數據中心節能和優化布局研究

周伏秋，谷立靜，孟 輝

（1.國家發展和改革委員會 能源研究所，北京 100038；2.低碳經濟技術中心，北京 100053）

1 數據中心概述

數據中心是一個聚集了大量服務器、存儲設備、網絡設備等IT設備的場所，是實現數據信息的集中處理、存儲、傳輸、交換、管理等業務的服務平臺。從物理層次看，數據中心主要由IT設備、配電系統和空調系統3部分構成。IT設備用于數據處理（服務器）、數據存儲（存儲設備）以及通信（網絡設備），是實現數據中心功能的核心部分。配電和空調系統用以保障IT設備系統的正常運行。配電系統用于直流與交流轉換，并確保為IT設備提供可靠的電源。空調系統保證IT設備在正常的溫度和濕度下工作。

數據中心的發展大致經歷了幾個階段。早期，計算機領域巨大的計算機房是數據中心的雛形。20世紀90年代，客戶端/服務器的計算模式逐步普及，服務器開始被單獨放置，數據中心開始流行。21世紀初，隨著互聯網的發展，互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）快速興起，所能提供的服務不斷升級。近年來，氣候變暖、能源緊張等問題，使數據中心面臨著降低能耗、節約成本的嚴峻挑戰，數據中心節能受到前所未有的關注，“綠色數據中心”的概念應運而生，并將成為數據中心新的發展方向。

2 我國數據中心用電迅速增長且布局不盡合理

數據中心用電由IT設備、空調系統和配電系統用電3部分組成。IT設備用電約占數據中心總用電量的50%，其中服務器占40%左右，存儲設備和網絡通信設備各占5%左右；空調系統用電約占40%；配電系統用電約占10%。

近年來，隨著國民經濟和社會信息化的快速推進，我國數據中心電耗迅速增長。研究結果表明：2009年，我國服務器保有量約為366萬臺，數據中心總耗電量約為364億kWh，占全社會用電量的1%。預測結果表明：未來10年里，我國數據中心很可能呈現爆發式增長。倘若未來數據中心電能利用效率仍維持在目前的水平，2015年我國數據中心用電量將達到1 000億kWh左右，大體相當于三峽電站一年的發電量，2020年將超過2 500億kWh。目前，我國數據中心大多集中于北京、上海、廣東等電力資源緊缺、電價較高、室外溫度較高的地區，一方面加大了當地供電壓力，增加了運行成本，另一方面，布局過于集中也埋下了安全隱患。加強數據中心節能和需求側管理，合理優化布局，是建設資源節約型社會的現實和迫切需要。

3 數據中心具有可觀的節電潛力

3.1 數據中心總體節能潛力

IT行業通常用“電能利用效率”（PUE，指數據中心總用電量與IT設備用電量之比）這一指標來評價數據中心的能效水平。目前，我國各類數據中心的PUE大多在2.0～2.5之間，平均2.2左右，少數采用了節電技術措施的降至1.6～1.8，表明我國數據中心用電具有可觀的節電潛力。

采用情景分析方法，對凍結情景、趨勢照常情景、優化布局情景、最佳實踐情景、前沿科技情景5種情景下我國數據中心能耗增長趨勢、“十二五”期間總體節能潛力的分析和測算結果表明：如各種相關節電技術措施能及時、普遍推廣應用，且合理優化數據中心布局，在前沿科技情景下，2015年全國數據中心總電耗可減少至377億kWh，即可節電600億kWh以上，相當于節約半個三峽電站的年發電量，其中，優化布局對實現上述節電潛力的貢獻率約為20%。

3.2 數據中心技術節能潛力

數據中心節能技術可分為IT設備節能技術、空調系統節能技術和配電系統節能技術3大類。

（1）IT設備節能技術包括節能型服務器、刀片式服務器、服務器的虛擬化技術、存儲虛擬化技術、自動精簡配置技術、重復數據刪除技術、網絡構架節能。

（2）空調系統節能技術眾多，大體可分為5類。①利用自然冷源的節能技術，例如：熱管空調技術、空氣側節能裝置、水端節能器；②空調形式節能，如：中央空氣處理裝置、直接液冷空調、機架式空調、高熱密度空調等；③節能空調設備，如：高效冷水機組和高效機房空調；④氣流組織優化；⑤智能控制技術，如：空調系統虛擬運行技術、濕度控制技術。

