论文部分内容阅读
摘要：本文讨论了影响数据中心能效指标PUE值的几个主要因素，提出了数据中心基于PUE值的运营管理方法。通过对凤翔IDC的 PUE评估实例，从IT设备、空调、电源、维护四个方面提出改进方案，优化系统配置，提升数据中心的能效管理水平。
关键词：数据中心；能效管理；PUE
一、数据中心能效管理
数据中心已经成为当今全球经济发展的基石，在数据中心向高密度、高可靠性发展的同时，高能效也成为数据中心发展的一个方向。
数据中心的电费已占到总运营成本的60%左右，探讨和研究数据中心的能效改善问题已经不容忽视。为引导和规范全球IT 行业的节能，绿色网格组织提出了 PUE（Power Usage Effectiveness）能效指标的概念。
PUE=数据中心总能耗能耗/IT设备总能耗，其中数据中心总能耗=IT设备能耗+制冷设备能耗+供配电能耗+其他能耗。
该指标反映了数据中心的总体能源使用效率，越接近1表示能效利用率水平越高。
工业和信息化部在《“十三五”国家信息化规划》明确提出：到2020年，新建大型云计算数据中心PUE值不高于1.4，已经建成的数据中心PUE值需下降8%。工业和信息化部在《国家绿色数据中心试点工作方案的通知》中要求技术与管理并行，以提升国内数据中心能效水平，强调数据中心实施能效管理的必要性和紧迫性。这要求数据中心不但要在设计规划前期要充分考虑PUE要素，在后期运营中更要不断分析评估PUE，制定行之有效的节能对策。
二、凤翔IDC 数据采集
数据中心能效管理是一个系统工程，需要根据IT设备的实际负载对各系统配置不断优化，对运行参数进行持续调整，但前提是首先要实地勘测采集运行数据，然后再根据数据分析结果来制定对策。
测试主要内容：
1.测试并记录IT 设备功耗：记录凤翔IDC的6、7 楼机房交流配电柜的瞬时电压，电流，有功功率及无功功率；记录4、5楼高压直流配电柜的瞬时电压，电流及功率；
2.测试并记录精密空调的能耗：记录4到7 楼IDC 机房专用空调的瞬时电压，电流，有功功率及无功功率；
3.测量并记录1楼、3楼动力机房供电、空调设备能耗：记录3楼UPS、1楼中恒高压直流系统的输入/输出端瞬时电压，电流及有功功率，以及空调的瞬时电压，电流，有功功率及无功功率。
在现场测试过程中还需注意可能影响到结果的两个关注点，一是IT设备负载可能会有波动，要尽量选择设备负载比较稳定时开始测试，在机房用电高峰期还要加大测试密度，二是需考虑从列头柜至IT 设备的线路损耗，在计算IT设备准确功耗时需乘以修正因子。
三、PUE值分析
凤翔IDC本次共做了10轮现场实际测试。
经过综合计算，凤翔IDC机房的PUE平均值为1.843。从测试结果来看，凤翔IDC机房的PUE值为1.843，能源利用率高于数据中心的能效推荐区间，属于能耗偏高。另外，从凤翔IDC能耗构成来看，IT 设备能耗占比为55%，是机房主要能耗，其次是空调制冷的能耗占39%，供配电能耗占比为6%，实测供电设备效率均为90%左右。
四、节能方案
在数据中心开展PUE运营节能管理相当重要，而数据中心的IT设备部署数量是由少到多，功率密度从低到高，能源效率会随IT负荷变化而变化，因此PUE运营是一个长期而持续的过程，需不断采集分析的实时数据，然后依据实际负载同步做匹配优化，动态地调整机房精密空调的运行方式、配电系统参数等。
根据本次测试结果，凤翔IDC的能源利用率偏低，其中IT 设备和空调制冷是该数据中心的主要能耗，下面分别从IT设备选型、空调、电源系统优化、维护管理四个方面制定节能方案。
4.1 降低 IT设备的能耗
根据能效瀑布原理研究模型表明，IT设备每节省1w的能耗，数据中心的整体能耗将减少2.84W，从源头提高IT设备的能效是最有效率节能举措，凤翔IDC的 IT 设备占比高达55%，采用低能耗IT设备是节能的关键所在。
