中国本土化的数据中心能效评测

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当前我国各类数据中心总量约43万个,可容纳服务嚣共约500万台,其中经营数据中心机房9211,面积约88万平米,机柜数月17.7万个,可容纳服务器约200万台。随着云计算的快速发展,未来5年国对数据中心流量处理能力的需求将增长7-10倍,机房面积需要再翻一番才能满足云计算发展的需求。

本指南根据国际相关组织的研究成果,结合我国数据中心实际发展情况,定义了利用效率(PUE)、局部PUE、制冷/供电负载和可再生能源利用率四个能效指标,提出了具体的测量方法和测量数据的发布要求等。

本指南可用于对数据中心的能效进行测量同,便于运营者了解数据中心的整体能效状况,也可为用户比较不同数据中心之间的能效提供参考基准。

本指南是在政府相关部门的指导的支持下,由“云计算发展与政策论坛”组织会员单位的相关专家共同编写的。在编写的中,得到了中国通信标准化协会CCSA和绿色网络组织THE GREEN GRID,TGG的大力支持。

本指南将根据数据中心节能技术,能效指标,测量水平等的发展,不断修改和完善。

一。前言

当前我国各类数据中心总量约43万个,可容纳服务嚣共约500万台,其中经营数据中心机房9211,面积约88万平米,机柜数月17.7万个,可容纳服务器约200万台。随着云计算的快速发展,未来5年国对数据中心流量处理能力的需求将增长7-10倍,机房面积需要再翻一番才能满足云计算发展的需求。

2011年,我们数据中心总耗电达700亿千瓦时同,已经占到全社会用电量1.5%,相当于2011年天津全年的总用电量。数据中心的高能耗,不仅给企业带来了沉重的负担,也造成了全社会能源的巨大浪费。为了推动数据中心的节能排减,工业和信息部在《工业节能“二二五”规划》提出,到2015年,数据中心PUE值需下降8%的目标。国家发改委等组织的云计算示范工程也要求示范工程建设的数据中心PUE要达到。5以下。

我国目前尚未建立统一的数据中心能效指标体系,也缺乏相应的评估标准,便得各数据中心公布能效数据往往不能准确反映真寮能耗水平,不同数据能效结果之间缺乏可比性,给业界带来诸多不变,也不利于数据中心节能减排目标的实现。

二。数据中心的能耗组成

数据中心一般由所在地电网或专用的发电设施提供电力,以经变,配电等坏节处理后,为数据中心的用电设备提供电源。数据中心的电能消耗由以下部分组成:IT设备,制冷设备,供配电系统,照明等其它消耗电能的数据忠心的数据中心设备。

 
图1 典型数据中心能耗组成

IT设备包括计算,存储,网络等不同类型的设备,用于承载在数据中心中运行的应用系统,并为用户提供信息处理的存储,通讯等服务。IT设备具体类型包括:(1)。服务嚣类,列如机架式,刀片式或塔式等服务嚣。(2)、存储类,包括磁盘阵列SAN交换机等存储设备,(3)、网络类,包括交换机,路由器,以及防火墙。VPN负载均衡等各专用网络设备;(4)IT支撑类:主要包括用于运行维护的监控管理等设备。

数据中心制冷设备是为保证IT设备运行所需温湿环境而建立的配套设施,主要包括:(1)机房内所使用的空调设备,包括机房空调,制冷空调。湿度调节设备;(2)提供冷源的设备包括风冷室外机,冷水机组,冷却塔,水处理等;(3)如果使用亲风系统,还包括送风,回风风扇,风阀等。

数据中心供配电体统用于满足设备使用的电压和电流,并保证供电的安全性和可靠性,供配电系统通常由变压嚣,发电机,UPS,HVDC,电池,机柜配电单元等设备组成。

数据中心中其它消耗电能的基础设施,包括照明设备,安防设备,灭火,防水,传感嚣以及相关数据中心建筑的管理系统等。

#p# 三。数据中心的能效指标

数据中心能效指标是衡量数据中心能效的量化标准,它可以反映数据中心运行过程中的电能利用情况,作为数据中心设计和运维改进的重要依据,并为不同数据中心之间能效比较提供依据。

综合考虑数据中心能效指标的可测量性、可比较性和可优化性,本技术规范将PUE。局部PUE,指令/供电负载系数和可再生能源利用等四类能效指标作为数据中心能效测评的基本指标。

3.1电能利用率

PUE是国内外数据中心普遍接受和采用的一种衡量数据中心基础设施能效的指标,其计算公式为:

