李成章
輸入電源的供電能力不足和日益增高的電費開支已成為能否建立綠色數據中心機房的“瓶頸性“制約因素。數據中心機房的”電能利用率“是評估其節能降耗效果的簡單易行的技術參數。
近年來，通過對數據中心機房的營運狀況及發展趨勢的調研和分析顯示：從2006年到2010年全球數字信息的處理量可能會增長6倍左右。面對數據中心的如此快速增長的業務需求量和廣大用戶對數據處理量和信息交換量的巨大期望值。從事于電信、金融、政府、石化、電力能源、教育等各行各業的企業主管/CIO只能通過不斷地增加其數據中心機房中的IT設備(服務器、存儲器和網絡設備等)的數量和提高其性能來滿足用戶對其信息網絡系統在技術性能、數據處理能力、存儲容量以及其”可利用率”等諸多方面所提出的日益嚴格的要求。此時，他們將會面臨諸如：數據中心的機房面積不夠、輸入電源的供電能力(KW)不夠、企業的能源成本日益增高及電費開支偏大等問題的所提出的挑戰。當今，日益增大的電費開支、正成為數據中心管理者心目中的揮之不去的陰影之一。例如：一個投資僅幾百萬元的IDC機房，其每年的電費開支有可能高達幾十萬元。據Gantener的預測：到2008年底，全球將會有近一半的數據中心、有可能會面臨無法擁有足夠的供電能力(KW)的供電系統和足夠致冷量的空調系統、用以支持其功率密度/功耗需求量越來越高的服務器和存儲設備的順利運行。
據相關部門的統計，2006年國內服務器的保有量已達182萬臺左右(摘自：機房建設與管理，2008年NO2.)。如果以每臺服務器的平均功耗為400W來計算，每年由這些服務器所產生耗電量約為63.77億*千瓦小時。從后面的討論可知：對于當今的IDC機房而言，為了支持這些服務器的正常運行，需要在數據中心機房中、為它所配套的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所需的功耗約為IT設備功耗的1-1.8倍左右。即使按1倍IT設備的功耗來計算，由UPS供電系統、空調系統、變壓器、供配電柜和照明系統等系統所產生的總耗也應該在63.77億*千瓦小時左右。這樣一來，為了維持數據中心機房的IT設備及其動力和環境保障系統的正常運行、所需的總耗電量將高達127.54億*千瓦小時左右。為此，用戶每年所需支付的電費將可能高達103.3億元( 注：以1千瓦小時的0.81元的平均電價作為計算基礎)。在此背景下，即使是對于一家僅擁有400臺服務器的中型數據中心機房來說，為了維持其正常運行，每年的耗電量和需要支付的電費開支將分別為280萬*千瓦小時和226.8萬元。在此條件下，如果能將這家數據中心機房的總能耗降低30%的話，每年就可為該企業節約68萬元左右的電費開支。此外，根據XX省電信運營商的統計，它的通信基站的耗電量約占其整個運營系統耗電量的89%左右，也就是說：對于電信營運商來說，它對基站通信系統所可能采取的任何一項有效的節能措施都將能對它的整個運營費用的降低帶來可觀的經濟收益。 由此可見：抓好”節能降耗”工作對企業、所可能帶來的經濟利益和社會效益應當是相當可觀的。
根據對國內數據中心機房的運維狀況的一項調研結果，可得到如下的統計數據[數據中心與節能，2008年No.1]：
為維持數據中心機房的正常運行，因所配置的IT設備的功率密度的不同、每年為每平方米的機房面積所支付的電費開支約為：0.4-1萬元/平方/年左右;
中、大型數據中心機房的每年電費開支約為：幾十萬元---幾百萬元數量級。
數據中心所用的服務器的實際負載率僅為其標稱輸入功率的40-60%左右。
