李步宵

摘 要 近期，我國各大通信運(yùn)營商正在大力建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）機(jī)房，規(guī)模日益增大，數(shù)量日漸增多，但其十分昂貴的建設(shè)與運(yùn)維費(fèi)用，使得IDC業(yè)務(wù)利潤率大幅降低，因此，積極建設(shè)綠色節(jié)能的IDC機(jī)房，不僅能夠有效解決這些問題，而且還是切實(shí)履行社會(huì)責(zé)任的關(guān)鍵構(gòu)成。本文著眼于各類型IDC中心機(jī)房的節(jié)能研究，對機(jī)房能耗構(gòu)成進(jìn)行了深層分析，利用目標(biāo)動(dòng)態(tài)控制分析方法，逐層分解并動(dòng)態(tài)分析了電能利用率（PUE）指標(biāo)，從中挖掘出對PUE指標(biāo)大小造成影響的各系統(tǒng)能耗因素。把工程應(yīng)用理論與PUE指標(biāo)相融合，創(chuàng)新性提出了IDC機(jī)房節(jié)能實(shí)施方案，以期為此領(lǐng)域應(yīng)用研究提供些許參考。

【關(guān)鍵詞】互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心 機(jī)房 電能利用率 節(jié)能方案

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）即為了能夠更好的滿足互聯(lián)網(wǎng)各類信息服務(wù)與業(yè)務(wù)需求，而專門建設(shè)的應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施，IDC通過與互聯(lián)網(wǎng)的深入、高速、系統(tǒng)化連接，且憑借自身豐富的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算與應(yīng)用資源，為各基礎(chǔ)對象提供高質(zhì)量、全方位、規(guī)模化的增值服務(wù)與基礎(chǔ)服務(wù)。伴隨當(dāng)今通信技術(shù)的日益發(fā)展與完善，其業(yè)務(wù)范疇已經(jīng)不再僅特定在某一領(lǐng)域，而是呈現(xiàn)出全球化傾向，且此傾向正在逐漸成熟與完備，在此大背景下，IDC業(yè)務(wù)也呈現(xiàn)出高速的發(fā)展步伐，但由于機(jī)房在整體能耗方面的持續(xù)攀升，反而在較大程度上對IDC業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重制約，因此，在建設(shè)IDC機(jī)房時(shí)，秉持“高效、環(huán)保、綠色、節(jié)能”的基本理念，可謂大勢所趨與必然選擇。設(shè)計(jì)綠色I(xiàn)DC機(jī)房時(shí)，除了要將電源能耗、I T設(shè)備能耗、建筑自身能耗以及空調(diào)能耗等考慮在內(nèi)之外，還須重視其它相關(guān)指標(biāo)對機(jī)房節(jié)能所造成的影響，如氣流組織、設(shè)備安裝及機(jī)房布局等。

1 我國IDC機(jī)房能耗現(xiàn)狀及原因

1.1 我國IDC機(jī)房能耗現(xiàn)狀

在國際上，PUE值是用作衡量數(shù)據(jù)中心電能實(shí)際使用效率的常用指標(biāo)，對于其計(jì)算方法而言，即數(shù)據(jù)中心所消耗全部電能與負(fù)載消耗的電能比值，基于此計(jì)算可知，當(dāng)PUE值與1越接近時(shí)，表明此數(shù)據(jù)中心有著越高的節(jié)能水平與綠色化程度。當(dāng)前，在我國各類IDC運(yùn)營公司當(dāng)中，呈體系化、規(guī)模化的公司，多集中在經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的一線城市，如北上廣等地，這些城市IDC機(jī)房的PUE值，通常維持在2-3之間。比如上海的IDC機(jī)房，其PUE年均值為2.22。而在國外，尤其是一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的知名互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，比如Facebook、谷歌等，其所建設(shè)的IDC機(jī)房在PUE值上，通?？刂圃?.5以下，有些企業(yè)甚至更低，此些企業(yè)在建設(shè)或改造IDC機(jī)房時(shí)所運(yùn)用的節(jié)能技術(shù)與手段，值得國內(nèi)相關(guān)企業(yè)借鑒與參考。 我國部分互聯(lián)網(wǎng)龍頭企業(yè)同樣著手開展了許多創(chuàng)建綠色節(jié)能型IDC機(jī)房的實(shí)踐工作，比如騰訊公司，伴隨該公司產(chǎn)品的更新與增多，業(yè)務(wù)客戶量的持續(xù)攀升，IDC機(jī)房規(guī)模同樣呈井噴增加之勢，面對數(shù)據(jù)中心如此龐大的電能消耗，騰訊公司先后采取了各種節(jié)能措施，加大對此領(lǐng)域的建設(shè)與改造，比如強(qiáng)化平臺(tái)管理，優(yōu)化產(chǎn)品能耗，配備節(jié)能服務(wù)器等，目前，通訊公司在IDC機(jī)房節(jié)能性能方面，相比于普通數(shù)據(jù)中心，節(jié)能幅度達(dá)25%。盡管我國現(xiàn)階段部分大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在IDC機(jī)房節(jié)能建設(shè)方面已經(jīng)取得矚目成就，但從總體上來看，IDC機(jī)房高能耗問題依然存在，在改進(jìn)與提升節(jié)能性能方面，仍有非常大的空間。

