浅析数据中心能耗现状与节能方向的研究.docx

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1、浅析数据中心能耗现状与节能方向的研究张品安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801摘要：数据中心拥有能量密集和高耗能的标签，因此，能耗问题也越来 越引起人们的关注。现阶段数据中心的高速发展，降低能耗也变得非常 重要。为了解决这个能耗高的问题，从能耗的组成入手，去分析和阐述 数据中心能耗的节能技术和措施，探索在数据中心运行中有效实现绿色 能耗的方法。关健词：数据中心；高能耗；节能减排；能效指标。引言近年来，我国经济快速发展，信息化的建设也在不断加大，在这种 形势下，数据中心的发展是到了急速发展的阶段。伴随着数据中心的快 速发展，高能耗的问题显得尤为突出。因此，对于如何降低数据中心能 耗的研究具有

2、非常重要的意义。1数据中心能耗现状和问题数据中心有着高能耗的标签,是实现绿色节能所要特别关注的重点。 据资料上统计和记载，目前，在国内机房运行的电能利用效率基本在 22.5范围内，这个数值大幅度超出标准机房的基准数值。这个现象说 明在机房运行的过程中总能耗中约有6070%都用到了空调冷却等设 施上了（表1）,但是，Google公司的数据中心机房电能利用效率年平均值达到1.21 ,美国HP的新一代数据中心体验中心机房夏季PUE值可以达到161.70制冷设箸 IT设备供配电系统照明等其他设现有机房多数能耗分配状况标准机房能耗分配设备及网络通信设备：30%工T设备及网络通信设备：50%空调的制冷系统

3、：45%空调的制冷系统：25%变压器/UPS供电系统：24%变压器/UPS供电系统：10%照明设施：1%照明设施：3%表1数据中心机房标准能耗分配表图1现有机房数据中心的能耗组成现阶段较为核心问题出现在数据中心的高能耗，且高能耗导致的成 本费用超出整个机房的运营维护的50%费用。而现阶段对能源的需求 也不断地增长。如图1所示。2数据中心耗能设备组成(1)数据中心机房中IT设备的品种很多,主要用于数据中心中所用到的应用系统的运营。如表2所示。序号类型具体设备L服务器类机架式、刀片式（含机框）或塔式等服务器2存储类宓盘阵列、SAN （gj琮延板盘及观曲 存储 区域网络）交换机等存储设备，以及磁带库

4、、 虚拟带库等备份设备3网络类交换机、路由器以及防火墙、VP N （jsj蒸线 E旺k 虚拟专用网 络）、负载均衡等各类专用网络设备4IT支撑类主要包括用户运行维护的监控管理等设备表2数据中心机房IT设备分类表（2 ）制冷设备：为控制机房环境的温度和湿度，确保设备的正常运行，如表3所示。序号类型具体设备L空调设备类机房专用空调、行间制冷空调、温度调节设备等2冷源的 设备种 类风冷室外机、冷水机组、冷却塔、水泵、水处理等3新风系兔类送风、回风风扇、力口/除湿设备、风阀等表3数据中心机房制冷设备分类表(3)供配电系统：供配电系统主要是为数据中心各类设备的正常运行 提供使用的电压和电流，并保证使用过

5、程的安全和可靠。供配电系统通 常由变压器、配电柜、发电机、不间断电源、电池、机柜配电单元等设 备组成。(4)其他设备：主要包括照明、视频安防、消防设备以及相关机房环 境监控系统等。3影响机房能源效率的主要问题(1)机房冷却效率低，机房的设计与布局对温度场和气流组织会产生 较大的影响，而冷却资源没有得到有效的利用，图2中显示了一个机房 的热岛效应。为了解决这个问题，绝大多数的机房采取提高制冷量，实 际却导致了更多的能耗浪费。图2机房的热岛(2)IT设备电能利用率低，在完成同等工作量的情况下，IT设备消耗 了过多的电能。另外，服务器的大部分电能消耗在外围配件上，只有一 小部分电能用在计算和处理方面

