浅析如何降低数据中心电力能耗

摘要：“新基建”为数据中心的建设开辟了广阔的发展前景。然而，鉴于数据中心巨大的能源消耗，政府和业界对其给予了高度关注。一些省份和城市对新建或改造的数据中心设定了严格的PUE（能源使用效率）标准。因此，如何减少数据中心的电力消耗成为了焦点问题。

1 IT设备能耗的降低

数据中心的能耗主要源自IT设备。这些设备的直接能耗不仅增加了电费成本，而且还需要配备相应的电源和冷却系统，这些系统同样消耗大量电力，从而进一步增加了间接的电费开支。因此，所有IT专业人员都应当重视并采取措施控制IT设备的能耗。

长期以来，控制信息技术(IT)能耗的方法效果并不理想。例如，IT设备供应商未能提供足够的信息，导致用户难以根据电力消耗做出明智的决策。用户往往不了解他们其实拥有多种IT选项，这些选项的能耗也各不相同。然而，情况正在逐步改善，用户现在能够从运营和规划两个维度出发，系统性地减少能耗。

1.1运营措施

①淘汰某些IT系统

许多数据中心仍运行着旧技术平台，主要用于存档或研究。实际上，尽管一些应用服务器仍在运行，但已无用户使用。对这些系统进行清点并制定淘汰计划是有益的。通常，即使不淘汰系统，也可以将其脱机关闭。一种有效的方法是将多个旧平台上的应用迁移到新服务器，大幅减少服务器数量。这种迁移不依赖虚拟化，通常能显著降低能耗。即便未减少空间占用，由于IT设备密度提高，回收的功率容量也相当可观。

②以高效的方式使用现有系统

如今，绝大多数新服务器都配备了电源管理功能，这意味着它们能够在计算负载减少时降低能耗。这一进步在几年前是难以想象的，当时几乎所有IT设备的能耗都是固定不变的，与计算负载无关。用户应该意识到IT技术的这一变革，并掌握其IT系统中电源管理功能的运行状态。在条件允许的情况下，应当在所有具备电源管理功能的设备上激活该功能。电源管理功能有助于减少总体电力消耗，但不会减少功率容量的需求。

③迁移到更节能的计算平台

迁移到电力效率更高的平台有助于降低能耗。数据中心常见的“低密度服务器”虽然体积大，但能耗与现代刀片式服务器相当或更低。逐台更换传统服务器为刀片式服务器可能不会减少总能耗，但能提高服务器密度。刀片式服务器的热量产生面积更集中，可能引起排热问题。新部署时，刀片式服务器相比其他形式可降低约20%能耗，主要因为其电源效率更高和共享开销功能。然而，刀片式服务器的能耗不一定低于旧服务器。要评估迁移节能效果，需比较现有服务器与刀片式服务器的能耗和性能。主要OEM厂商提供工具可报告刀片式服务器能耗，而传统服务器能耗需通过测量得出。服务器节能主要通过应用合并和虚拟化实现。

④液冷服务器是降低能耗的利器

减少IT设备发热量可降低散热需求和制冷电力消耗，关键在于降低PUE值。服务器是主要热源，占机房热负荷约80%。因此，减少服务器热量至关重要。目前，数据中心多用风冷技术，但液冷技术冷却效果更佳，能显著改善高能耗和低性能问题，实现高密度、低噪音、低温差和全年自然冷却。液冷技术无需昂贵设备，降低成本，提高能源效率，且环保。它还能控制运营成本，加速投资回报，尤其对电力和运营成本高的数据中心重要。液冷系统节能效果显著，能维持服务器稳定工作温度，而精密空调需更低温度。液冷在封闭环境中效率更高。

1.2规划措施

①虚拟化

服务器虚拟化能够显著降低信息技术部门的电力消耗。通过虚拟化技术，通常能够大幅度减少所需部署的服务器数量。淘汰一台物理服务器，可以实现大约200至400瓦的结构性节能效果，具体节省量取决于所采用的技术。这种节能效益显然超过了服务器本身的购置成本。

②标准化

标准化节能服务器有效，刀片式服务器电力效率高但性能和能耗差异大。基于服务器的应用的性能需求难以预测，用户常以增加能耗来确保高性能。虚拟化服务器可降低能耗，但应根据应用需求匹配服务器性能以实现节能。