（3）配電系統節能技術主要有高效UPS、UPS虛擬運行和改變服務器供電方式等技術。

關于我國數據中心技術節能潛力的分析結果表明：IT設備系統的綜合技術節能潛力大約在11%～39%之間，平均為25%；空調系統的技術節能潛力在4%～69%之間，平均為36%；配電系統的綜合技術節能潛力在8%～27%之間，平均為18%。如果數據中心在IT設備、空調系統和配電系統方面均采用一定的節能技術，則可能實現的綜合技術節能潛力在13%～57%之間，平均為35%。

4 數據中心優化布局的必要性和可行性

受經濟發展水平、業務量等因素的影響，目前我國數據中心大多集中在北京、上海、廣東三地。與之相比，西部和東北一些省份具有電力資源豐富、電價地價較低、氣溫較低、自然冷源較多等優勢。數據中心向這些地區轉移，一方面可有效緩解電力緊張壓力，降低建設和運行成本；另一方面可以減輕電力、煤炭的遠距離輸送壓力，提高能源、資源利用效率，同時還可促進相關地區優化產業結構，帶動當地信息服務產業發展。

數據中心的優化布局，需要綜合權衡和考慮資源稟賦、氣候條件、資源價格、政策環境、基礎設施、配套產業、人力資源、企業意愿、社會穩定等諸多因素。綜合考慮上述因素，選取重慶、四川、陜西、青海、寧夏、甘肅、內蒙古和黑龍江8個省（區、市）進行了優化布局的可行性分析。分析結果表明：

（1）承接數據中心轉移布局客觀條件（電力資源、氣候條件、電力價格、土地價格）比較好的省份依次是：內蒙古、青海、寧夏、黑龍江、甘肅、陜西、四川和重慶。

（2）承接數據中心轉移布局軟硬環境（政策環境、基礎設施、人力資源、信息服務產業發展）比較好的省份依次是：重慶、陜西、四川、黑龍江、甘肅、內蒙古、青海、寧夏。

（3）在節能和成本方面比較有優勢的地區，在政策環境、基礎設施等方面較差，反之亦然。綜合條件較好的省份是黑龍江和甘肅。如果國家近期開展優化布局試點，建議優先考慮這2個地區。

（4）內蒙古客觀優勢明顯，國家可以考慮給予政策傾斜，引導數據中心向該地區布局。青海、寧夏客觀優勢也比較明顯，但基礎設施、產業發展方面較為滯后，可以在其發展較好的城市加快配套設施建設，為承接數據中心優化布局奠定基礎。陜西具備一定的成本優勢，且軟硬環境較好，對于數據中心服務商、網絡服務商來說，也是較好的備選地區。

5 數據中心優化布局的效益分析

選取典型數據中心，對其優化布局的節能和經濟效益進行了量化分析。分析結果顯示：

（1）單純考慮氣候因素對數據中心空調負荷的影響，則優化布局的節能效果微弱。但是考慮采用自然冷卻空調技術后，氣候因素帶來的節能效果明顯。以熱管空調技術為例，同樣的數據中心使用該項技術，在華南地區（如：深圳），空調系統節能率僅為14%，而在年均氣溫較低的西北和東北地區（甘肅、青海、寧夏、內蒙古、黑龍江），節能率可達50%以上，青海地區節能率高達70%～80%。就數據中心整體而言，該技術可使東部地區和西部的重慶、四川、陜西等地數據中心實現節能10%～20%，PUE降至1.6～1.7；可使年均氣溫較低的西部和北部地區數據中心實現節能20%～30%，PUE降至1.6以下。可見，如果采用自然冷卻空調技術的數據中心從華中、華南等地轉移到西北和東北一些地區，則可使數據中心整體能耗再多降10%左右，其中西寧地區可再多降16%。這些增加的降幅便是氣候因素帶來的節能效果。

（2）西部的甘肅、青海、寧夏、內蒙古四省電價優惠，數據中心從上海轉移到這些地區后運行成本節約效益顯著。如果都按照商業電價考慮，可節約17%～37%；如果都按照大工業電價考慮，可節約35%～55%，兩方面都是青海地區的節約率最高。如果都按照商業電價考慮，數據中心從上海轉移到陜西和黑龍江兩省，也可節約運行成本8%，但轉移到四川和重慶，運行成本則會增加。如果都按大工業電價考慮，則陜西、黑龍江、四川、重慶四省也都有較好的運行成本節約效果，轉移到陜西和黑龍江可節約25%以上，轉移到四川和重慶可節約10%以上。可見，西部地區在大工業電價方面更具優勢。特別地，一些運營性的數據中心在東部地區常常不易獲得工業電價的待遇，而到西部地區則比較容易獲得，所以對數據中心運營企業來說，這種優化布局的成本節約效益將更為突出。

