數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)能效管理

李小軍

摘要：本文討論了影響數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)PUE值的幾個(gè)主要因素，提出了數(shù)據(jù)中心基于PUE值的運(yùn)營(yíng)管理方法。通過對(duì)鳳翔IDC的 PUE評(píng)估實(shí)例，從IT設(shè)備、空調(diào)、電源、維護(hù)四個(gè)方面提出改進(jìn)方案，優(yōu)化系統(tǒng)配置，提升數(shù)據(jù)中心的能效管理水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；能效管理；PUE

一、數(shù)據(jù)中心能效管理

數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，在數(shù)據(jù)中心向高密度、高可靠性發(fā)展的同時(shí)，高能效也成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的一個(gè)方向。

數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)已占到總運(yùn)營(yíng)成本的60%左右，探討和研究數(shù)據(jù)中心的能效改善問題已經(jīng)不容忽視。為引導(dǎo)和規(guī)范全球IT 行業(yè)的節(jié)能，綠色網(wǎng)格組織提出了 PUE（Power Usage Effectiveness）能效指標(biāo)的概念。

PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗能耗/IT設(shè)備總能耗，其中數(shù)據(jù)中心總能耗=IT設(shè)備能耗+制冷設(shè)備能耗+供配電能耗+其他能耗。

該指標(biāo)反映了數(shù)據(jù)中心的總體能源使用效率，越接近1表示能效利用率水平越高。

工業(yè)和信息化部在《“十三五”國家信息化規(guī)劃》明確提出：到2020年，新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心PUE值不高于1.4，已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)中心PUE值需下降8%。工業(yè)和信息化部在《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案的通知》中要求技術(shù)與管理并行，以提升國內(nèi)數(shù)據(jù)中心能效水平，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)中心實(shí)施能效管理的必要性和緊迫性。這要求數(shù)據(jù)中心不但要在設(shè)計(jì)規(guī)劃前期要充分考慮PUE要素，在后期運(yùn)營(yíng)中更要不斷分析評(píng)估PUE，制定行之有效的節(jié)能對(duì)策。

二、鳳翔IDC 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)中心能效管理是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要根據(jù)IT設(shè)備的實(shí)際負(fù)載對(duì)各系統(tǒng)配置不斷優(yōu)化，對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行持續(xù)調(diào)整，但前提是首先要實(shí)地勘測(cè)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來制定對(duì)策。

測(cè)試主要內(nèi)容：

1.測(cè)試并記錄IT 設(shè)備功耗：記錄鳳翔IDC的6、7 樓機(jī)房交流配電柜的瞬時(shí)電壓，電流，有功功率及無功功率；記錄4、5樓高壓直流配電柜的瞬時(shí)電壓，電流及功率；

2.測(cè)試并記錄精密空調(diào)的能耗：記錄4到7 樓IDC 機(jī)房專用空調(diào)的瞬時(shí)電壓，電流，有功功率及無功功率；

3.測(cè)量并記錄1樓、3樓動(dòng)力機(jī)房供電、空調(diào)設(shè)備能耗：記錄3樓UPS、1樓中恒高壓直流系統(tǒng)的輸入/輸出端瞬時(shí)電壓，電流及有功功率，以及空調(diào)的瞬時(shí)電壓，電流，有功功率及無功功率。

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中還需注意可能影響到結(jié)果的兩個(gè)關(guān)注點(diǎn)，一是IT設(shè)備負(fù)載可能會(huì)有波動(dòng)，要盡量選擇設(shè)備負(fù)載比較穩(wěn)定時(shí)開始測(cè)試，在機(jī)房用電高峰期還要加大測(cè)試密度，二是需考慮從列頭柜至IT 設(shè)備的線路損耗，在計(jì)算IT設(shè)備準(zhǔn)確功耗時(shí)需乘以修正因子。

三、PUE值分析

鳳翔IDC本次共做了10輪現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試。

經(jīng)過綜合計(jì)算，鳳翔IDC機(jī)房的PUE平均值為1.843。從測(cè)試結(jié)果來看，鳳翔IDC機(jī)房的PUE值為1.843，能源利用率高于數(shù)據(jù)中心的能效推薦區(qū)間，屬于能耗偏高。另外，從鳳翔IDC能耗構(gòu)成來看，IT 設(shè)備能耗占比為55%，是機(jī)房主要能耗，其次是空調(diào)制冷的能耗占39%，供配電能耗占比為6%，實(shí)測(cè)供電設(shè)備效率均為90%左右。