1.2 IDC機(jī)房能耗原因分析

DIC機(jī)房存在的能耗，主要由如下部分構(gòu)成：其一，IDC機(jī)房的各類設(shè)備用電，從總體上來講，主要有網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、IT設(shè)備等；其二，空調(diào)制冷系統(tǒng)方面的用電，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，在整個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房總能耗當(dāng)中，機(jī)房制冷用電所占比重達(dá)45%，而制冷的核心設(shè)備即為空調(diào)；其三，供電系統(tǒng)方面的用電，主要包括供電線路損耗、變壓器損耗等；其四，其他輔助設(shè)備的用電，比如空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)用電、照明設(shè)備用電等。

綜上可知，當(dāng)前，國內(nèi)IDC機(jī)房有著偏高PUE值的關(guān)鍵原因?yàn)椋?/p>

（1）普遍偏高的機(jī)房設(shè)備能耗。大多IDC機(jī)房所運(yùn)用的設(shè)備，普遍存在容量較低但能耗卻偏高的狀況，另外，還未能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用節(jié)能算法的統(tǒng)一部署，有著相對偏小的云計(jì)算規(guī)模等；

（2）普遍偏低的空調(diào)制冷系統(tǒng)利用率，或因機(jī)房整體布局不合理所致制冷過度，機(jī)房空調(diào)因業(yè)務(wù)原因或設(shè)備分期，使得整體空置率偏高，此外，一些地區(qū)的DIC機(jī)房因技術(shù)、條件、資金等因素限制，仍然運(yùn)用的是有著較低冷源利用率的風(fēng)冷式空調(diào)，而在應(yīng)用大型水冷空調(diào)系統(tǒng)方面，未能普及，有著較低的覆蓋率；

（3）不合理的供電系統(tǒng)布局，未對此開展切實(shí)性優(yōu)化，諸如變壓器等供電設(shè)備，有著偏低的負(fù)載率，存在十分嚴(yán)重的供電線路冗余現(xiàn)象，除此之外，對于整個(gè)供電系統(tǒng)而言，盡管其自身有著并不大的電能損耗，但若存在嚴(yán)重冗余，那么電損較大；部分IDC機(jī)房配置有UPS（持續(xù)供電系統(tǒng)），此系統(tǒng)于IDC投入運(yùn)營初期，電能損在整個(gè)DIC機(jī)房能耗損中所占比重達(dá)20%；第四，其它原因，比如未能有針對性的優(yōu)化機(jī)柜的散熱方式，不合理的機(jī)房布局，沒有依據(jù)客戶類型與需要開展細(xì)分工作，未制定滿足實(shí)際要求的用戶配置方案。