PUE=数据中心总耗电/IT设备耗电

数据中心的总耗电是维持数据中心正常运行的所有耗电,包括IT设备,制冷设备,供配电体统和其它设施和耗的耗电的总和。如果数据中心所在建筑同时用于办公等其它用途,刚办公等所消耗的电能不包括在数据中心总耗电中。在数据中心中,只有IT设备的耗电被认为是有意义的电能。

PUE的实际含义,是计算的提供给数据中心的总电能中,有多少电能是真正应用到IT设备上。根基定义,PUE值的取值范围为1.0到无穷大,数据中心机房的PUE值越大,刚表示制冷和供电等配套基础设施所消耗的电能越大。PUE定义简单,易于操作,只需分别测量出数据中心总耗电和IT设备耗电,就能计算出数据中心的PUE值。

3.2局部电能利用效率

pPUE是数据中心PUE概念的延伸,用于对数据中心的局部区域或设备的能效进行评估和分析。

在采用pPUE指标进行数据中心能效评测时,首先根据需要从数据中心中划分出不同的分区。列如,一个多层数据中心建筑中的一个机房,式者一个集装箱数据中心的集装箱模块,都可以作为一个Zone。

 
图2 局部PUE计算示意图

如图2所示,如果将数据中心划分为ONE1和ZONE2两个分区,刚数据中心的整体PUE计算公式为:

PUE=(N0+N1+N2+I1+I2)/(I1+I2)

其中:I是IT设备耗电,N是非IT设备耗电。

Zone1和Zone2两个分区的局部PUE为:

pPUE1=(N1+I1)/I1

pPUE2=(N2+I2)/I2

局部PUE用于放映数据中心的部分设备式区域的能效情况,其数值可能大于式小于整体PUE。要提高整个数据中心的能源效率,一般要首先提升PPUE值较大的部分设备式区域的能效。局部PUE于基于集装箱,模块化数据中心或者由多个建筑和机房构成的较大型数据中心的局部能效评估。

3.3指令/供电负载系数

制冷/供电负载系数分别是:CLF,定义为书数据中心中制冷设备耗电与IT设备耗电的比值,即

CLF=制冷设备耗电/IT设备耗电

PLF,定义为数据中心中供配电系统耗电与IT设备耗电的比值,即

PLF=供配电系统耗电/IT设备耗电

CLE和PLF可以看作是PUE的部分和深化,通过会别计算这两个指标,可以进一步深入分析制冷系统和供配电系统的能源效率。如果忽略,安防等其它少量耗电,刚有以下的近似公式:数据中心总耗电=制冷设备耗电+供配电系统耗电+IT设备耗电以上各项处以IT设备耗电,可以变换得到:

PUE≈CLF+PLF+1

3.4可再生能源使用率

可再生能源是指在自然界中可以循环再生的能源,主要包括太阳能,风能,水能,生物能和海洋能等。可再生能源对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用。RER,用于平衡数据中心利用可再生能源的情况,以促进可再生同,无碳排放或极少排放的能源利用;RER的定义为:

RER=可再生能源供电/数据中心总耗电

#p# 四。能效指标的测量方法

能效测量方法是为计算数据中心能效,对数据中心及其子系统耗电进行测量的方法,包括测量点,测量周期及测量设备的要求等。

4.1能校指标测量点

(1)PUE指标测量点

为计算PUE,需要在如图书所示的数据中心示意图中,测量数据中心总耗电及IT设备耗电,具体测量点如下:

数据中心总耗电。在正常情况下,数据中心的电能由市电提供,测量点应取市电输入变压器之前,即图书中的M2点作为数据中心总耗电计算中,需减去M4点测量的办公等其它耗电。

IT设备耗电。严格来说,IT设备耗电应该在各IT设备输入电源处测量耗电量并进行加总中,但由于IT设备数量较多,这一方法将大大增加测量工作量和成本。因此,在实际操俆中,可在UPS输出或者列头柜配电输入处进行测量,将测量值加总作为IT设备耗电,测量点即图书中的M3点。

 
图3 PUE指标的测量点

确定测量点之后,根据定义,PUE的计算方法为:

PUE=(PM1+PM2-PM4)/PM3

其中PM1为在M1点测得的用电量,依次类推。

(2)pPUE指标测量点

pPUE的具体测量与Zone的定义有关,在如图案所示的区域Zone1的供电系统示图图中,可在M1点测量些区域总耗电,在M2点测量量IT设备耗电。

 
图4 局部PUE指标的测量点

根据定义,Zone1区域的pPUE为:

pPUE=PM1/PM2

(3)CLF/PLE指标测量点

为计算CLF和PLF指标,需要在PUE测量点的基础上,增加制冷设备耗电,照明等其他设备耗电的测量点,既图5中的M5,M6点。

 
图5 CLF/PLF指标的测量点

根据定义,CLF和PLF的计算公式分别为:

CLF=PM5/PM3

PLF=(PM1+PM2-PM3-PM4-PM5-PM6)/PM3

(4)RER指标测量点

如图像所示,为计算RER指标,需要分别测量不同的供电方式供给数据中心的用电量,从页计算出可在生能源供电占数据中心总耗电的比例。

 
图6 RER指标的测量点

可再生能源供电可能来自市电,也可能来自于自供。假定市电中可再生能源占比r%,根据定义,RER的计算公式为:

RER=(PM1*r%+PM3)/(PM1+PM2+PM3)

4.2测量时间和频率

能耗指标的数值受种因素的影响,会随季节,节假日和每天忙闲时段的改变发生变化,因此为全面,准确了解数据中心的能效,推荐采用固定测量仪表,对数据中心能耗进行持续,长期测量和纪律。

若数据中心未安装固定测量设备,可采用钳形功率计等设备测量数据中心及IT设备等短时用电量。

建议测量的周期和频率如下:A每次测量不小于是小时,B第天测量不少于2次,建议业务忙时和闲时会别进行C每月不少于此天,建议在5日,15日,25日进行测量。

如无特殊说明,数据中心的PUE,pPUE,CLF/PLF的RER等能效指标,是指采用固定测量仪表,在指定测量并记录至少一年的数据,数据中心如果选择公布季度,月份,周,天或小时发布,能效数据,必须对其能效周期加以说明。其中季度可搂照春季,夏季,秋季,冬季划分。

4.3测量设备与系统

(1)必须在规定的对应测量点进行测量。可安装固定测量设备,也可以利用供电。空调或IT设备内置的测量功能。

(2)测量设备的精度要求误差不超过3%左右。解析度不低于0.1KWH。

(3)建议采用支持通过网络自动上报或者自动获取能耗数据的智能测量仪表,实现能耗远程,自动化采集。

(4)建议建设能效管理系统,实现对能耗数据的统计,分析和能效指标的自动计算。

#p# 五。能效指标的发布要求

即使采用了相同的指标定义,测量点,周期和工具,数据中心的能效仍然可能会因为其所在地理位置,功率密度,主要业务类型,IT设备上架率不同而产生明显差异。为更加全面,准确的反映数据中心能效,在公布能效指标数值时,建议包括以下相关信息:

·数据中心所在的地理位置,至少精确到具体的城市

·数据中心进测试的具体时间段,室内个温湿度等。

·数据中心的设计功率密度,单位为/机架;

·数据中心实际试用率,上架IT设备功率占总设计IT功率的比例尺;

·数据中心建筑形式,单体机房,与办公等混用或者模块化等;

·数据中心供电和制冷方式,例如高压直流,风冷水冷式空调,自然冷源;

·是否采用了间接测量和估算方法,估算时的测量点,热负荷比例和估算方法等。

六。缩略语

IDC Internet Data Center因特网数据中心

PUE Power Usage Effectiveness电能利用效率

IT Information Technology信息技术

SAN Storage Area Network存储区域网络

VPN Virtual Private Network虚拟专用网络

UPS Uninterrupted Power Supply不间断电源

HVDC High Voltage Direct Current高压直流

pPUE Partial PUE局部PUE

CLF Cooling Load Factor制冷负载系数

PLF Power Load Factor供电负载系数

RER Renewable Energy Ratio可再生能源利用率

七。与TGG能效指标的比较

TGG提出的数据中心能效指标主要有PUE、CUE碳利用轨CLF/PLE、ERE等,但是除了PUE和CLF/PLE,本论坛研究发现其它指标在可测量性和可适用性等方面均存在一定局限性。

CUE需要测算数据中心的CO2排放量或者根据CEF进行推算,CEF由当地政府公布,因此CUE在可测量性和适应我国国情方面存在问题。ERE是对数据中心排除的热气进行再利用情况下的能源指标,但是目前我国数据中心极少的有对排除的热气进行再利用的,因此该指标在我国的实际应用还需要时日。

本指南根据我国太阳能,风能等可再生能源发展速度的现状,新提出RER指标,针对利用可再生能源供电的数据中心,可再生能源的发展,论坛已经将该提交给TGG讨论。

本指南还对能效指标的测量方法进行了细化,明确了每个能效指标和各个测量点,给出了间接测量和估算的建议,完善了测量时间和测量频率,对测量设备提出了具体的精度等要求,并提出了具体的能效指标发布要求,实现了数据中心能效指标的可测量,可发布和可比较。

责任编辑:张玉 来源: 机房360
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