云计算通过共享软硬件资源和信息，实现资源调度按需分配。通过引入云计算，IT资源集中共享，统一计算、统一存储，在统一网络下的弹性调度和按需分配，实现分层分级管理和全网设备资源的统一管理，通过资源共享实现节能减排。其次，虚拟化技术是在硬件之上构建一个虚拟化平台，通过时分复用、逻辑绑定等多种调度形式，优化整合资源，实现物理资源和资源池的动态共享及调整，将IT资源分配给最需要它们的任务，从而实现对硬件资源的高效复用，减少闲置服务器空转造成的能源浪费。另外，虚拟化过程中结合采用节能型IT设备，如服务器具备支持休眠和降频功能的CPU、大颗粒的内存颗粒、支持休眠功能的硬盘等等，将进一步提升数据中心的能耗水平。
我公司建设的营销系统桌面云，实现了办公终端设备简化，仅用10台PC服务器就取代350台PC终端，桌面上只保留了显示器、鼠标和键盘。从原办公电脑平均功耗105kw，到新的瘦身终端功耗只有35kw，节能效果相当明显。
4.2 空調系统优化
我公司组织专业厂家对凤翔IDC机房空调系统进行建模，对机房气流组织，温度场分布及布局合理性做出综合评估，发现机柜间有气流乱流的现象，同时由于机房内各机柜设备实际运行中功耗不同，还存在局部高发热密度区域。
根据多次流体分析计算的结果，我公司安排工程项目做了空调系统的节能技改，在“面对面、背对背”布置形式的基础上，在冷通道两端加装通道门，大幅减少气流短路和冷热气流混合损失，并根据各列的散热量不同对冷风分配进行一定的控制，其次调整了空调的安装位置，并增加风管系统将冷气直接输送到发热机柜上方，均衡送风口的风量，把冷风直接输送到高热区域对设备进行冷却。 另外，凤翔IDC 机房七层楼共配置了32台为机房精密空调，设计制冷功率1200KW，而机房热负荷=设备热负荷+建筑热负荷=620+135=755KW，空调功率余量0.59，空调制冷量冗余偏大。我们安排项目做了空调群控改造，实现多台空调共享数据，自动轮巡，避免空调间的竞争运行，改造后机房内的冷量分布均匀，实现按需配置空调的数量，提高了空调系统的整体效率。
经测算，经过上述改造后空调系统平均节电率约为17%。
4.3 采用高效电源设备
240V高压直流供电系统相比传统UPS减少了逆变器的损耗，供电效率较UPS有显著提高，同时因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，现场值守人员灵活控制调配模块的开机运行数量，从而使高压直流系统的负载率始终保持在较高的水平，其效率可超过95%。
2015年凤翔IDC在4、5楼扩容时采用了中恒的高压直流电源系统，从投入运行后的对比测试结果表明，高压直流系统不仅可以明显的减少初期建设投资，实际节电效果约10%。
4.4 基于PUE的运维管理
我公司新部署一套可视化机房监控系统，集成了基于流量统计的机房模块级PUE算法，能够实时直观展现新建机房的动态PUE值，为PUE优化提供了精确的计量手段。
另外，还引入能效管理制度，建立以周为单位的运营日志管理体系，一方面根据机房IT负载的变化进行实时调整，另一方面还可以分析每周數据差异和能耗变化原因，及时采取节能措施来不断提升PUE。
五、总结
数据中心能效管理是一项贯穿全生命周期的系统管理工程，需要综合考虑投资、建设、运维、安全等因素，必须合理规划，精细运营，跨专业协作，持续优化才能真正达成能效管理目标。
控制IT设备的功耗将获得极佳的节能投资效益比，凤翔IDC主要手段是采用云计算和硬件虚拟化；空调能耗占比仅次于主设备，也是节能关注的重点，冷热通道隔离实现“先冷设备，后冷环境”，改善气流组织，结合空调群控能提升大幅空调系统的整体效率；采用240V高压直流供电系统，根据IT设备的实际功率需求来动态调整投入的开关电源的模块数量，提高电源系统的效率。
我公司通过凤翔IDC数据中心PUE运营管理，持续优化各系统的运行参数，不断提升数据中心的能源使用效率，PUE值从原来的1.843逐步提高到1.657，能耗下降了10.1%左右，总体能耗成本显著降低。
参考文献
[1] 钟景华，朱利伟. 新一代绿色数据中心的规划与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2011.