四、節(jié)能方案

在數(shù)據(jù)中心開展PUE運(yùn)營(yíng)節(jié)能管理相當(dāng)重要，而數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備部署數(shù)量是由少到多，功率密度從低到高，能源效率會(huì)隨IT負(fù)荷變化而變化，因此PUE運(yùn)營(yíng)是一個(gè)長(zhǎng)期而持續(xù)的過程，需不斷采集分析的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后依據(jù)實(shí)際負(fù)載同步做匹配優(yōu)化，動(dòng)態(tài)地調(diào)整機(jī)房精密空調(diào)的運(yùn)行方式、配電系統(tǒng)參數(shù)等。

根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果，鳳翔IDC的能源利用率偏低，其中IT 設(shè)備和空調(diào)制冷是該數(shù)據(jù)中心的主要能耗，下面分別從IT設(shè)備選型、空調(diào)、電源系統(tǒng)優(yōu)化、維護(hù)管理四個(gè)方面制定節(jié)能方案。

4.1 降低 IT設(shè)備的能耗

根據(jù)能效瀑布原理研究模型表明，IT設(shè)備每節(jié)省1w的能耗，數(shù)據(jù)中心的整體能耗將減少2.84W，從源頭提高IT設(shè)備的能效是最有效率節(jié)能舉措，鳳翔IDC的 IT 設(shè)備占比高達(dá)55%，采用低能耗IT設(shè)備是節(jié)能的關(guān)鍵所在。

云計(jì)算通過共享軟硬件資源和信息，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度按需分配。通過引入云計(jì)算，IT資源集中共享，統(tǒng)一計(jì)算、統(tǒng)一存儲(chǔ)，在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)下的彈性調(diào)度和按需分配，實(shí)現(xiàn)分層分級(jí)管理和全網(wǎng)設(shè)備資源的統(tǒng)一管理，通過資源共享實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。其次，虛擬化技術(shù)是在硬件之上構(gòu)建一個(gè)虛擬化平臺(tái)，通過時(shí)分復(fù)用、邏輯綁定等多種調(diào)度形式，優(yōu)化整合資源，實(shí)現(xiàn)物理資源和資源池的動(dòng)態(tài)共享及調(diào)整，將IT資源分配給最需要它們的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的高效復(fù)用，減少閑置服務(wù)器空轉(zhuǎn)造成的能源浪費(fèi)。另外，虛擬化過程中結(jié)合采用節(jié)能型IT設(shè)備，如服務(wù)器具備支持休眠和降頻功能的CPU、大顆粒的內(nèi)存顆粒、支持休眠功能的硬盤等等，將進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心的能耗水平。

我公司建設(shè)的營(yíng)銷系統(tǒng)桌面云，實(shí)現(xiàn)了辦公終端設(shè)備簡(jiǎn)化，僅用10臺(tái)PC服務(wù)器就取代350臺(tái)PC終端，桌面上只保留了顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤。從原辦公電腦平均功耗105kw，到新的瘦身終端功耗只有35kw，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。

4.2 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化

我公司組織專業(yè)廠家對(duì)鳳翔IDC機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)機(jī)房氣流組織，溫度場(chǎng)分布及布局合理性做出綜合評(píng)估，發(fā)現(xiàn)機(jī)柜間有氣流亂流的現(xiàn)象，同時(shí)由于機(jī)房?jī)?nèi)各機(jī)柜設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中功耗不同，還存在局部高發(fā)熱密度區(qū)域。

根據(jù)多次流體分析計(jì)算的結(jié)果，我公司安排工程項(xiàng)目做了空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技改，在“面對(duì)面、背對(duì)背”布置形式的基礎(chǔ)上，在冷通道兩端加裝通道門，大幅減少氣流短路和冷熱氣流混合損失，并根據(jù)各列的散熱量不同對(duì)冷風(fēng)分配進(jìn)行一定的控制，其次調(diào)整了空調(diào)的安裝位置，并增加風(fēng)管系統(tǒng)將冷氣直接輸送到發(fā)熱機(jī)柜上方，均衡送風(fēng)口的風(fēng)量，把冷風(fēng)直接輸送到高熱區(qū)域?qū)υO(shè)備進(jìn)行冷卻。

