文_蔣杭城 劉聞博 王超 趙志軍 北京市節(jié)能監(jiān)察大隊

隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，加大了對數(shù)據(jù)中心的需求，而數(shù)據(jù)中心的大量涌現(xiàn)則帶來更多的能源消耗和碳排放。2017年工信部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)“十三五”信息通信業(yè)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》提出，到2020年，通信業(yè)能耗基本可比國際先進(jìn)水平，實現(xiàn)單位電信業(yè)務(wù)總量綜合能耗較2015年底下降10%；新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能利用率（PUE）達(dá)到1.4以下；新能源和可再生能源應(yīng)用比例大幅提升。更高的節(jié)能降耗目標(biāo)和PUE能耗效率需要更加嚴(yán)格的節(jié)能監(jiān)察，對高能耗數(shù)據(jù)中心用能情況的監(jiān)管將是新時代、新形勢下節(jié)能監(jiān)察的新起點。2018年在對北京數(shù)據(jù)中心開展節(jié)能監(jiān)察時發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的管理、相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)均存在改進(jìn)和提高的空間，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能監(jiān)管需要從多角度發(fā)力，政府和企業(yè)共同努力才能實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置。

1 數(shù)據(jù)中心能耗逐年上升

根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》和Yole Développement 的相關(guān)統(tǒng)計報告整理發(fā)現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)全球化的快速發(fā)展，使全世界對于數(shù)據(jù)中心的需求不斷增加。數(shù)據(jù)中心的全球市場規(guī)模從2010年的183.2億美元增長到2017年的534.7億美元，預(yù)計2018年將突破620億美元，平均每年保持17%左右的增速。但從數(shù)據(jù)中心能耗的增長速度分析，從2010年的16%逐漸降低到近幾年的7%左右，說明近幾年的新建數(shù)據(jù)中心在節(jié)能降耗方面加大了節(jié)能技術(shù)投入。數(shù)據(jù)中心的總能耗從2010年的5563.1億kWh迅速增長到2017年11133.34億kWh，預(yù)計2018年將超過12000億kWh，詳見圖1。2014年數(shù)據(jù)中心的能耗占世界能源使用量的1.62%，到2017年達(dá)到3%左右。

我國近年來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展一直走在世界前列，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)面積也是逐年增加。根據(jù)ICT Research和近幾年的《中國IDC產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告》的內(nèi)容統(tǒng)計和預(yù)測，2010年我國的數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模為102.2億元，2017年達(dá)946.1億元，預(yù)計到2020年將達(dá)2000億元，以每年30%左右的增速發(fā)展。我國數(shù)據(jù)中心的能耗也從2010年的483.6億kWh增長到了2016年1102.1億kWh，預(yù)計2018年將達(dá)到1300億kWh以上；其占社會用電量比例也從2014年的1.6%，增長到2017年2.2%以上。我國數(shù)據(jù)中心的能耗增長率從2010年17%下降到近年的11%左右，超過世界平均增速。從我國數(shù)據(jù)中心的市場規(guī)模和能耗增速來看，數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗顯得更為重要。在我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，減緩數(shù)據(jù)中心能耗的增長是實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的新方向，開展對數(shù)據(jù)中心的能耗監(jiān)管十分必要。

圖 1

北京互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的落地也伴隨著周邊郊區(qū)大量新建數(shù)據(jù)中心的啟用，數(shù)據(jù)中心成為北京高耗能的新領(lǐng)域。2015 年其總電耗已達(dá)到 67億kWh，占到北京市全社會用電總量的7%。北京數(shù)據(jù)中心能耗從2010年的26.6億kWh增長到2015年的67億kWh，預(yù)計2018年將接近100億kWh，詳見圖2。北京市數(shù)據(jù)中心的耗電量年增長率從最初的25%左右下降到近年的10%左右，略低于全國的平均增速。一方面得益于疏解北京非首都功能工作的穩(wěn)步推進(jìn)；另一方面就是近年節(jié)能管理相關(guān)工作的陸續(xù)開展，有力推進(jìn)了存量數(shù)據(jù)中心的用能優(yōu)化、新建數(shù)據(jù)中心的節(jié)能達(dá)標(biāo)。

