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淺析數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀與節(jié)能方向的研究

更新時間:2023-02-22點擊次數(shù):1773次
淺析數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀與節(jié)能方向的研究
任運業(yè)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要:數(shù)據(jù)中心擁有能量密集和高耗能的標(biāo)簽,因此,能耗問題也越來越引起人們的關(guān)注。現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展,降低能耗也變得非常重要。為了解決這個能耗高的問題,從能耗的組成入手,去分析和闡述數(shù)據(jù)中心能耗的節(jié)能技術(shù)和措施,探索在數(shù)據(jù)中心運行中有效實現(xiàn)綠色能耗的方法。
關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)中心;高能耗;節(jié)能減排;能效指標(biāo)
0引言
    近年來,我國經(jīng)濟快速發(fā)展,信息化的建設(shè)也在不斷加大,在這種形勢下,數(shù)據(jù)中心的發(fā)展是到了急速發(fā)展的階段。伴隨著數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展,高能耗的問題顯得尤為突出。因此,對于如何降低數(shù)據(jù)中心能耗的研究具有非常重要的意義。
1數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀和問題
    數(shù)據(jù)中心有著高能耗的標(biāo)簽,是實現(xiàn)綠色節(jié)能所要特別關(guān)注的重點。據(jù)資料上統(tǒng)計和記載,目前,在國內(nèi)機房運行的電能利用效率基本在2~2.5范圍內(nèi),這個數(shù)值大幅度超出標(biāo)準(zhǔn)機房的基準(zhǔn)數(shù)值。這個現(xiàn)象說明在機房運行的過程中,總能耗中約有60~70%都用到了空調(diào)冷卻等設(shè)施上了(表1),但是,Google公司的數(shù)據(jù)中心機房電能利用效率年平均值達到1.21,美國Hp的新一代數(shù)據(jù)中心體驗中心機房夏季PUE值可以達到1.6~1.7。
 
表1數(shù)據(jù)中心機房標(biāo)準(zhǔn)能耗分配表
圖1 現(xiàn)有機房數(shù)據(jù)中心的能耗組成
    現(xiàn)階段較為核心問題出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心的高能耗,且高能耗導(dǎo)致的成本費用超出整個機房的運營維護的50%費用。而現(xiàn)階段對能源的需求也不斷地增長。如圖1所示。
2數(shù)據(jù)中心耗能設(shè)備組成
    (1)數(shù)據(jù)中心機房中IT設(shè)備的品種很多,主要用于數(shù)據(jù)中心中所用到的應(yīng)用系統(tǒng)的運營。如表2所示。
 
 
表2 數(shù)據(jù)中心機房IT設(shè)備分類表
    (2)制冷設(shè)備:為控制機房環(huán)境的溫度和濕度,確保設(shè)備的正常運行,如表3所示。
 