2 機(jī)房能耗指標(biāo)分析

上文所提到的PUE作為一種對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心能效水平加以衡量的綜合指標(biāo)，其計(jì)算公式為：數(shù)據(jù)中心總用電量/IT設(shè)備總用電量=電能利用率（PUE） （1）。對此，可利用目標(biāo)動(dòng)態(tài)控制分析法，來深入分析PUE指標(biāo)，首先，需要逐項(xiàng)的分解PUE指標(biāo)，對組成PUE指標(biāo)的各項(xiàng)參數(shù)相對應(yīng)的目標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算；然后，系統(tǒng)化調(diào)研機(jī)房運(yùn)行過程中的各項(xiàng)能耗指標(biāo)，基于此，將PUE指標(biāo)值計(jì)算出來；最后，對比目標(biāo)值與實(shí)際值，加以分析，從中將出現(xiàn)偏差的原因找出，制定對應(yīng)控制與優(yōu)化對策，然后重回第一步，達(dá)到循環(huán)優(yōu)化IDC機(jī)房能耗指標(biāo)的目的。通過逐項(xiàng)分解與歸類PUE指標(biāo)可得知，數(shù)據(jù)中心總體用電量主要由兩部分組成，即配套基礎(chǔ)設(shè)施總用電量與IT設(shè)備總用電量，其中，對于配套基礎(chǔ)設(shè)施總用電量而言，可劃分為三部分內(nèi)容，分別為照明系統(tǒng)總用電量、電源系統(tǒng)總用電量與空調(diào)系統(tǒng)總用電量。針對IT設(shè)備系統(tǒng)來講，其由網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備與服務(wù)器型的設(shè)備等構(gòu)成，此系統(tǒng)的能耗在IDC機(jī)房總能耗中所占比重超過50%；對于空調(diào)系統(tǒng)而言，其能耗占比為35%左右；照明系統(tǒng)能耗占比為3%左右；而電源系統(tǒng)在總能耗中的占比為12%左右。在節(jié)能潛力方面，空調(diào)系統(tǒng)與IT設(shè)備系統(tǒng)最大，其次為照明系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。若將公式（1）進(jìn)行變形，則可得 公式（2）：照明能效因子+電源能效因子+制冷能效因子+1=照明系統(tǒng)用電量/IT設(shè)備總用電量+電源系統(tǒng)用電量/IT設(shè)備總用電量+空調(diào)系統(tǒng)用電量/IT設(shè)備總用電量+1=配套基礎(chǔ)設(shè)施總用電量/IT設(shè)備總用電+1=電能利用率（PUE）。對于PUE值的范圍來講，即1-無窮大，該值與1越接近，則表明向IDC機(jī)房輸入的電能，幾乎均用在IT設(shè)備自身，當(dāng)PUE值越大時(shí)，則表明諸如照明、電源、空調(diào)等系統(tǒng)配套設(shè)施，有著越大的電能消耗，機(jī)房有著越低的能效。endprint

3 機(jī)房節(jié)能實(shí)施方案研究

3.1 雙向加強(qiáng)型IDC機(jī)房

針對此類型IDC機(jī)房來講，除了需要提升IT設(shè)備的總用電量之外，還需積極采取有效措施，推動(dòng)與機(jī)房相配套的各類基礎(chǔ)設(shè)施總用電量的降低，此方案對于那些機(jī)房總用電量并沒有受到限制，且將要啟用的IDC機(jī)房整體規(guī)劃、設(shè)計(jì)較為適用。這不僅是建設(shè)綠色I(xiàn)DC機(jī)房的核心階段，而且還是IDC機(jī)房實(shí)際投用后，決定其能耗總量的關(guān)鍵階段。對于此方案而言，其在機(jī)房可用空間保持不變的情況下，盡量多安裝IT設(shè)備，以此來最大化、最高效利用機(jī)房資源，此外，選用合理、有效、先進(jìn)的配套配置方案，促進(jìn)配套基礎(chǔ)設(shè)施在用電總量方面的最大化降低。最終達(dá)成IDC機(jī)房環(huán)保、節(jié)能且綠色的總體目標(biāo)。針對此類型機(jī)房而言，同時(shí)還是達(dá)成綠色化機(jī)房過程中最為繁瑣的一類，因此，其對規(guī)劃設(shè)計(jì)成果提出了更多且更加嚴(yán)格的要求，通常情況下，需要打破常規(guī)設(shè)計(jì)樣式、方式與思路，在設(shè)計(jì)過程中，需從多方面考量各要素對能耗指標(biāo)所產(chǎn)生的影響，比如工藝、配套、環(huán)境與設(shè)備等，從中找出各個(gè)限制因素之間充斥的內(nèi)部平衡點(diǎn)，基于此，完成設(shè)計(jì)方案的制定工作。在實(shí)際節(jié)能設(shè)計(jì)中，此類型IDC機(jī)房往往涉及到多系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)房布局、電源系統(tǒng)、IT系統(tǒng)及送風(fēng)方式等，能夠把上述各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)充分結(jié)合于機(jī)房現(xiàn)狀，從而設(shè)計(jì)、制定出更為貼合實(shí)際、更具可行性的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