[2] 乔栋.数据中心机房节能减排技术研究与实践[J]. 电信工程技术与标准化，2011，12
（作者单位：中国电信股份有限公司海南公司）
关键词：数据中心；能效管理；PUE
一、数据中心能效管理
数据中心已经成为当今全球经济发展的基石，在数据中心向高密度、高可靠性发展的同时，高能效也成为数据中心发展的一个方向。
数据中心的电费已占到总运营成本的60%左右，探讨和研究数据中心的能效改善问题已经不容忽视。为引导和规范全球IT 行业的节能，绿色网格组织提出了 PUE（Power Usage Effectiveness）能效指标的概念。
PUE=数据中心总能耗能耗/IT设备总能耗，其中数据中心总能耗=IT设备能耗+制冷设备能耗+供配电能耗+其他能耗。
该指标反映了数据中心的总体能源使用效率，越接近1表示能效利用率水平越高。
工业和信息化部在《“十三五”国家信息化规划》明确提出：到2020年，新建大型云计算数据中心PUE值不高于1.4，已经建成的数据中心PUE值需下降8%。工业和信息化部在《国家绿色数据中心试点工作方案的通知》中要求技术与管理并行，以提升国内数据中心能效水平，强调数据中心实施能效管理的必要性和紧迫性。这要求数据中心不但要在设计规划前期要充分考虑PUE要素，在后期运营中更要不断分析评估PUE，制定行之有效的节能对策。
二、凤翔IDC 数据采集
数据中心能效管理是一个系统工程，需要根据IT设备的实际负载对各系统配置不断优化，对运行参数进行持续调整，但前提是首先要实地勘测采集运行数据，然后再根据数据分析结果来制定对策。
测试主要内容：
1.测试并记录IT 设备功耗：记录凤翔IDC的6、7 楼机房交流配电柜的瞬时电压，电流，有功功率及无功功率；记录4、5楼高压直流配电柜的瞬时电压，电流及功率；
2.测试并记录精密空调的能耗：记录4到7 楼IDC 机房专用空调的瞬时电压，电流，有功功率及无功功率；
3.测量并记录1楼、3楼动力机房供电、空调设备能耗：记录3楼UPS、1楼中恒高压直流系统的输入/输出端瞬时电压，电流及有功功率，以及空调的瞬时电压，电流，有功功率及无功功率。
在现场测试过程中还需注意可能影响到结果的两个关注点，一是IT设备负载可能会有波动，要尽量选择设备负载比较稳定时开始测试，在机房用电高峰期还要加大测试密度，二是需考虑从列头柜至IT 设备的线路损耗，在计算IT设备准确功耗时需乘以修正因子。
三、PUE值分析
凤翔IDC本次共做了10轮现场实际测试。
经过综合计算，凤翔IDC机房的PUE平均值为1.843。从测试结果来看，凤翔IDC机房的PUE值为1.843，能源利用率高于数据中心的能效推荐区间，属于能耗偏高。另外，从凤翔IDC能耗构成来看，IT 设备能耗占比为55%，是机房主要能耗，其次是空调制冷的能耗占39%，供配电能耗占比为6%，实测供电设备效率均为90%左右。
四、节能方案
在数据中心开展PUE运营节能管理相当重要，而数据中心的IT设备部署数量是由少到多，功率密度从低到高，能源效率会随IT负荷变化而变化，因此PUE运营是一个长期而持续的过程，需不断采集分析的实时数据，然后依据实际负载同步做匹配优化，动态地调整机房精密空调的运行方式、配电系统参数等。
根据本次测试结果，凤翔IDC的能源利用率偏低，其中IT 设备和空调制冷是该数据中心的主要能耗，下面分别从IT设备选型、空调、电源系统优化、维护管理四个方面制定节能方案。
4.1 降低 IT设备的能耗
根据能效瀑布原理研究模型表明，IT设备每节省1w的能耗，数据中心的整体能耗将减少2.84W，从源头提高IT设备的能效是最有效率节能举措，凤翔IDC的 IT 设备占比高达55%，采用低能耗IT设备是节能的关键所在。
