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節能減排 數據中心能效指標評測

2012-03-26 993 CIO時代網 編輯:sam

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        本指南根據國際相關組織的研究成果,結合我國數據中心實際發展情況,定義了利用效率(PUE)、局部PUE、制冷/供電負載和可再生能源利用率四個能效指標,提出了具體的測量方法和測量數據的發布要求等。

  本指南可用于對數據中心的能效進行測量同,便于運營者了解數據中心的整體能效狀況,也可為用戶比較不同數據中心之間的能效提供參考基準。

  本指南是在政府相關部門的指導的支持下,由“云計算發展與政策論壇”組織會員單位的相關專家共同編寫的。在編寫的中,得到了中國通信標準化協會CCSA和綠色網絡組織THE GREEN GRID,TGG的大力支持。

  本指南將根據數據中心節能技術,能效指標,測量水平等的發展,不斷修改和完善。

  一。前言

  當前我國各類數據中心總量約43萬個,可容納服務囂共約500萬臺,其中經營數據中心機房9211,面積約88萬平米,機柜數月17.7萬個,可容納服務器約200萬臺。隨著云計算的快速發展,未來5年國對數據中心流量處理能力的需求將增長7-10倍,機房面積需要再翻一番才能滿足云計算發展的需求。

  2011年,我們數據中心總耗電達700億千瓦時同,已經占到全社會用電量1.5%,相當于2011年天津全年的總用電量。數據中心的高能耗,不僅給企業帶來了沉重的負擔,也造成了全社會能源的巨大浪費。為了推動數據中心的節能排減,工業和信息部在《工業節能“二二五”規劃》提出,到2015年,數據中心PUE值需下降8%的目標。國家發改委等組織的云計算示范工程也要求示范工程建設的數據中心PUE要達到。5以下。

  我國目前尚未建立統一的數據中心能效指標體系,也缺乏相應的評估標準,便得各數據中心公布能效數據往往不能準確反映真寮能耗水平,不同數據能效結果之間缺乏可比性,給業界帶來諸多不變,也不利于數據中心節能減排目標的實現。

  二。數據中心的能耗組成

  數據中心一般由所在地電網或專用的發電設施提供電力,以經變,配電等壞節處理后,為數據中心的用電設備提供電源。數據中心的電能消耗由以下部分組成:IT設備,制冷設備,供配電系統,照明等其它消耗電能的數據忠心的數據中心設備。
 
 
 
  圖1 典型數據中心能耗組成
IT設備包括計算,存儲,網絡等不同類型的設備,用于承載在數據中心中運行的應用系統,并為用戶提供信息處理的存儲,通訊等服務。IT設備具體類型包括:(1)。服務囂類,列如機架式,刀片式或塔式等服務囂。(2)、存儲類,包括磁盤陣列SAN交換機等存儲設備,(3)、網絡類,包括交換機,路由器,以及防火墻。VPN負載均衡等各專用網絡設備;(4)IT支撐類:主要包括用于運行維護的監控管理等設備。

  數據中心制冷設備是為保證IT設備運行所需溫濕環境而建立的配套設施,主要包括:(1)機房內所使用的空調設備,包括機房空調,制冷空調。濕度調節設備;(2)提供冷源的設備包括風冷室外機,冷水機組,冷卻塔,水處理等;(3)如果使用親風系統,還包括送風,回風風扇,風閥等。

  數據中心供配電體統用于滿足設備使用的電壓和電流,并保證供電的安全性和可靠性,供配電系統通常由變壓囂,發電機,UPS,HVDC,電池,機柜配電單元等設備組成。

  數據中心中其它消耗電能的基礎設施,包括照明設備,安防設備,滅火,防水,傳感囂以及相關數據中心建筑的管理系統等。

  三。數據中心的能效指標

  數據中心能效指標是衡量數據中心能效的量化標準,它可以反映數據中心運行過程中的電能利用情況,作為數據中心設計和運維改進的重要依據,并為不同數據中心之間能效比較提供依據。

