高校數據中心機房綠色運維服務的實踐探索

許熠堃 譚欣晨

高校數據中心機房綠色運維服務的實踐探索

許熠堃 譚欣晨

[廈門大學]

近年來，伴隨5G、AI等新技術的興盛，高校數據中心的發展按下了加速鍵，早期建設的數據中心機房日益不再符合新形勢下綠色低碳、可持續發展的要求，需要借助節能改造實現集約化、高能效轉變。文章以某高校綠色機房運營保障服務項目為例，在實現“雙碳”目標背景下，探討如何通過采用委托運維方式進行節能改造，降低數據中心機房運維成本，實現綠色發展。

數據中心機房；運維管理；節能

高校數據中心機房集成了信息化運算、數據存儲和網絡通信等軟硬件設備設施，為高校提供了一個高性能、可靠的信息應用環境，其基礎設施（包括供電、制冷、不間斷電源、空調等系統）的安全、平穩運行是保障業務系統持續運行的必要條件。近年來，伴隨高校教學科研活動的開展，大數據、云計算、物聯網、人工智能等新技術的深入應用，機房設備數量不斷擴增，數據中心機房體量越來越大，能源消耗也隨之增長。在落實國家“雙碳”戰略，推進綠色低碳轉型的大背景下，高校作為碳減排、碳零排關鍵技術研究和科技創新的主力軍，應當通過數據中心機房綠色智慧運維，加強在能源的綠色開發、低碳利用、減污降碳等方面的應用，助力“雙碳”目標的實現。

一、推動數據中心機房綠色發展的重要意義

黨的二十大報告中明確提出，實現高質量發展是中國式現代化的本質要求之一，高質量發展是全面建設社會主義現代化國家的首要任務。實現高質量發展必須要推動經濟社會發展綠色化、低碳化，必須站在人與自然和諧共生的高度謀劃，加快發展方式綠色轉型。2023年2月，中共中央、國務院印發的《數字中國建設整體布局規劃》指出要加快數字化綠色化協同轉型，建設綠色智慧的數字生態文明。各類意見及方案的提出，為落實“雙碳”目標指明了政策方向，同時也為數字化引領綠色發展建設擘畫了藍圖。

數據中心作為數據處理所需算力的載體，已成為我國數字化轉型發展的關鍵信息基礎設施和重要數字戰略資源，同時也已成為我國主要的碳排放源之一。國際環境保護組織綠色和平與工業和信息化部電子第五研究所計量檢測中心（廣州賽寶計量檢測中心）聯合發布的《中國數字基建的脫碳之路：數據中心與5G減碳潛力與挑戰（2020-2035）》預測：到2035年，中國數據中心和5G總用電量約是2020年的2.5-3倍，預計將達6951-7820億千瓦時，將占中國全社會用電量5-7%。同時，2035年中國數據中心和5G的碳排放總量將達2.3-3.1億噸，約占中國碳排放量的2-4%，其中數據中心的碳排放將比2020年增長最高103%。面對碳排放迅速增長的預期，數據中心提升能效、降低碳排放并全面向可再生能源轉型的進程刻不容緩，綠色低碳已成為數據中心建設的應有之義。

二、綠色運維是實現數據中心綠色發展的有效途徑

高校數據中心機房除了必不可少的IT負載（本文未涉及數據生產設備，故不做相關論述），還包括為了支持這些IT設備正常運行，需要在數據中心機房中配套的UPS供電系統、空調系統和照明系統等動力及運行環境保障系統。機房運行環境所需的功耗約為IT設備功耗的1-1.8倍左右，以一個典型的數據中心為例，在初期建設時，制冷設備一般僅占投資額的6%，但均為24小時運行，其后期的電費支出卻能占到整個數據中心電費支出的38%，是不折不扣的能耗之源。[1]