2降低DCPI设备能源消耗

降低数据中心物理基础设施能耗的方法包括：适度规划系统规模，选用高效设备，以及设计节能系统。相较于选择合适的设备，适度规划和系统设计对减少耗电量的影响更大。

2.1适度规划规模

在数据中心中，电源和冷却系统存在与总功率成正比的固定损耗，这些损耗在IT负载低时可能超过实际IT负载消耗。随着DCPI系统规模的扩大，固定损耗在电费中所占比例增加。选择合适的供电架构如2N或N+1对节能至关重要。适度规划可实现高达50%的电费节约，这种经济效益是推动数据中心向模块化和可扩展解决方案转型的主要因素。

2.2节能的系统设计

系统设计对数据中心电力消耗影响显著，即使两个数据中心使用相同设备，电费也可能大相径庭。系统设计在数据中心效率上的作用甚至超过电源和冷却设备选择。以下是一些系统设计问题，这些问题通常会导致数据中心效率远低于各部件损耗之和。

①配电装置和/或变压器在低负载率状态下运行；

②冷热通道的设计存在不合理之处；

③空调的安装位置不当，例如空调被迫在高压环境下长距离输送空气，从而导致电能的过度消耗；

④空调的回风温度远低于IT设备的排气温度，这导致了空调效率和容量的降低；

⑤冷却泵通过节流阀调节流量，这种做法显著降低了泵的效率。

数据中心的能耗常常是必要的两倍，但通过简单的设计决策，这些问题可以避免，且成本低或无需额外开支。有两种方法可以实现这一点：

①为确保方案的可靠性，必须经过精心设计和彻底测试，以预防前述问题的发生。这包括进行复杂的计算流体力学建模和全面的试运行测试；

②通过遵循标准化设计流程，可以构建一个完整的DCPI系统。这涉及预先设计、预先测试以及明确规格的模块化组件，从而避免前述问题的出现。

鉴于前一种方法成本高昂且变化多端，第二种替代方案已被确定为未来数据中心规划与建设的行业标准。

2.3使用高效的DCPI设备

尽管相较于IT架构、适度规划的DCPI或DCPI系统设计，DCPI设备（例如电源和冷却设备）对系统总耗电量的影响相对较小，但在构建节能高效的数据中心过程中，设备的选择依旧是一个关键因素。

在选择供配电系统时，根据国际标准TIA942，数据中心的等级被划分为四个级别，从低到高依次为Tier I、Tier II、Tier III和Tier IV。而在国内，依据GB50174标准，数据中心的等级分为C级、B级和A级三个等级。为了满足不同等级的要求，供配电系统中会采用不同的配电方式。

在确定数据中心的制冷空调系统时，需关注以下要点：

1）冷热通道隔离技术的选择；

2）实现冷热通道的完全隔离；

3）对比各种冷却方案，选择既满足现场需求又具有节能效果的方案；

4）采用变频电机的空调系统；

5）尽可能提高冷冻水的温度。

如表1所示，节能效果体现在两个方面：一是IT设备能耗的降低，二是DCPI设备能源消耗的减少。

3安科瑞能耗统计分析（能源管理）解决方案

3.1概述

构建一个高效的能耗监测管理系统，实时测量并收集建筑中各类耗能设备的能耗数据，进而对这些数据进行统计和分析。该系统有助于精确设定各区域建筑的能耗经济指标和绩效考核指标，揭示能源使用的模式和浪费现象，从而提升人员的节能意识。

3.2平台部署硬件选型

3.3平台功能

① 构建数据中心智慧能源管理系统的核心架构，实时监控各个用能环节；

② 实现碳排放数据化：通过系统，可以分析人均能耗（包括水、电、能量），推动低碳办公的数字化；

③ 区域能效比：对比建筑单位内不同区域的能耗，便于进行能耗考核；

④ 同期能效比：对比同年、同期、同一区域的能耗，便于进行节能数据分析；

⑤ 能耗评估管理：依据能源消耗定额标准，包括约束值、标准值、引导值，分析单位面积能耗和人均能耗指标；

⑥ 能耗竞争排名：对比不同功能区的能耗，实现排名，以增强工作人员的节能意识；

⑦ 对能耗使用数据进行综合分析、统计、打印和查询等功能，并根据能耗监测管理系统的需要，选择不同样式的报表进行打印，为能耗运营管理部门提供可靠的决策依据；

⑧ 实时采集能耗数据，便于随时查询，并基于这些数据进行统计分析，监测异常能源用量，对能源智能仪表故障进行报警，从而提高系统的信息化和自动化水平。

4结束语

电能消耗通常均匀分布在IT负载和数据中心基础设施（DCPI）设备上。任何旨在减少电力消耗的策略，若要具备合理性，都必须将IT/DCPI系统作为一个整体进行综合考量，以便从中获得实际效益。

参考文献

[1]由一.如何降低数据中心电力能耗,2020.11：233

[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版.

审核编辑 黄宇