圖 2

2 北京數(shù)據(jù)中心節(jié)能監(jiān)察概況

北京市節(jié)能監(jiān)察大隊2018年針對數(shù)據(jù)中心高能耗的現(xiàn)狀，結(jié)合北京節(jié)能減排目標(biāo)，開展了對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能監(jiān)察工作。目前北京市數(shù)據(jù)中心節(jié)能監(jiān)察依據(jù)《數(shù)據(jù)中心能效分級》(DB11/T1139-2014) 作為標(biāo)準(zhǔn)，主要從數(shù)據(jù)中心的電能利用效率（PUE）、節(jié)能技術(shù)及措施應(yīng)用、可再生能源使用率三個方面進(jìn)行評價和監(jiān)察。監(jiān)察對象為北京市注冊在案的存量數(shù)據(jù)中心，主要分為大型數(shù)據(jù)中心和中小型數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的監(jiān)察主要通過現(xiàn)場查詢企業(yè)能耗情況和監(jiān)測抄錄數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行核算，并判定數(shù)據(jù)中心是否達(dá)到能效標(biāo)準(zhǔn)。對未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)結(jié)合其現(xiàn)實情況提出節(jié)能建議，如果數(shù)據(jù)中心所屬企業(yè)是重點用能單位的，大隊將按規(guī)定責(zé)令其開展能源審計。

2018年隨機(jī)抽取的北京市30個注冊在案的數(shù)據(jù)中心，5000 m2以下的中小型數(shù)據(jù)中心有12個，5000m2以上的大型數(shù)據(jù)中心有18個，建設(shè)年代從1998年跨越至2016年，分布在北京市各個區(qū)內(nèi)，以亦莊開發(fā)區(qū)為主要聚集地，占30%以上。據(jù)能效分級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行情況核查報告統(tǒng)計，滿足數(shù)據(jù)中心能效分級標(biāo)準(zhǔn)要求的有28個，合格率為93% ，整體能效水平較好，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心能源管理水平和節(jié)能措施仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。本次監(jiān)察的30個數(shù)據(jù)中心，PUE指標(biāo)分級為I級的有9個，II級的有12個，III級的有7個，III級以下的有2個。

3 存在問題及分析

通過2018年對數(shù)據(jù)中心開展節(jié)能監(jiān)察，總結(jié)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心的主要問題體現(xiàn)在企業(yè)對數(shù)據(jù)中心的管理不規(guī)范，數(shù)據(jù)中心相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有待細(xì)化完善等方面。

3.1 數(shù)據(jù)中心的管理不到位

在對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能監(jiān)察過程中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控平臺缺少能耗統(tǒng)計功能、各部分電表數(shù)據(jù)的管理較為缺乏、沒有專職的記錄人員去抄錄和整理分析各項能耗數(shù)據(jù)。當(dāng)企業(yè)能耗記錄不完整時，IT設(shè)備部分只能通過列頭柜電能表數(shù)據(jù)或UPS端測量等方法估計能耗。

通過分析數(shù)據(jù)中心的節(jié)能措施采用情況發(fā)現(xiàn)，大部分企業(yè)將節(jié)能重心主要放在機(jī)房的通風(fēng)和冷卻設(shè)備上，如利用自然冷源、采用氣流組織優(yōu)化、采用冷光源照明等。而實際研究中發(fā)現(xiàn)，通過更換性價比更高的CPU和節(jié)能型硬盤、優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術(shù)、建立能耗優(yōu)化算法提高CPU利用率等數(shù)據(jù)中心機(jī)房相關(guān)的硬件和軟件設(shè)施上，能降低10%～30% 的IT設(shè)備能耗，如果結(jié)合其它節(jié)能降耗措施，可以實現(xiàn)更高的能源利用效率。