表3數(shù)據(jù)中心機房制冷設(shè)備分類表
    (3)供配電系統(tǒng):供配電系統(tǒng)主要是為數(shù)據(jù)中心各類設(shè)備的正常運行提供使用的電壓和電流,并保證使用過程的安全和可靠。供配電系統(tǒng)通常由變壓器、配電柜、發(fā)電機、不間斷電源、電池、機柜配電單元等設(shè)備組成。
    (4)其他設(shè)備:主要包括照明、視頻安防、消防設(shè)備以及相關(guān)機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等。
3影響機房能源效率的主要問題
    (1)機房冷卻效率低,機房的設(shè)計與布局對溫度場和氣流組織會產(chǎn)生較大的影響,而冷卻資源沒有得到有效的利用,圖2中顯示了一個機房的熱島效應(yīng)。為了解決這個問題,絕大多數(shù)的機房采取提高制冷量,實際卻導(dǎo)致了更多的能耗浪費。
圖2機房的熱島
    (2)IT設(shè)備電能利用率低,在完成同等工作量的情況下,IT設(shè)備消耗了過多的電能。另外,服務(wù)器的大部分電能消耗在外圍配件上,只有一小部分電能用在計算和處理方面等。
4節(jié)能分析的評估指標(biāo)模型
4.1電能利用效率(PUE)
    廣泛而普遍用到的PUE(電能利用效率)是由美國GreenGrid提出的PUE(Power Usage Effectiveness)這個參數(shù)如下所示:
    其中,TotalFacilityPower是指數(shù)據(jù)中心的總能耗,ITEquipmentPower是指數(shù)據(jù)機房中IT設(shè)備耗能。
4.2局部電能利用效率(PartialPUE,局部電能利用效率)
    另外一個指標(biāo),主要是對機房局部區(qū)域進行能耗和效率的評估和分析,即局部PUE。局部PUE主要用于體現(xiàn)機房內(nèi)部的重要的部分設(shè)備或部分區(qū)域的耗能情況,它的值與整體的PUE比較起來,可能大也可能小。即分區(qū)監(jiān)測和統(tǒng)計。因此,為了提高機房的耗能效率,可從局部出發(fā),先提升局部的能耗即:提升pPUE值。這個指標(biāo)參數(shù)適合場合如集裝箱、微模塊數(shù)據(jù)中心等。
4.3制冷負(fù)載系數(shù)和供電負(fù)載系數(shù)
    這里提到的制冷負(fù)載系統(tǒng)簡稱CLF:為數(shù)據(jù)中心中制冷設(shè)備耗電與IT設(shè)備耗電的比值。另一個供電負(fù)載系數(shù)簡稱PLF:為數(shù)據(jù)中心中供配電系統(tǒng)耗電與IT設(shè)備耗電的比值。制冷負(fù)載系統(tǒng)和供電負(fù)載系數(shù)可看成電能利用效率的深化部分。通過這兩個指標(biāo)又可進一步分析耗能情況??勺鳛檩o助分析能耗情況。因此,為了提高電能的有效利用率,GreenGrid也提出了相應(yīng)的修正:
即PUE=CLF(Cooling Load Factor)+PLF(Power Load Factor)+1(式2)
4.4可再生能源使用率RER(Renewable Energy Ratio)
    這里所提到的可再生能源使用率(RER):為可再生能源供電與數(shù)據(jù)中心總耗電的比值。這里提到的可再生能源主要包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物能和海洋能等??稍偕茉床粌H環(huán)保而且資源多且分布也很廣泛,是未來發(fā)展方向??稍偕茉吹氖褂寐士捎迷谄胶鈹?shù)據(jù)中心利用可再生能源的情況,從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。
5節(jié)能方向的探索
5.1數(shù)據(jù)中心建設(shè)推薦采用的經(jīng)濟性PUE
 