信息化技術的迅猛發展，對數據中心機房的服務保障提出了更高的要求。運維保障服務不同于“傳統建設+維保服務”，它是以按需擴容模塊化的形式對機房的基礎建設與保障提供服務，不對機房的正常運行造成影響。運維保障服務模式的前期建設及后期維護管理全部由服務商提供，使用方不再需要承擔日常巡查、值班值守、專業學習、備件備品儲備、建立機房緊急事件相應機制等繁瑣的內部管理職責，僅需在每年或者季度末按照約定的考核辦法對服務商進行績效評價，根據整體機房保障面積或負載末端接入的用電量支付對應的托管服務費。通過購買安全保障等級享受相應的保障服務，可以大大節約基礎運行環境建設支出和人員管理費用。數據中心機房綠色運維服務保障，“綠色”體現在整體的設計規劃以及機房空調、UPS、服務器等IT設備、管理軟件等軟硬件配置上，即“嚴格適配原則，少消耗即少排放”。

在已經頒布的數據中心性能指標中最常見的是電能使用效率PUE，在我國，PUE不但是數據中心研究、設計、設備制造、建設和運維人員最為熟悉的數據中心能源效率指標，也是政府評價數據中心工程性能的主要指標。[2]PUE是數據中心的總體能耗較IT設備實際使用能耗的倍率，該值越小越好。PUE指標對數據中心機房的真正作用，并不僅僅體現在直接考量機房是否節能，更為重要的是體現機房管理者對機房節能的管理水平，如何讓數據中心機房實現高效、清潔、集約、循環的綠色發展。數據中心機房容量變化很難做太長時間的估算，冗余過多是浪費，估算不足導致機房重建浪費更大，采用運維保障服務有效解決了機房建設初期規劃與實際未來發展的矛盾，同時針對不用機房制定不同的實施方案，通過績效考核有效實現能效管理的目標。運維保障服務通過對機房全生命周期的管理，采用持續優化資源配置、機房改造擴容、集約化的管理方式、標準化的結構體系，達到各系統之間的均衡，是實現數據中心機房綠色發展的有效手段。

三、高校數據中心機房綠色運營保障服務模式應用案例

X大學機房總面積為430㎡，劃分為3個功能區：中心機房230㎡，托管機房120㎡，UPS配電間80㎡，采用機房硬環境運維保障服務的模式：即學校僅提供機房場地、電力及水源的環境條件，由服務商出資建設機房硬環境，并提供持續的運維管理，保障各項機房運行環境指標能持續達到雙方約定要求，學校根據考核情況按年度支付服務商運維費用，項目經過10年運維管理，機房的“綠色”成效得到充分的貫徹與體現。

（一）經濟效益明顯

從實際使用情況看，機房10年期間主要有三次較大擴容，分別在2012年、2016年、2019年，UPS主機容量經歷了2*60KVA、2*160KVA、2*300KVA（UPS自身消耗功率按照10%計算），三個階段，機房空調系統制冷量也從120KW（用電功率40KW）到240KW(用電功率80KW)再到350KW(用電功率117KW)同步進行擴容。（備注： IT設備負載根據學校的需求逐步增加因此不計入本次能耗核算） 下面將按照這三個階段對比“傳統一次性建設”和“運維保障服務”,從支持機房硬環境的設備（UPS、空調、輔助用電）進行能耗統計分析對比來看（能耗計算公式：能耗=用電設備功率KW*24小時*365天)：

1.傳統一次性建設模式

傳統一次性建設按照UPS系統：2*300KVA 空調系統總制冷量：350KW一次性建設到位，該模式能耗情況詳見表1。

表1 傳統一次性建設模式設備能耗

2.運維保障服務模式

按需擴容：2012年-2016年-2019年，UPS主機容量從2*60KVA-2*160KVA-2*300KVA(UPS自身消耗功率按照10%計算)三個階段，機房空調系統制冷量從120KW（用電功率40KW）-240KW(用電功率80KW)-350KW(用電功率117KW)同步進行擴容，該模式能耗情況詳見表2。

表2 運維保障服務模式設備能耗

通過以上數據對比可得出：采用運維保障服務的模式較傳統一次性建設在機房能耗上可節省6570000KWH,根據當地居民生活用電單價0.5483元每度電（KWH）,從經濟效率上可節能超過360萬元。從人力成本效益方面，若采用傳統建設及自營，機房管理者需要具備UPS、空調、綜合布線、消防、防雷等不同專業的技術能力，至少需要2個專業管理人員，按照2012年-2022年10年平均社評工資：6439元/人，2人*120個月*6439元，采用運維模式，10年間人力成本可節省約154萬元。按照10年的對比方案，在投入資金成本和人力成本可節約500多萬元。

