● 机房区之间的楼板进行保温处理；降低建筑冷负荷。

● 主机房区内做防潮处理保持房间内湿度，降低湿负荷。

3.4 给排水设计节能措施

● 使用节水型卫生器具,减少用水量及加压设备能耗；

● 合理配置减压装置，将水压控制在限值要求内、减少超压出流，节约用水；

● 合理设置和使用水表，水表前加装过滤器，提高水表寿命及计量的准确性，节约用水；

● 合理利用市政管网余压，采用分区供水方式，减少二次加压能耗；

● 开发第二资源——中水，节约水资源；

● 精密空调加湿采用湿膜法直接排放方式时，将此部分水收集至室外雨水收集池，用于绿化浇洒，充分节约水资源。

4 小结

可见，数据中心各系统的节能包含许多内容，在设计过程中应根据项目具体情况选用适宜的节能措施，优化系统设计，进一步降低能源消耗，并改善数据中心的PUE值。

[1] 中华人民共和国工业和信息化部. GB50174-2008电子信息系统机房设计规范[S]. 北京:人民出版社, 2009.

[2] Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers（TIA/EIA-942）[S].

[3] UPTIME INSTITUTE, LLC. Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology[S].