存量數(shù)據(jù)中心和新建數(shù)據(jù)中心再生能源的利用極少，現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心使用的新能源與可再生能源主要是太陽能，但利用率大多在3%以下，實際節(jié)能貢獻(xiàn)不大。充分利用可再生能源將成為新建數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃目標(biāo)之一，現(xiàn)階段全球可再生能源供電數(shù)據(jù)中心，太陽能和風(fēng)能利用擁有比較成熟的技術(shù)。在實際工程中，為保證數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運行，可再生能源混合供電模式是較為保險的供電模式。目前在新建數(shù)據(jù)中心的選址規(guī)劃上，通過將當(dāng)?shù)乜稍偕茉吹睦每紤]在內(nèi)，再預(yù)估該地區(qū)可再生能源的產(chǎn)電模型，匹配數(shù)據(jù)中心的機(jī)房功率控制算法，能較好的實現(xiàn)可再生能源的高效利用。

3.2 數(shù)據(jù)中心相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善

目前，對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能監(jiān)察處于探索階段，相關(guān)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)有一部分是參考國外的相關(guān)指標(biāo)，但仍然不夠完善和規(guī)范，結(jié)合我國數(shù)據(jù)中心的實際情況，還存在許多可以討論和改進(jìn)的地方。北京市目前所采用的《數(shù)據(jù)中心能效分級》(DB11/T1139-2014)主要依據(jù)是美國Green Grid 提出的技術(shù)參數(shù)電源使用效率（PUE）作為數(shù)據(jù)中心的能耗效率指標(biāo)，公式如下：

PUE現(xiàn)在已經(jīng)作為數(shù)據(jù)中心的主要能效指標(biāo)，但實際的監(jiān)察過程中發(fā)現(xiàn)其存在一定的問題有待完善。數(shù)據(jù)中心的主要能耗設(shè)備和監(jiān)測節(jié)點如圖3所示。IT設(shè)備能耗=E3；數(shù)據(jù)中心總能耗=E1+E2-E4。

圖3 數(shù)據(jù)中心的主要能耗設(shè)備和監(jiān)測節(jié)點

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)存在的主要問題是PUE的計算公式還有優(yōu)化的空間。能效高、能耗少的數(shù)據(jù)中心并不一定是高效的數(shù)據(jù)中心，高效的數(shù)據(jù)中心本質(zhì)是要求其在同等能耗水平下，能提供更快的運算速度和更大的儲存空間?，F(xiàn)有的PUE計算方法僅考慮了理論上IT設(shè)備能耗的占比，并沒有結(jié)合IT設(shè)備的運算次數(shù)、效率和儲存空間等指標(biāo)。所以，存在同等能耗水平下，有的數(shù)據(jù)中心PUE高但其運算速率快，平均到每單位運算速度上，其效率可能高于PUE低的數(shù)據(jù)中心；有的數(shù)據(jù)中心通過改進(jìn)CPU運算模式等降低IT設(shè)備部分能耗，IT設(shè)備能耗和總能耗同時下降，但PUE反而上升。因此，未來的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定不能僅從PUE的角度去衡量一個數(shù)據(jù)中心的能效，能效與數(shù)據(jù)中心的運算效率結(jié)合更為合理。

能效高、能耗少的數(shù)據(jù)中心并不一定是高效的數(shù)據(jù)中心，高效的數(shù)據(jù)中心本質(zhì)是要求其在同等能耗水平下，能提供更快的運算速度和更大的儲存空間。現(xiàn)有的PUE計算方法僅考慮了理論上IT設(shè)備能耗的占比，并沒有結(jié)合IT設(shè)備的運算次數(shù)、效率和儲存空間等指標(biāo)。所以，存在同等能耗水平下，有的數(shù)據(jù)中心PUE高但其運算速率快；有的數(shù)據(jù)中心，通過改進(jìn)CPU運算模式等降低IT設(shè)備部分能耗，IT設(shè)備能耗和總能耗同時下降，但PUE反而上升的情況。因此，未來的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定不能僅從PUE的角度去衡量一個數(shù)據(jù)中心的能效，能效與數(shù)據(jù)中心的運算效率結(jié)合更為合理。