3.2 IT改進(jìn)型IDC機(jī)房

此類型的IDC機(jī)房，即在配套基礎(chǔ)設(shè)施總體用電量保持不變的情況下，依據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際發(fā)展需要，增加IT設(shè)備的用電總量，此方案有專屬使用范圍，即當(dāng)IT設(shè)備的安裝量并沒有達(dá)到機(jī)房設(shè)計(jì)容量相應(yīng)上限，并且配套設(shè)備的能力，可以滿足實(shí)際需求的IDC機(jī)房。在制定此類型機(jī)房的節(jié)能方案時(shí)，主要考慮因素是IT設(shè)備用電量的增加值對PUE指標(biāo)所產(chǎn)生的影響，在雙重指標(biāo)的同步限制下，即降低電能利用率與提升機(jī)房利用率，需要把IT設(shè)備的合理化配置及IT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化作為著重點(diǎn)，在保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，適當(dāng)性精簡容災(zāi)設(shè)備，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)設(shè)備綜合利用率的提升。在選擇IT設(shè)備時(shí)，需盡可能選擇那些具有節(jié)能等級(jí)認(rèn)證的設(shè)備，而且還要易于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架安裝，除此之外，還要噪音低、體積小、散熱能力強(qiáng)及重量輕等。在選擇服務(wù)器時(shí)，應(yīng)選擇多核CPU處理器，因?yàn)榇祟愋吞幚砥鞑粌H低功耗，且具有關(guān)閉空閑處理器的功能，除此之外，還集成有低功耗的芯片，主板有內(nèi)存，還擁有能夠?qū)︼L(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)的電源，具有支持休眠技術(shù)與智能管理功能等。在選擇存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，應(yīng)挑選刀片服務(wù)器最為合宜，此類型服務(wù)器支持分級(jí)存儲(chǔ)，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，而且還能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化，可以自動(dòng)精簡配置，還能重復(fù)刪除數(shù)據(jù)。此類型的IDC機(jī)房在具體的節(jié)能設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要涵蓋有IT系統(tǒng)與機(jī)房布局方面的節(jié)能技術(shù)，在實(shí)際操作時(shí)，可把上述中所提到的各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，結(jié)合于機(jī)房現(xiàn)狀，然后基于此，制定行之有效的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

3.3 配套節(jié)約型IDC機(jī)房

對于此類型IDC機(jī)房而言，需確保IT設(shè)備在總體的用電量方面保持不變，然后采取切實(shí)措施，促進(jìn)配套基礎(chǔ)設(shè)施總用電量的降低，此方案對于那些需進(jìn)行技術(shù)改造、耗能嚴(yán)重且配套設(shè)施陳舊的IDC機(jī)房比較適用。

伴隨當(dāng)今通信技術(shù)的日益發(fā)展與完善，在此大背景下，新型配套設(shè)備在耗能方面呈持續(xù)下降趨勢，至此，更新配套設(shè)備自然而然的成為降低機(jī)房能耗，以及提高設(shè)備性能的重要舉措，對于此方案而言，配套設(shè)備更新時(shí)間點(diǎn)的合理選擇，乃是關(guān)鍵所在。針對設(shè)備的年平均使用成本來講，其主要有兩部分構(gòu)成，其一為設(shè)備的年運(yùn)行成本，其二則為設(shè)備的年資產(chǎn)消耗成本。如果運(yùn)用雙倍余額遞減法來進(jìn)行固定資產(chǎn)折舊的計(jì)提操作，那么此時(shí)的年資產(chǎn)消耗成本，便可以運(yùn)用時(shí)間的反比曲線來表示，而時(shí)間的正比曲線則可表示年運(yùn)行成本。伴隨設(shè)備使用時(shí)間的逐年增加，設(shè)備在年資產(chǎn)消耗成本方面，則呈現(xiàn)出持續(xù)減少狀態(tài)，由于受設(shè)備持續(xù)老化的影響，設(shè)備的年資產(chǎn)呈逐年增加趨向，經(jīng)系統(tǒng)化計(jì)算，便能得出基于設(shè)備年運(yùn)行成本的最低經(jīng)濟(jì)壽命點(diǎn)，所得出的此壽命點(diǎn)即為設(shè)備更新的最佳時(shí)刻，然后與IDC機(jī)房現(xiàn)實(shí)情況相結(jié)合，最終便可將最佳設(shè)備更新時(shí)間確定下來，通過引入新型節(jié)能配套基礎(chǔ)設(shè)施，便能促進(jìn)IDC機(jī)房能耗的最大化降低。針對此類型的IDC機(jī)房而言，在開展節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)涉及到如下方面的節(jié)能技術(shù)：照明系統(tǒng)、電源系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)，因此，可以把上述所提到的各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)結(jié)合于機(jī)房現(xiàn)狀，然后從總體上設(shè)計(jì)與制定有效的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