（3）如果僅從節能效益和成本效益來考量，最適宜數據中心優化布局的地區是青海，其次是甘肅、內蒙古、寧夏和黑龍江。西部的重慶、四川和陜西等地因年均溫度較高，節能效益與華中地區相當，好于華南地區，不如華北地區，所以，單從節能效果看，重慶、四川和陜西不是首選的數據中心優化布局地區。但是由于其電價方面較東部部分地區尚有一定優勢，特別是大工業電價方面優勢較大，所以從運行成本角度看，也可以作為運營性數據中心企業備選的布局區域。

（4）我國70%的服務器都放置在設備間和小機房級別的數據中心中。對數據中心的建設地域進行合理選擇的同時，還應考慮將數據中心資源進行整合，盡量減少分散的小機房，引導其租用大型數據中心的服務，以形成一定的規模效益，進一步降低能耗。資源整合也是優化布局的一個方面。

對2種情形下數據中心優化布局的規模效益進行了定量分析：第一種情形是將面積在100m2量級上下的小型數據中心（如：政府、學校、醫院等機構的機房）整合為大型數據中心；第二種情形是將面積在20m2左右的小機房（如：中小型企事業單位的服務器間）整合為大型數據中心。分析結果顯示：將小型數據中心整合為大型數據中心時，可實現初投資節約31%，運行能耗節約19%，運行成本節約29%；將設備間、機房整合為大型數據中心時，可實現初投資節約71%，運行能耗節約26%，運行成本節約53%。

6 政策建議

盡管我國數據中心具有可觀的節電潛力，但目前還缺乏國家、行業層面的強制性標準和激勵性政策等推進措施，建議通過采取一攬子措施加以推動。

（1）制訂和完善數據中心相關能效標準

一是修訂現有的數據中心機房設計規范，使其更符合節能需要，如：適當提高機房室內設計溫度等。目前，有些數據中心按照《公共建筑節能設計標準》進行設計，機房保溫過好，反而影響散熱，應盡快制定出臺適宜數據中心的建筑設計標準，或在已有相關規范中補充相關設計條文。

二是盡快制定出臺服務器能效標準，逐步制定出臺存儲、網絡設備等其它IT設備能效標準。

三是研究制定數據中心能效標準，規定數據中心及其所用設備的能效水平。目前數據中心能效多用PUE來衡量，但該指標只能反映空調、配電及其它輔助系統的能效水平，無法反映IT設備的能效水平，不夠全面。

（2）建立數據中心能效檢測和標識機制

一是委托獨立的檢測機構，對數據中心IT設備的能效進行標識，結合能效標準，限制低能效設備進入市場，推行高能效設備。

二是委托獨立的評估機構，對擬建數據中心的能效進行評估，不符合能效標準的不允許開工建設。對現有數據中心開展能效檢測，達不到入門標準的，要求盡快整改。

三是研究制定綠色數據中心評價體系，為開展綠色數據中心試點和推廣提供基礎，并依據該體系對數據中心的綠色級別進行評定和認證。綠色數據中心評價體系應是一個綜合全面的體系，同時考慮節能與環保，涉及建設、運行、管理等方面，綠色數據中心的各個設備和系統應該同時符合其各自的能效標準要求，并使數據中心整體達到較高的能效水平。

（3）數據中心節能技術研發、示范和推廣

鼓勵、支持數據中心節電技術的研發，對前沿技術組織科技攻關，為數據中心節電提供堅實的技術支撐。組織開展綠色數據中心示范工程，示范應用各種數據中心節電技術，并對各技術的節電潛力進行實際測評。在示范的基礎上，推廣應用潛力大、經濟性好的技術，如：利用自然冷源的空調技術，IT設備及空調、配電系統的虛擬運行技術等。

（4）組織開展數據中心優化布局試點

建議先考慮在氣候條件較適宜、基礎設施比較完善的黑龍江、甘肅地區開展試點，引導現有部分數據中心和擬新建數據中心向西部和北部適宜的地區布局，同時引導相關基礎設施（電網、寬帶、通信網絡等）向試點地區加快發展。此外，組織開展數據中心整合試點，選取特定區域或行業，通過采取能效準入等措施，引導當前分散的數據中心進行資源整合，形成規模效益。

（5）制定和實施數據中心節能財政激勵政策

將節能型IT設備納入政府采購目錄，引導全社會購買和使用節能型IT設備；對購買節能型IT設備的單位給予財政補貼；對數據中心能效達到先進水平的單位給予財政獎勵；對采用合同能源管理方式進行數據中心節能改造的單位給予財政獎勵。