近年來，我國為貫徹以人為本、全面協調和可持續的科學發展觀，堅持開發和節能并重，加快建議節約型社會的建設方針。在2005年，國務院下發《國務院關于做好建設節約型社會近期重點工作通知》：將節能作為一項基本國策。在2006年，我國政府再次將”節能減排”作為可持續的國民經濟發展所必須遵循的、具有約束力的指標之一，并提出以節能降耗和污染減排為重要著手點、促進國民經濟結構的調整，促進增長方式的轉變和提高效益的發展方針。近期，在國家發改委和財政部制定的”節能產品政府采購實施意見”中，就要求在進行采購時，在產品的技術性能、服務質量相同的條件下，應優先選購列于”節能清單”中的產品。這樣一來，高能耗問題必然會成為”綠色數據中心機房”的建設者和管理者所應該給予高度關注和必須解決的問題之一。
近年來,隨著數據中心機房所需能耗的急劇增加和電價的日益上漲，期望節約營維成本的機房管理人員正越來越關注他們的能源的成本問題。 實際上，能否提供具有供電容量(KW)足夠大的市電電源、可靠性和運行效率足夠高的UPS供電系統、致冷量(KW)足夠大的和”熱交換效率” 足夠高的空調系統以及能否有效地降低IT設備本身的能耗的大小已成為制約數據中心機房能否順利發展的“瓶頸“性的制約因素。在不可再生能源資源日益稀缺和能源成本日益上升的今天，要求我們應采取必要的技術措施和管理手段來建立具有”增容不增耗”/節能降耗型的運行特性”綠色數據中心機房”。
(1) 數據中心機房的能耗的結構與組成
近年來，隨著電價和 高功率密度的IT 設備的能耗的持續上升，數據中心所需的相關能源成本正日益備受關注。在此背景下，在國外、有多家權威性的機構已投入相當多的人力和物力資源來對數據中心機房的能耗的結構與組成進行過較為詳盡的調研和分析。其中包括：RPA(國會環保署)、AFCOM(數據中心工業協會)、ASHRAE(制定空調標準的機構)、U.S. Green Building Council(綠色建筑協會) 、Information Technology Industry Council(信息技術工業協會) 、Green Grid(為數據中心確立標準及最佳運行實踐)、Uptime Institute(可用性研究協會)、EYP、IBM、HP、Dell公司等。從有關的調研和分析報告可知，對各種數據中心機房的運行狀況所獲得的統計數據表明：他們的調研結果均具有驚人的相似性。在下面、僅以具有代表性的EYP Mission Critical Facilities Inc.,所提供的調研報告為例來研討”數據中心機房的能耗的結構與組成”問題。
據 EYP 對數據中心機房的能耗調研分析可知(見下圖)：按照各種用電設備在數據中心機房中所產生的功耗中的各自所占比例的大小，可以將它會排序為：
(a) 數據中心機房的能耗的第一大戶是： 位于數據中心機房的中的由服務器型的設備、存儲設備和網絡通信設備等所構成的IT設備系統。由它們所產生的功耗約占數據中心機房所需的總功耗的50%左右。其中服務器型的設備所占的總功耗為40%左右。另外的10%功耗基本上由存儲設備和網絡通信設備所”均分”。由此可見：IT設備本身的功耗大小是決定整套數據中心機房的功耗大小的”主要矛盾”所在。能否解決好它的節能降耗問題的關鍵在于：我們能否正確地選好用好IT設備：
(ⅰ)選用真正具有”節能效果”的IT產品：可供衡量和比較各種IT設備是否具有”最佳節能”效果的判斷標準是：在確保IT設備安全、可靠運行的前提下，應該具有如下兩項優異的技術指標：