另外，鳳翔IDC 機(jī)房七層樓共配置了32臺(tái)為機(jī)房精密空調(diào)，設(shè)計(jì)制冷功率1200KW，而機(jī)房熱負(fù)荷=設(shè)備熱負(fù)荷+建筑熱負(fù)荷=620+135=755KW，空調(diào)功率余量0.59，空調(diào)制冷量冗余偏大。我們安排項(xiàng)目做了空調(diào)群控改造，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)空調(diào)共享數(shù)據(jù)，自動(dòng)輪巡，避免空調(diào)間的競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)行，改造后機(jī)房?jī)?nèi)的冷量分布均勻，實(shí)現(xiàn)按需配置空調(diào)的數(shù)量，提高了空調(diào)系統(tǒng)的整體效率。

經(jīng)測(cè)算，經(jīng)過上述改造后空調(diào)系統(tǒng)平均節(jié)電率約為17%。

4.3 采用高效電源設(shè)備

240V高壓直流供電系統(tǒng)相比傳統(tǒng)UPS減少了逆變器的損耗，供電效率較UPS有顯著提高，同時(shí)因其采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)輸出負(fù)載的大小，現(xiàn)場(chǎng)值守人員靈活控制調(diào)配模塊的開機(jī)運(yùn)行數(shù)量，從而使高壓直流系統(tǒng)的負(fù)載率始終保持在較高的水平，其效率可超過95%。

2015年鳳翔IDC在4、5樓擴(kuò)容時(shí)采用了中恒的高壓直流電源系統(tǒng)，從投入運(yùn)行后的對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，高壓直流系統(tǒng)不僅可以明顯的減少初期建設(shè)投資，實(shí)際節(jié)電效果約10%。

4.4 基于PUE的運(yùn)維管理

我公司新部署一套可視化機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)，集成了基于流量統(tǒng)計(jì)的機(jī)房模塊級(jí)PUE算法，能夠?qū)崟r(shí)直觀展現(xiàn)新建機(jī)房的動(dòng)態(tài)PUE值，為PUE優(yōu)化提供了精確的計(jì)量手段。

另外，還引入能效管理制度，建立以周為單位的運(yùn)營(yíng)日志管理體系，一方面根據(jù)機(jī)房IT負(fù)載的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，另一方面還可以分析每周數(shù)據(jù)差異和能耗變化原因，及時(shí)采取節(jié)能措施來不斷提升PUE。

五、總結(jié)

數(shù)據(jù)中心能效管理是一項(xiàng)貫穿全生命周期的系統(tǒng)管理工程，需要綜合考慮投資、建設(shè)、運(yùn)維、安全等因素，必須合理規(guī)劃，精細(xì)運(yùn)營(yíng)，跨專業(yè)協(xié)作，持續(xù)優(yōu)化才能真正達(dá)成能效管理目標(biāo)。

控制IT設(shè)備的功耗將獲得極佳的節(jié)能投資效益比，鳳翔IDC主要手段是采用云計(jì)算和硬件虛擬化；空調(diào)能耗占比僅次于主設(shè)備，也是節(jié)能關(guān)注的重點(diǎn)，冷熱通道隔離實(shí)現(xiàn)“先冷設(shè)備，后冷環(huán)境”，改善氣流組織，結(jié)合空調(diào)群控能提升大幅空調(diào)系統(tǒng)的整體效率；采用240V高壓直流供電系統(tǒng)，根據(jù)IT設(shè)備的實(shí)際功率需求來動(dòng)態(tài)調(diào)整投入的開關(guān)電源的模塊數(shù)量，提高電源系統(tǒng)的效率。

我公司通過鳳翔IDC數(shù)據(jù)中心PUE運(yùn)營(yíng)管理，持續(xù)優(yōu)化各系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，不斷提升數(shù)據(jù)中心的能源使用效率，PUE值從原來的1.843逐步提高到1.657，能耗下降了10.1%左右，總體能耗成本顯著降低。

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（作者單位：中國電信股份有限公司海南公司）