6、等。4节能分析的评估指标模型广泛而普遍用到的PUE（电能利用效率）是由美国GreenGrid提出的 PUE （ Power Usage Effectiveness ）这个参数如下所示：ITEquipmen tPower ,一 、PUE=：（式 1）TotalFacil JtyPower其中，TotalFaeiIityPoWer是指数据中心的总能耗， ITEquipmentPower是指数据机房中IT设备耗能。4.2 局部电能利用效率（PartialPUE ,局部电能利用效率）另外一个指标,主要是对机房局部区域进行能耗和效率的评估和分 析，即局部PUEo局部PUE主要用于体现机房内部的重要的部分

7、设备 或部分区域的耗能情况，它的值与整体的PUE I;匕较起来，可能大也可 能小。即分区监测和统计。因此，为了提高机房的耗能效率，可从局部 出发，先提升局部的能耗即：提升PPUE值。这个指标参数适合场合如 集装箱、微模块数据中心等。4.3 制冷负载系数和供电负载系数这里提到的制冷负载系统简称CLF :为数据中心中制冷设备耗电与 IT设备耗电的比值。另一个供电负载系数简称PLF :为数据中心中供配 电系统耗电与IT设备耗电的比值。制冷负载系统和供电负载系数可看 成电能利用效率的深化部分。通过这两个指标又可进一步分析耗能情况。 可作为辅助分析能耗情况。因此，为了提高电能的有效利用率， GreenG

8、rid也提出了相应的修正：即 PUE=CLF（Cooling Load Factor）+PLF（Power Load Factor）+1（式4.4 可再生能源使用率 RER(Renewable Energy Ratio)这里所提到的可再生能源使用率（RER）:为可再生能源供电与数 据中心总耗电的比值。这里提到的可再生能源主要包括太阳能、风能、 水能、生物能和海洋能等。可再生能源不仅环保而且资源多且分布也很 广泛，是未来发展方向。可再生能源的使用率可用在平衡数据中心利用 可再生能源的情况，从而实现节能环保。5节能方向的探索5.1数据中心建设推荐采用的经济性PUE 10% 20%30%40% 50

9、% 70%30%90%60%图3 PUE曲线如图3所示。数据中心受可用性要求约制和TCO低要求的约制，现 在国内数据中心的电能利用效率较高，推荐电能用效率的范围为 1.8-1.6o(1)为了提高机房的节能，从基础的IT设备节能开始，使用低能 耗主设备是机房节能措施的关键步骤。关键因子IT设备的能耗占据了 数据中心机房的能耗的重要位置。同时,PUE标准也在逐渐被人们采用， IT设备的能耗也会随着PUE标准的推广，所占总能耗比重也会越来越 局Jo(2)空调设备节能选择采用空调系统针对节约能耗方面的综合解决方案对提升 中心 机房节能有很大的帮助。(3)供电系统节能选择采用更高效率的供电系统也能大大提

10、升数据中心的节能效果。5.3能耗数据的分析通过对能耗数据的分析，提高主要耗能设备的能耗效率。(1)多层次、多维度能耗分析整体能效评估,包括PUE值，单位业务量耗电，单位面积耗电等。设 备能效评估，包括主设备能效、动力系统能效、空调能效等。影响因素 分析，包括室内外温湿度、业务量等因素对能耗的影响等。(2 )利用聚类算法分析，实现节能1)可以对同种类别的设备进行归类，同时还需找到有能耗异常的耗能 设备；2)对影响因子进行聚类分析，不断地调整因素的值，得到能耗 优方案时再确定该因素的值；3 )同时对多个因素进行聚类分析，对比 发现不同的因素对能耗的影响；4 )递进聚类分析，通过对影响因素的 递进推