                
圖3 PUE曲線
    如圖3所示。數(shù)據(jù)中心受可用性要求約制和TCO低要求的約制,現(xiàn)在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的電能利用效率較高,推薦電能利用效率的范圍為1.8-1.6。
5.2數(shù)據(jù)中心節(jié)能的3個方向
    (1)為了提高機房的節(jié)能,從基礎(chǔ)的IT設(shè)備節(jié)能開始,使用低能耗主設(shè)備是機房節(jié)能措施的關(guān)鍵步驟。關(guān)鍵因子IT設(shè)備的能耗占據(jù)了數(shù)據(jù)中心機房的能耗的重要位置。同時,PUE標(biāo)準(zhǔn)也在逐漸被人們采用,IT設(shè)備的能耗也會隨著PUE標(biāo)準(zhǔn)的推廣,所占總能耗比重也會越來越高。
    (2)空調(diào)設(shè)備節(jié)能
選擇采用空調(diào)系統(tǒng)針對節(jié)約能耗方面的綜合解決方案對提升數(shù)據(jù)中心機房節(jié)能有很大的幫助。
    (3)供電系統(tǒng)節(jié)能
選擇采用更高效率的供電系統(tǒng)也能大大提升數(shù)據(jù)中心的節(jié)能效果。
5.3能耗數(shù)據(jù)的分析
通過對能耗數(shù)據(jù)的分析,提高主要耗能設(shè)備的能耗效率。
    (1)多層次、多維度能耗分析
整體能效評估,包括PUE值,單位業(yè)務(wù)量耗電,單位面積耗電等。設(shè)備能效評估,包括主設(shè)備能效、動力系統(tǒng)能效、空調(diào)能效等。影響因素分析,包括室內(nèi)外溫濕度、業(yè)務(wù)量等因素對能耗的影響等。
   (2)利用聚類算法分析,實現(xiàn)節(jié)能
1)可以對同種類別的設(shè)備進行歸類,同時還需找到有能耗異常的耗能設(shè)備;2)對影響因子進行聚類分析,不斷地調(diào)整因素的值,得到能耗優(yōu)方案時再確定該因素的值;3)同時對多個因素進行聚類分析,對比發(fā)現(xiàn)不同的因素對能耗的影響;4)遞進聚類分析,通過對影響因素的遞進推理和分析,再確定主要耗能因素。
   (3)分析能耗數(shù)據(jù),對能耗進行標(biāo)準(zhǔn)模型建立從能耗預(yù)測仿真,能耗告警,能耗動態(tài)優(yōu)化3方面考慮,建立能耗標(biāo)準(zhǔn)模型。
6安科瑞能耗統(tǒng)計分析(能源管理)解決方案
6.1概述
    建立高效的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng),對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)進行實時測量,對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。能夠合理的確定各區(qū)域建筑能耗經(jīng)濟指標(biāo)及績效考核指標(biāo),發(fā)現(xiàn)能源使用規(guī)律和能源浪費情況,提高人員主動節(jié)能的意識。
    ① 搭建數(shù)據(jù)中心智慧能源管理系統(tǒng)的基本框架,對各個用能環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測;
    ② 排碳數(shù)據(jù)化:通過系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑單位內(nèi)人均能耗分析(包括水、電、能量),實現(xiàn)低碳辦公數(shù)據(jù)化;
    ③ 區(qū)域能效比:實現(xiàn)建筑單位內(nèi)區(qū)域能耗對比,方便能耗考核;
    ④ 同期能效比:實現(xiàn)同年、同期、同一區(qū)域能耗對比,方便節(jié)能數(shù)據(jù)分析;
    ⑤ 能耗評估管理:按照能源消耗定額標(biāo)準(zhǔn)約束值、標(biāo)準(zhǔn)值、引導(dǎo)值進行分析單位面積能耗和人均能耗指標(biāo);
    ⑥ 能耗競爭排名:各個功能區(qū)能耗對比,實現(xiàn)能耗排名,增強工作人員的節(jié)能意識;
    ⑦ 對能耗的使用數(shù)據(jù)進行綜合的分析、統(tǒng)計、打印和查詢等功能,并根據(jù)能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)的需要可選擇不同樣式報表的打印。為能耗運營管理部門提供可靠的依據(jù);
    ⑧ 能耗數(shù)據(jù)采集,隨時查詢,并根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,監(jiān)測異常能源用量,對能源智能儀表故障進行報警,提高系統(tǒng)信息化、自動化水平。
6.2平臺部署硬件選型
7結(jié)語
    系統(tǒng)地介紹了數(shù)據(jù)中心相關(guān)研究的進展,IT設(shè)備和制冷設(shè)備的能耗是數(shù)據(jù)中心機房的高耗能設(shè)備,也是數(shù)據(jù)中心高耗能的關(guān)鍵因素,如何優(yōu)化還需進行更多的研究 。已經(jīng)進行的和正在進行的探索只是很小的一部分,等待研究和摸索的節(jié)能方法還有很多,為將來實現(xiàn)綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)中心機房出一份力。
【參考文獻】
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作者簡介:
任運業(yè),男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事數(shù)據(jù)中心的設(shè)計與應(yīng)用。


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