  綜合考慮數據中心能效指標的可測量性、可比較性和可優化性,本技術規范將PUE。局部PUE,指令/供電負載系數和可再生能源利用等四類能效指標作為數據中心能效測評的基本指標。

  3.1電(dian)能利用率(lv)
  PUE是國內外數據中心普遍接受和采用的一種衡量數據中心基礎設施能效的指標,其計算公式為:

  PUE=數據中心總耗電/IT設備耗電

  數據中心的總耗電是維持數據中心正常運行的所有耗電,包括IT設備,制冷設備,供配電體統和其它設施和耗的耗電的總和。如果數據中心所在建筑同時用于辦公等其它用途,剛辦公等所消耗的電能不包括在數據中心總耗電中。在數據中心中,只有IT設備的耗電被認為是有意義的電能。

  PUE的實際含義,是計算的提供給數據中心的總電能中,有多少電能是真正應用到IT設備上。根基定義,PUE值的取值范圍為1.0到無窮大,數據中心機房的PUE值越大,剛表示制冷和供電等配套基礎設施所消耗的電能越大。PUE定義簡單,易于操作,只需分別測量出數據中心總耗電和IT設備耗電,就能計算出數據中心的PUE值。

  3.2局部電能(neng)利用效(xiao)率

  pPUE是數據中心PUE概念的延伸,用于對數據中心的局部區域或設備的能效進行評估和分析。

  在采用pPUE指標進行數據中心能效評測時,首先根據需要從數據中心中劃分出不同的分區。列如,一個多層數據中心建筑中的一個機房,式者一個集裝箱數據中心的集裝箱模塊,都可以作為一個Zone。
 

 
  圖2 局部PUE計算示意圖
 
  如圖2所示,如果將數據中心劃分為ONE1和ZONE2兩個分區,剛數據中心的整體PUE計算公式為:

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

  其中:I是IT設備耗電,N是非IT設備耗電。

  Zone1和Zone2兩個分區的局部PUE為:

  pPUE1=(N1+I1)/I1

  pPUE2=(N2+I2)/I2
局部PUE用于放映數據中心的部分設備式區域的能效情況,其數值可能大于式小于整體PUE。要提高整個數據中心的能源效率,一般要首先提升PPUE值較大的部分設備式區域的能效。局部PUE于基于集裝箱,模塊化數據中心或者由多個建筑和機房構成的較大型數據中心的局部能效評估。

  3.3指令/供(gong)電負(fu)載(zai)系數

  制冷/供電負載系數分別是:CLF,定義為書數據中心中制冷設備耗電與IT設備耗電的比值,即

  CLF=制冷設備耗電/IT設備耗電

  PLF,定義為數據中心中供配電系統耗電與IT設備耗電的比值,即

  PLF=供配電系統耗電/IT設備耗電

  CLE和PLF可以看作是PUE的部分和深化,通過會別計算這兩個指標,可以進一步深入分析制冷系統和供配電系統的能源效率。如果忽略,安防等其它少量耗電,剛有以下的近似公式:數據中心總耗電=制冷設備耗電+供配電系統耗電+IT設備耗電以上各項處以IT設備耗電,可以變換得到:

  PUE≈CLF+PLF+1

  3.4可(ke)再生能源使用率

  可再生能源是指在自然界中可以循環再生的能源,主要包括太陽能,風能,水能,生物能和海洋能等。可再生能源對環境無害或危害極小,而且資源分布廣泛,適宜就地開發利用。RER,用于平衡數據中心利用可再生能源的情況,以促進可再生同,無碳排放或極少排放的能源利用;RER的定義為:

  RER=可再生能源供電/數據中心總耗電

  四。能效指標的測量方法

  能效測量方法是為計算數據中心能效,對數據中心及其子系統耗電進行測量的方法,包括測量點,測量周期及測量設備的要求等。

  4.1能校指(zhi)標測量點

  1)PUE指標(biao)測量點(dian)