IT設備的能效比：IT設備的數據處理流量/秒（或數據吞吐量/秒）與IT設備的功耗之比。所選用IT設備的能效比越高，則意味著：IT設備每消耗1W的電功耗，它所能處理、存儲和交換數據量、則越大。由此所帶來的另一個潛在好處是：可以大幅度地降低數據中心機房所需配套的UPS和空調系統的容量和功耗,從而達到節能、節投資和節省機房安裝面積的目的。在這里，還需特別說明的是：據相關的統計資料顯示：對于目前大量應用IDC機房的”雙電源輸入”IT設備而言，在1天24小時的運行期間內，在16小時左右的時間段內，它是運行在負載百分比僅為7-25%的低負荷工作狀態，僅有3-4小時是運行在>35-40%以上的高負荷的工作狀態之中。因此，當我們在選用服務器時，不僅需要了解各種產品在滿負荷運行時的功耗大小和效率的高低。還需了解它們在輕負荷運行時的實際功耗大小和效率的高低。
IT設備所允許的工作溫度和濕度范圍的寬窄：如果用戶選用了對工作溫度和濕度都很敏感的IT設備，勢必會導致他們必須再花費大量的人力和物力去建立/維護耗能很大的空調保障系統。因此，務請盡量選用具有較寬的工作溫度和濕度范圍的IT設備。
此外，相關的運行經驗顯示：對于空調系統而言，在其它的運行工況條件保持不變的情況下，如果將空調機的運行溫度（例：回風口的溫度）提高1℃，就能將其運行效率提高3%左右。
正是此背景之下，在信息產業部所公布的首批”節能降耗電子信息技術、產品與應用方案推薦目錄”中、已將服務器的”節能指標”納入到國家的節能規劃體制。從某種意義上講，它標志著在我國推進服務器的節能工作已進入了一個嶄新的階段。與此相配合的動向之一是：近年來，若干著名的服務器生產商(例：IBM、HP、Dell、Sun和Cisco等公司)紛紛提出各自的”綠色數據中心”解決方案;
(b) 數據中心機房的能耗的第二大戶是： 位于數據中心機房的中的空調系統。由它所產生的功耗約占數據中心機房所需的總功耗的37%左右。其中25%左右的功耗來源于空調的制冷系統所產生的功耗，12%左右的功耗來源于空調的送風和回風系統所產生的功耗。近年來，各空調廠家紛紛推出各自的節能降耗解決方案。在此背景下，艾默生公司更推出能適用于中、高熱密度IT設備的數據中心機房的”一體化柔性空調解決方案”;
(c) 數據中心機房的能耗的第三大戶是：位于數據中心機房的中的由輸入變壓器(典型配置為10KV/400V型的干式降壓變壓器)和ATS開關所組成的UPS輸入供電系統和由UPS及其相應的輸入和輸出配電柜所組成的UPS供電系統，它們的功耗約占數據中心機房所需的總功耗的10%左右。其中7%左右的功耗來源于UPS供電系統所產生的功耗，3%左右的功耗來源于UPS輸入供電系統系統所產生的功耗。
(d) 數據中心機房的能耗的第四大戶是：位于數據中心機房的中的照明系統，它約占數據中心機房所需的功耗的3%左右。
上述的相關調研資料、非常清晰地向我們顯示出：在數據中心機房中、具有最大節能潛力的系統應該是：由用戶所選用的IT設備和IT機架所組成的信息網絡系統以及與之配套的空調系統。相比之下，對于UPS及其配套的供配電系統和照明系統而言，它們的節能潛力是相當有限。如上所述，由IT設備所產生的能耗占總功耗的50%，其余的由空調制冷系統所組成的環境保障系統所產生的能耗占總功耗的37%左右。凡是熟悉IDC機房設計工作的人士都知道：UPS供電系統和空調系統的容量大小、設備的選型、系統的配備以及設計方案等技術參數的最終確定均取決于由數據中心的業主所選用的KW/機架和總機架數所確定的IT設備所需的總用電量和致冷量。由此可見：能否通過正確地選用具有明顯的節能效果的IT產品、將其總耗電量和發熱量降下來是事關：能否建立起具有節能、環保特色的”綠色數據中心機房的關鍵所在。