11、理和分析，再确定主要耗能因素。（3）分析能耗数据，对能耗进行标准模型建立从能耗预测仿真，能 耗告警，能耗动态优化3方面考虑，建立能耗标准模型。6安科瑞能耗统计分析（能源管理）解决方案6.1 概述建立高效的能耗监测管理系统，对建筑各类耗能设备能耗数据进行 实时测量，对采集数据进行统计和分析。能够合理的确定各区域建筑能 耗经济指标及绩效考核指标，发现能源使用规律和能源浪费情况，提高 人员主动节能的意识。搭建数据中心智慧能源管理系统的基本框架，对各个用能环节 进行实时监测； 排碳数据化：通过系统可实现建筑单位内人均能耗分析（包括 水、电、能量），实现低碳办公数据化； 区域能效比：实现建筑单位内区域能

12、耗对比，方便能耗考核； 同期能效比：实现同年、同期、同一区域能耗对比，方便节能 数据分析； 能耗评估管理：按照能源消耗定额标准约束值、标准值、引导 值进行分析单位面积能耗和人均能耗指标； 能耗竞争排名：各个功能区能耗对比，实现能耗排名，增强工 作人员的节能意识； 对能耗的使用数据进行综合的分析、统计、打印和查询等功能， 并根据能耗监测管理系统的需要可选择不同样式报表的打印。为能耗运 营管理部门提供可靠的依据； 能耗数据采集，随时查询，并根据采集数据进行统计分析，监测异常能源用量，对能源智能仪表故障进行报警，提高系统信息化、自 动化水平。6.2 平台部署硬件选型应用场景型号图片保护功能能耗管理云

13、平台AcrelCloud-5000一T- r 上 采用泛在物联、云计算、大数据、移动通讯、智 能传感等技术手段可为用户提供能源数据采集、 统计分析、能效分析、用能预警、设备管理等服 务，平台可以广泛应用于多种领域。智能网关短薮系列网管!I采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信 接口及一个或者多个上行网络接口，作为信息采 集系统中采集终端与平台系统间的桥梁，能够根 据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机 保护等设备终端的数据采集汇总，并使用相应的 规约转发现场设备的数据给平台系统。高压重要回路或低压进线柜APM810IIII具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网 络通讯等功能，主要用

14、于对电网供电质量的综合 监控诊断及电能管理。该系列仪表采用了模块化 设计，当客户需要增加开关量输入输出，模拟量 渝入输出，SD卡记录，以太网通讯时，只需在背 部插入对应模块即可。APM520三相全电量测量，2-63次谐波，不平衡度，大需 量,支持付费率，越限报警，S0E,4-20mA输出。LsalTX-JanI. TAEM96三相多功能电能表，均集成三相电力参数测量及 电能计量及考核管理，提供上24时、上31日以低压联络柜、出线柜ACRI20EL动力柜及上12月的电能数据统计。具有63次分次谐波 与总谐波含量检测，带有开关量输入和维电器输 出可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备报警 输出，可广

15、泛应用于多种控制系统，SCADA系统和 能源管理系统中。测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压， 有功、无功功率，电度，谐波等，并具备完善的 通信联网功能，非常适合于实时电力监控系统。DIN35m导轨式安装结构，体积小巧，能测量电能 及其他电参量，可进行时钟、费率时段等参数设 置，精度高、可靠性好、性能指标符合国标 GBT17215-2002 GB/T17883-1999 和电力行业标 准DL/T614-2007对电能表的各项技术要求，并且 具有电能脉冲输出功能；可用RS485通讯接口与 上位机实现数据交换。三相全电量测量，剩余电流、2Y3次谐波，支持 付费率，量值、电缆温度，可选2G/4G通讯。7结语系统地介绍了数据中心啮关研究的进展，IT设备和制冷设备的能耗 是数据中心机房的高耗能设备，也是数据中心高耗能的关键因素，如何 优化还需进行更多的研究。已经进行的和正在进行的探索只是很