  為計算PUE,需要在如圖書所示的數據中心示意圖中,測量數據中心總耗電及IT設備耗電,具體測量點如下:

  數據中心總耗電。在正常情況下,數據中心的電能由市電提供,測量點應取市電輸入變壓器之前,即圖書中的M2點作為數據中心總耗電計算中,需減去M4點測量的辦公等其它耗電。

  IT設備耗電。嚴格來說,IT設備耗電應該在各IT設備輸入電源處測量耗電量并進行加總中,但由于IT設備數量較多,這一方法將大大增加測量工作量和成本。因此,在實際操俆中,可在UPS輸出或者列頭柜配電輸入處進行測量,將測量值加總作為IT設備耗電,測量點即圖書中的M3點。
 

 
  圖3 PUE指標的測量點

 
  確定測量點之后,根據定義,PUE的計算方法為:

  PUE=(PM1+PM2-PM4)/PM3

  其中PM1為在M1點測得的用電量,依次類推。

  (2)pPUE指標測量點

  pPUE的具體測量與Zone的定義有關,在如圖案所示的區域Zone1的供電系統示圖圖中,可在M1點測量些區域總耗電,在M2點測量量IT設備耗電。
 

 
  圖4 局部PUE指標的測量點
 
  根據定義,Zone1區域的pPUE為:

  pPUE=PM1/PM2

  (3)CLF/PLE指標測量點

  為計算CLF和PLF指標,需要在PUE測量點的基礎上,增加制冷設備耗電,照明等其他設備耗電的測量點,既圖5中的M5,M6點。
 

 
  圖5 CLF/PLF指標的測量點

 
  根據(ju)定義,CLF和PLF的計算公式分別為:

  CLF=PM5/PM3

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

  (4)RER指標測量點

  如圖像所示,為計算RER指標,需要分別測量不同的供電方式供給數據中心的用電量,從頁計算出可在生能源供電占數據中心總耗電的比例。
 

 
  圖6 RER指標的測量點

 
  可再生能源供電可能來自市電,也可能來自于自供。假定市電中可再生能源占比r%,根據定義,RER的計算公式為:

  RER=(PM1*r%+PM3)/(PM1+PM2+PM3)
 4.2測量時間(jian)和(he)頻率

  能耗指標的數值受種因素的影響,會隨季節,節假日和每天忙閑時段的改變發生變化,因此為全面,準確了解數據中心的能效,推薦采用固定測量儀表,對數據中心能耗進行持續,長期測量和紀律。

  若數據中心未安裝固定測量設備,可采用鉗形功率計等設備測量數據中心IT設(she)備(bei)等短時(shi)用電(dian)量。

  建議測(ce)量的周期和頻率(lv)如下:A每次測(ce)量不小(xiao)于是小(xiao)時,B第天測量不少于2次(ci),建議業務忙時(shi)和閑時(shi)會(hui)別(bie)進行C每月不(bu)少于此天,建議(yi)在5日,15日,25日進行測量。

  如無特殊說明,數據中心PUEpPUECLF/PLFRER等能效指標,是指采用固定測量儀表,在指定測量并記錄至少一年的數據,數據中心如果選擇公布季度,月份,周,天或小時發布,能效數據,必須對其能效周期加以說明。其中季度可摟照春季,夏季,秋季,冬季劃分。

  4.3測量設備與系統

  (1)必(bi)須(xu)在(zai)規(gui)定的對應測(ce)量(liang)點進(jin)行測(ce)量(liang)。可(ke)安(an)裝固定測(ce)量(liang)設備,也(ye)可(ke)以(yi)利用(yong)供電。空調(diao)或IT設備(bei)內(nei)置的(de)測量功能。