當我們在籌建數據中心機房時，應該在確保數據中心機房具有足夠大的數據處理/交換能力、足夠高的”可利用率”和確保信息網絡具有高效的、不間斷的連續運行的優異性能的前提下，制定出重點突出、目標明確、針對性強、指標切實可行的、具有”事半功倍”效果的節能降耗的方針和策略：其中，不僅應該向IT設備、空調設備和UPS設備等產品制造商提出明確的、可供考核的”節能降耗“的技術需求，還應該向承擔機房設計和施工任務的設計院和工程承包商提出要求，期望他們能提供具有”節能降耗“效果的設計方案及其相應的驗收標準，以便為今后承擔日常運維管理任務的物業公司/維護機構能制定出具有節能特色的運維、管理和操作規程奠定下堅實的技術基礎。綜上所述，我們可將”綠色數據中心機房”的節能、環保的考核指標大致歸納為：節能、節地和環保。
（2）數據中心機房的”電能利用率”(PUE)
為了能公正和客觀地評估不同的數據中心機房/通信機房的節能降耗的效果，推薦使用電能利用率PUE(Power Usage Effectiveness)：
PUE=(數據中心的總用電量)/(IT設備的總用電量),
數據中心機房的”電能利用率”的物理含義是：在用戶總輸入電能中、到底有多少的電能是真正被饋送到IT設備上。數據中心機房的PUE值越大，則表示用于確保IT設備安全運行所配套的、由UPS供電系統、空調系統、輸入/輸出供配電系統以及照明系統等所組成的動力和環境保障基礎設施所消耗的功耗越大。這是一個簡單易行的“節能“量化技術指標。在實際工作中，我們只需要分別測量出數據中心機房的總輸入耗電量(千瓦.小時)和IT設安裝機房的總輸入耗電量(千瓦.小時)，就可很方便地計算出整座數據中心機房的PUE值。目前，絕大多數的數據中心機房的電能利用系數PUE為2.8：1左右。對于這樣的數據中心機房而言，為了支持數據中心機房中的功耗為1瓦的IT設備的正常運行、需要它所配置的市電電源的總輸入功耗應為2.8瓦。這就意味著：為了支持功耗為1瓦的IT設備的正常運行、必須為它配置一套總功耗高達1.8瓦的動力和環境保障基礎設施。然而，對于采用具有優化“節能功能”設計方案的數據中心機房而言(例如：艾默生公司所推薦的”能效邏輯（Energy Logic）”優化設計方案)，則有可能將它的”電能利用率”的PUE值從2.8：1下降低到2：1左右，從而達到大幅度降低數據中心機房的運維成本的目的。
按照類似的思路，我們可以利用UPS供電系統的“電能利用率“PUEUPS=(UPS供電系統的總用電量)/(IT設備的總用電量)來對不同數據中心的UPS供電系統的節能效果進行評估; 利用空調致冷系統的電能利用率PUE空調=(空調致冷系統的總用電量)/(IT設備的總用電量)來對不同數據中心的空調系統的節能效果進行評估。
對數據中心機房的節能效果進行評估的另一個技術參數是：IT設備的能效比=IT設備的數據處理流量/秒（或數據吞吐量/秒）與IT設備的功耗之比。用戶所選用IT設備的能效比越高，則意味著：IT設備每消耗1W的電功耗時，它所能處理、存儲和交換的數據量越大。在這里，建議：用戶利用此技術指標去選好用好服務器的機型及服務器提供商。為了能建立起具有優異節能降耗特性的“綠色數據中心機房“，今后我們將分別從下述幾方面來進行技術探討：
1)、 現代信息網絡機房的主要構成及其應滿足的主要技術需求
2)、 現代信息網絡機房中的IT設備對UPS供電系統的技術要求
3 )、 現代信息網絡機房中所配置的IT機架的發展趨勢
4 )、 現代信息網絡機房中的IT設備對空調致冷系統的技術要求
5)、 數據中心機房的”節能降耗”策略及建議
6)、 數據中心機房在采用“能效邏輯”優化設計后的節能降耗效果