3.4 整體投資型IDC機(jī)房

此類型IDC機(jī)房除了要小幅提升配套基礎(chǔ)設(shè)施的用電量之外，還需大幅提升IT設(shè)備的用電量，因此，對于此方案而言，對于IT設(shè)備裝機(jī)未滿，但機(jī)房總用電量以及配套基礎(chǔ)設(shè)施受限的IDC機(jī)房比較適用。此類型機(jī)房的突出特點(diǎn)為：機(jī)房的裝機(jī)空間仍比較大，但如果依據(jù)前期已經(jīng)裝機(jī)部分的單機(jī)功耗來進(jìn)行IT設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，那么無論是機(jī)房總電量，還是配套基礎(chǔ)設(shè)施能力方面，均無法較好的滿足實(shí)際所需，因此，在設(shè)計(jì)此類型IDC機(jī)房時(shí)，需著重考量機(jī)房在可用總用電量方面的相應(yīng)限制，需要實(shí)際實(shí)際情況與需要，拆分可用總用電量，不僅要滿足新增配套基礎(chǔ)設(shè)施的總體用電需求，而且還要滿足新增IT設(shè)備的用電需求，除此之外，還需控制與維持PUE指標(biāo)值，使其始終處于綠色機(jī)房的許可范圍內(nèi)。由于此方面需盡量降低新增配套基礎(chǔ)設(shè)施的總用電量，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要對IT設(shè)備的具體數(shù)量進(jìn)行合理規(guī)劃，對于設(shè)備于機(jī)架內(nèi)的相應(yīng)安裝位置，需要進(jìn)行合理分配，尤其是要科學(xué)化配置那些高密度、高功率設(shè)備的安裝位置，如若IT設(shè)備（高功率）被劃分成一個(gè)或者多個(gè)機(jī)柜時(shí)（見圖1），由于整體功率過高，往往會(huì)出現(xiàn)局部過熱的情況，所以，需切實(shí)規(guī)避由此而造成的新增配套能耗需求。對于此類型IDC機(jī)房而言，在實(shí)際節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)包含電源系統(tǒng)、IT系統(tǒng)、機(jī)房布局以及空調(diào)系統(tǒng)等方面的節(jié)能技術(shù)，因此，可以將其與機(jī)房實(shí)況相結(jié)合，制定總體性的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

綜上，通過應(yīng)用IDC機(jī)房歸類標(biāo)準(zhǔn)，有助于IDC機(jī)房節(jié)能實(shí)施方案相應(yīng)設(shè)計(jì)流程的簡化，至此，可基于IDC機(jī)房節(jié)能實(shí)施方案與歸類標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)IDC機(jī)房類型差異，制定對應(yīng)節(jié)能措施，促進(jìn)IDC機(jī)房總體耗能的降低，切實(shí)構(gòu)建綠色化的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。另外，對于ID C機(jī)房歸類標(biāo)準(zhǔn)而言，其除了可以在建設(shè)綠色互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用之外，還可以在設(shè)計(jì)其它通信機(jī)房節(jié)能方案中運(yùn)用，適用廣泛。

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中國人民銀行西寧中心支行 青海省西寧市 810000endprint