  (2)測(ce)量設備的精度要求誤差不(bu)超過(guo)3%左(zuo)右(you)。解析度不低于(yu)0.1KWH

  (3)建議采用支持通過網絡自動上報(bao)或者(zhe)自動獲取能(neng)耗數據的智能(neng)測(ce)量儀表(biao),實現能(neng)耗遠程,自動化采集(ji)。

  (4)建議建設(she)能效(xiao)管理(li)系統(tong),實現對(dui)能耗數據的(de)統(tong)計(ji),分析(xi)和能效(xiao)指標的(de)自動計(ji)算。

  五(wu)。能(neng)效(xiao)指標的發布要求

  即使采用了相同的指標定義,測量點,周期和工具,數據中心的能效仍然可能會因為其所在地理位置,功率密度,主要業務類型,IT設備上架率不同而產生明顯差異。為更加全面,準確的反映數據中心能效,在公布能效指標數值時,建議包括以下相關信息:

  ·數據(ju)中心所(suo)在的地理(li)位(wei)置,至少(shao)精確到具體的城(cheng)市

  ·數據中(zhong)心進測試(shi)的具體時間段,室內個溫濕度等。

  ·數據中心(xin)的設計(ji)功率密度,單位為/機架;

  ·數據中心(xin)實際試用率,上架IT設備功率占(zhan)總設計IT功率的比(bi)例尺;

  ·數據中心建筑形式,單體機房,與辦公等混(hun)用或者模塊化等;

  ·數(shu)據中心供電和制冷方(fang)式,例(li)如高壓直流,風冷水(shui)冷式空調,自然冷源;

  ·是否采用了間接測量和(he)估(gu)(gu)算方法(fa),估(gu)(gu)算時的(de)測量點,熱負(fu)荷比例和(he)估(gu)(gu)算方法(fa)等。

  六(liu)。縮略語

  IDC Internet Data Center因特網數據中心

  PUE Power Usage Effectiveness電能(neng)利(li)用效率

  IT Information Technology信息技(ji)術

  SAN Storage Area Network存儲區域(yu)網(wang)絡

  VPN Virtual Private Network虛擬專用網絡

  UPS Uninterrupted Power Supply不間斷電源

  HVDC High Voltage Direct Current高壓直流

  pPUE Partial PUE局(ju)部PUE

  CLF Cooling Load Factor制冷負載系數

  PLF Power Load Factor供電負載系數

  RER Renewable Energy Ratio可再生能源利用率

  七(qi)。與TGG能效指標的比(bi)較

  TGG提出的數據中心能效指標主要有PUECUE碳利用軌CLF/PLEERE等,但是除了PUECLF/PLE,本論壇研究發現(xian)其它指標在(zai)可測量(liang)性(xing)和可適用性(xing)等方面均存在(zai)一定(ding)局限性(xing)。

  CUE需要測算數據中心CO2排放量或者根據(ju)CEF進(jin)行推算,CEF由(you)當(dang)地(di)政(zheng)府公布(bu),因此CUE在可(ke)測(ce)量(liang)性和(he)適(shi)應我(wo)國國情方面(mian)存在問題(ti)。ERE是對數據中心排除的熱氣進行再利用情況下的能源指標,但是目前我國數據中心極少的有對排除的熱氣進行再利用的,因此該指標在我國的實際應用還需要時日。

  本指南根據我(wo)國(guo)太陽能,風能等可再生(sheng)能源發展速度的現(xian)狀,新提出RER指標,針對利用可再生能源供電的數據中心,可再生能源的發展,論壇已經將該提交給TGG討論(lun)。

  本指南還對能效指標的測量方法進行了細化,明確了每個能效指標和各個測量點,給出了間接測量和估算的建議,完善了測量時間和測量頻率,對測量設備提出了具體的精度等要求,并提出了具體的能效指標發布要求,實現了數據中心能效指標的可測量,可發布和可比較。
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