（二）節能效果顯著

對于機房硬環境來說，本項目不涉及IT負載設備，對能耗管理主要是針對空調、UPS等其他要素，對此，本項目在外圍護結構（密閉、遮陽、保溫等）、設備布局規劃、制冷架構、供電布局等方面進行針對性優化。

1.防護結構設計

機房采用密閉設計進行建設，機房內部形成一個正壓環境，機房外部為負壓環境，保持機房潔凈度和恒溫恒濕。機房墻體采用防火巖棉彩鋼板敷設，巖棉采用具有防火、保溫、屏蔽、降噪等作用；機房頂部采用微孔鋁扣板敷設，具有阻燃、防塵、自我清潔降噪作用。

2.設備布局規劃

機房機柜采用“面對面”+“冷通道密封”形成一個冷通道微模塊，將整體機房劃分為若干個獨立的機房微生態模塊，分離且共生。根據硬件類型、軟件類型要求每個微模塊內部通過靈活調整僅滿足當前設備運行配電功率和制冷量，避免造成無效資源堆砌導致浪費，實現能效比的最大化。通過預制+管理+擴容的方式配置不同應用場景、不同區域機房環境各系統獨立運行策略，在滿足設備運行要求的同時，實現了資源的合理優化配置，減低了設備能耗。

3.制冷架構設計

機房空調外機設計因地制宜，綜合考慮遮陽與周圍環境協調統一，選擇在機房外部綠化區域放置空調外機，此區域為回字形綠化區域，四周群樓有效解決了太陽上午東曬和下午西曬的問題，同時高聳的棕櫚樹形成一道天然屏障阻擋了中午太陽直射。很大程度上提高了外機的散熱及制冷效率，并延長了使用壽命。采機房用風道精準送風與共用冗余雙管齊下，在冷通道微模塊的基礎上進一步減少能耗的損失并提高了空調設備的利用率，同時采用封閉冷通道對機房的冷、熱風進行隔離，通過對氣流的組織管理，有效地提高了空調制冷效率。根據測算，封閉冷通道使能源節約達到30%以上。

4.供電設備

整體機房供配電及UPS電源連續系統采用A級機房容錯的方式，兩套完全獨立的供電系統確保了機房高可用性和高可靠性。“按需擴容”是運維保障服務主要特色之一，最大程度實現了機房節能降耗，解決了機房初期小負載與未來大規劃之間的矛盾。運維服務商按照機房實際負載配置對應的動力設備功率與數量，隨著機房信息化業務的發展，采用按需擴容的方式提供運維保障服務。

采用機房運維保障服務通過模塊化的建設以及對應配套適合的動力設備，不會因過量的冗余，導致無效的能耗損失。實踐證明，采用機房運維保障服務，無需采用任何新技術節能措施時，10年間平均PUE值可簡單地達到1.65以下。經過進一步優化，現階段，該機房的PUE指標在1.4左右，低于全國超大型數據中心平均PUE值（1.46），逐步向1.3以下的目標邁進。

四、結語

我國數字經濟發展進入新時代，數字中國建設如火如荼。在推進產業數字化轉型過程中，綠色低碳轉型也是不可忽視的重要一環。通過對機房的運行管理實現節能降碳的新模式，可以為高校提升其信息化基礎設施并使其管理方式更靈活化、多樣化，更為重要的是，通過綠色運維保障服務的示范帶動作用，推動傳統產業轉型升級和創新發展，助力實現碳達峰碳中和目標任務。

[1]海陽. 為機房貼上節能標[J].中國計算機用戶,2005(21):41.

[2]殷平.數據中心研究（4）:關鍵性能指標、電能使用效率PUE和EEUE[J].暖通空調, 2017,47(04): 36-45.

(責任編輯:趙鵬程)