此外，在實際監(jiān)察過程中發(fā)現(xiàn)，很多數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)往往不是專用的，需要扣除多用途辦公樓的設(shè)備能耗，但實際這部分能耗如果沒有準(zhǔn)確的電表抄錄是較難估算的。還有的數(shù)據(jù)中心，采用精確制冷技術(shù)將IT設(shè)備和制冷系統(tǒng)集成化，這樣測得的就不僅僅是IT設(shè)備能耗，還包含了冷卻設(shè)備能耗，這樣測得的PUE將低于實際PUE。同時，還考慮到現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心存在私有云和公有云兩種部署方式，如果主要從事私有云業(yè)務(wù)，其機(jī)房啟用的CPU數(shù)量較為穩(wěn)定，能耗波動較小，PUE的估算值相對準(zhǔn)確；但如果是公有云業(yè)務(wù)為主的數(shù)據(jù)中心，其CPU啟用數(shù)量隨用戶數(shù)量而波動，能耗波動較大，PUE的估計值將不能反映其真實能效情況。

4 對策和建議

北京未來的“四個中心”功能建設(shè)目標(biāo)就包括了科技創(chuàng)新中心，互聯(lián)網(wǎng)高科技產(chǎn)業(yè)將成為北京市的主要產(chǎn)業(yè)之一，大量配套的數(shù)據(jù)中心建設(shè)使用，伴隨著是更多的能源消耗和新的碳排放源頭。根據(jù)“十三五”規(guī)劃的總體碳減排目標(biāo)，北京目前的節(jié)能形勢十分嚴(yán)峻。所以，對現(xiàn)有和新建數(shù)據(jù)中心開展嚴(yán)格的節(jié)能監(jiān)察十分必要。

4.1 優(yōu)化數(shù)據(jù)中心管理

企業(yè)對數(shù)據(jù)中心本身的管理存在不規(guī)范，可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)中心對能耗數(shù)據(jù)的記錄、總結(jié)、報備等管理流程。同時，企業(yè)還能優(yōu)化機(jī)房運維層面的技術(shù)，可以降低IT設(shè)備的損耗，也能減少用電成本。在地區(qū)自然條件允許的前提下，企業(yè)可以規(guī)劃新建數(shù)據(jù)中心的選址，預(yù)估該地區(qū)可再生能源的產(chǎn)電模型，匹配數(shù)據(jù)中心的機(jī)房功率控制算法，通過可再生能源的高效利用達(dá)到節(jié)能的目的。

4.2 完善數(shù)據(jù)中心相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心監(jiān)察相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有待細(xì)化完善，現(xiàn)目前數(shù)據(jù)中心的主要分級指標(biāo)就是PUE，但實際監(jiān)測中由于企業(yè)供電模式、機(jī)房冷卻系統(tǒng)集成模式、數(shù)據(jù)中心的用途以及PUE本身的計算方式等因素影響，PUE測量值和實際PUE會出現(xiàn)較大偏差，未來在新的標(biāo)準(zhǔn)制定時，應(yīng)當(dāng)將能耗和數(shù)據(jù)中心的運算能力結(jié)合，能反應(yīng)單位運算力能耗的指標(biāo)將更能體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能效。

此外，執(zhí)法部門將進(jìn)一步建立更加專業(yè)化的監(jiān)察方法，加強(qiáng)對數(shù)據(jù)中心的監(jiān)察。前期通過宣傳、講座、主題活動等形式開展工作部署、引導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行自查自糾。執(zhí)法過程中堅持說理性執(zhí)法，實現(xiàn)執(zhí)法部門向企業(yè)宣傳普及法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)向政府輸出專業(yè)化技術(shù)的交流促進(jìn)、共建共享局面。執(zhí)法部門爭取多向企業(yè)提出兼顧企業(yè)的實際情況、政府的相關(guān)政策、數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)等方面的專業(yè)化節(jié)能建議。