云计算通过共享软硬件资源和信息，实现资源调度按需分配。通过引入云计算，IT资源集中共享，统一计算、统一存储，在统一网络下的弹性调度和按需分配，实现分层分级管理和全网设备资源的统一管理，通过资源共享实现节能减排。其次，虚拟化技术是在硬件之上构建一个虚拟化平台，通过时分复用、逻辑绑定等多种调度形式，优化整合资源，实现物理资源和资源池的动态共享及调整，将IT资源分配给最需要它们的任务，从而实现对硬件资源的高效复用，减少闲置服务器空转造成的能源浪费。另外，虚拟化过程中结合采用节能型IT设备，如服务器具备支持休眠和降频功能的CPU、大颗粒的内存颗粒、支持休眠功能的硬盘等等，将进一步提升数据中心的能耗水平。
我公司建设的营销系统桌面云，实现了办公终端设备简化，仅用10台PC服务器就取代350台PC终端，桌面上只保留了显示器、鼠标和键盘。从原办公电脑平均功耗105kw，到新的瘦身终端功耗只有35kw，节能效果相当明显。
4.2 空調系统优化
我公司组织专业厂家对凤翔IDC机房空调系统进行建模，对机房气流组织，温度场分布及布局合理性做出综合评估，发现机柜间有气流乱流的现象，同时由于机房内各机柜设备实际运行中功耗不同，还存在局部高发热密度区域。
根据多次流体分析计算的结果，我公司安排工程项目做了空调系统的节能技改，在“面对面、背对背”布置形式的基础上，在冷通道两端加装通道门，大幅减少气流短路和冷热气流混合损失，并根据各列的散热量不同对冷风分配进行一定的控制，其次调整了空调的安装位置，并增加风管系统将冷气直接输送到发热机柜上方，均衡送风口的风量，把冷风直接输送到高热区域对设备进行冷却。 另外，凤翔IDC 机房七层楼共配置了32台为机房精密空调，设计制冷功率1200KW，而机房热负荷=设备热负荷+建筑热负荷=620+135=755KW，空调功率余量0.59，空调制冷量冗余偏大。我们安排项目做了空调群控改造，实现多台空调共享数据，自动轮巡，避免空调间的竞争运行，改造后机房内的冷量分布均匀，实现按需配置空调的数量，提高了空调系统的整体效率。
经测算，经过上述改造后空调系统平均节电率约为17%。
4.3 采用高效电源设备
240V高压直流供电系统相比传统UPS减少了逆变器的损耗，供电效率较UPS有显著提高，同时因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，现场值守人员灵活控制调配模块的开机运行数量，从而使高压直流系统的负载率始终保持在较高的水平，其效率可超过95%。
2015年凤翔IDC在4、5楼扩容时采用了中恒的高压直流电源系统，从投入运行后的对比测试结果表明，高压直流系统不仅可以明显的减少初期建设投资，实际节电效果约10%。
4.4 基于PUE的运维管理
我公司新部署一套可视化机房监控系统，集成了基于流量统计的机房模块级PUE算法，能够实时直观展现新建机房的动态PUE值，为PUE优化提供了精确的计量手段。
另外，还引入能效管理制度，建立以周为单位的运营日志管理体系，一方面根据机房IT负载的变化进行实时调整，另一方面还可以分析每周數据差异和能耗变化原因，及时采取节能措施来不断提升PUE。
五、总结
数据中心能效管理是一项贯穿全生命周期的系统管理工程，需要综合考虑投资、建设、运维、安全等因素，必须合理规划，精细运营，跨专业协作，持续优化才能真正达成能效管理目标。
控制IT设备的功耗将获得极佳的节能投资效益比，凤翔IDC主要手段是采用云计算和硬件虚拟化；空调能耗占比仅次于主设备，也是节能关注的重点，冷热通道隔离实现“先冷设备，后冷环境”，改善气流组织，结合空调群控能提升大幅空调系统的整体效率；采用240V高压直流供电系统，根据IT设备的实际功率需求来动态调整投入的开关电源的模块数量，提高电源系统的效率。
我公司通过凤翔IDC数据中心PUE运营管理，持续优化各系统的运行参数，不断提升数据中心的能源使用效率，PUE值从原来的1.843逐步提高到1.657，能耗下降了10.1%左右，总体能耗成本显著降低。
参考文献
[1] 钟景华，朱利伟. 新一代绿色数据中心的规划与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2011.
[2] 乔栋.数据中心机房节能减排技术研究与实践[J]. 电信工程技术与标准化，2011，12
（作者单位：中国电信股份有限公司海南公司）