| 摘要：当前企业和机构的数据中心大都面临日益严峻的高能耗挑战。供给数据中心的电力只有1/3用在IT设备上，数据中心节能降耗工作首先要搞清楚数据中心基础设施能耗的去向，各子系统的能耗状况和降低能耗的潜力，在此基础上制定出综合治理策略，仅从某一层次孤立解决问题的战略，只具有某一层次技术的厂商是不可能取得明显效果的。 |
10.5 数据中心的节能策略
数据中心节能降耗的最终效果体现在数据中心总设备能耗的降低。从能效指标PUE可以看出，数据中心总能耗的主要由两个因素决定：
1）IT设备能耗。这部分能耗对数据中心总设备能耗的影响是：IT设备能耗×PUE。也就是说，如果数据中心能耗指标PUE=3，那么当IT设备能耗降低1KW时，则数据中心总能耗就可降低3KW。而且数据中心的PUE值越高，降低IT设备能耗的作用越明显。
2）能耗指标PUE。PUE是在IT设备能耗为1的情况下计算的，所以PUE主要是由数据中心基础设施设备的能耗决定的。进一步讲主要是由供电、制冷等系统能耗决定的。
明确了以上关系后，节能降耗的工作就能有清晰的重点。
（1）降低IT设备能耗和提高基础设施能效并举
数据中心节能降耗应从两个方面入手，第一是减少数据中心IT设备对电能的需求，降低其能耗和发热量，第二是提高供电和制冷系统的效率，减少不必要的浪费。
数据中心在这两个方面都存在著很多问题：一方面IT技术迫于应用发展的的压力不断增加设备数量，提高计算密度，造成更大能源需求压力；另一方面，由于基础设施方案、设备和结构布局的不合理，特别是低效的供电和制冷系统，又浪费了大量能量。
减少数据中心对能量的需求，可使数据中心原有的供电和制冷容量满足数据中心更长时期的扩展需求，改变或延缓机构建立新的数据中心的计划。传统数据中心通常是采用超额供应策略来满足未来扩展的需求，不仅IT设备超额供应，供电和制冷基础设施也超额供应，这必然造成数据中心成本（购置成本和运营成本）的巨大浪费。
从微观角度讲，可以采用低功耗的芯片、节能外设以及节能服务器有效地减少数据中心的能量需求；从宏观角度讲，可以通过全面采用虚拟化技术以及实施服务器和存储整合解决方案，减少数据中心服务器数量和存储容量冗余，以及采用水冷却机柜提高功率密度、降低能耗等措施，既能满足业务需求，又能降低数据中心对供电和散热的总需求。
（2）综合节能策略
数据中心的节能降耗应采用综合节能策略，它贯穿于从规划、设计、建造、设备选型、维护管理等全过程，涉及到从IT设备芯片和器件，到服务器和存储等设备、放置各种设备的机架、再到整个数据中心基础设施（机房建设、供电、制冷等）。任何试图仅从某一层次孤立解决问题的战略，或者只具有某一层次技术的厂商都不可能取得成功。
概括起来综合节能策略应包括以下几个方面：
IT设备节能组件： 以节能组件设计；节能的服务器与存储设备；刀片系统与热量智能控制技术；机内高效电源；
IT动态节能管理：虚拟化技术；提高系统利用率；电源智能管理；
基础设施节能优化：提高设备利用率；高效供电系统和设备；动态智能散热技术；
紧耦合散热技术；机架水冷却技术；
节能咨询与服务：数据中心节能策略和规划；电力审计；制定环境改造计划；规划和运行能耗评估；
但是多数数据中心在规划之初，要想做到准确规划IT设备的具体型号、装机数量和电力需求具有相当大的难度，尤其是远期规划则更加难以预测。因此，在数据中心的规划建设过程中，只能依据经验数据和同行业现状，给出IT设备的总体能耗指标，设定数据中心的最大服务能力。
（3）机房建筑与布局的节能策略
绿色数据中心首先应当是绿色建筑。建筑物围护结构的能耗在数据中心总体能耗中也占有一定的比例，也是节能降耗应该重点关注的一个方面。
在设计数据中心机房围护结构时要考虑的主要问题之一是热隔离性能。由于机房中有大量的IT设备产生热量，冬季气温较低时，围护结构只能将少部分热量带走，大部分热量需要空调系统进行换热。而夏季气温较高时，围护结构却能显着的影响机房内的温度。因此，为了减小围护结构的影响，就需要使机房墙体具备较好的热隔离保温功能。
首先要做好机房的空间与平面布局规划，确定机房的场地分隔、工作流程以及建筑工艺。现行数据中心通常采用机房密闭护围、大空间、少隔断、适宜的空间容积、人机区域分离等。主机房内各IT关键设备区域用房应集中（相邻）布置，其它支持区和辅助房室内温、湿度要求相近的房间，也应相邻布置。在数据中心IT关键设备区域布置中，应根据IT关键设备种类、系统特性、设备的发热量、机柜布置密度、设备与机柜的冷却方式等，合理考虑数据中心机房区域、机柜列组、机柜内部这三个层面的精密空调设备制冷的气流组织。包括空调设备的位置布置、送回风方式、送风口和回风口设置等。采用“冷通道”与“热通道”的送回风通道、平衡和散列高密度机柜中的设备布置等，这些都是当代数据中心空间与平面布局所崇尚的设计理念与节能策略。
对于建筑体内的数据中心机房区域，需要在符合《公共建筑节能设计标准》的前提下，加强对数据中心机房区域进行建筑热工复合计算和设计处理。同时，根据数据中心所在外部环境、主机房区域的内外部环境，以及主机房内各功能区的内部环境，对IT关键设备区域加强措施，合理计算保温隔热的热工参数，选择适宜的围护结构与材料。在可能的条件下，使用传热系数（K）值小的绝热材料。对顶、地、墙的六方体进行隔热，以减少围护结构四周的传热系数，整体将数据中心的机房区域包裹起来，可以达到较好的密闭保温节能效果。
对数据中心的主机房区域应当采用无窗密闭护围，以避免和减少进入室内的太阳辐射以及窗或透明幕墙的温差传热。对数据中心的支持区和辅助房间等功能区采用有窗玻璃护围时，应该控制建筑朝向及窗墙面积比，采用双层玻璃窗或low-e玻璃（幕墙），并辅助采用遮阳设施（外遮阳、内遮阳等）来减少太阳辐射量。
（4）供电系统的节能策略
图10.5是一个典型的数据中心供电系统。在一个高性能的数据中心供电系统基础架构中，图10.5所列的配电环节和相应的设备都是必不可少的。我们在评估或测试数据中心供电系统效率时，一是要考察系统中所有环节和设备的能耗，而不是仅仅由主要设备（例如UPS）来确定系统的效率。系统中的配电、变压器、转换开关、谐波治理、线缆等，都在消耗着输入功率；二是不应只看所用设备的标称效率，而应考察在系统中实际运行状态下的效率。事实是，绝大部分设备的标称效率是很高的，例如UPS设备，尽管它的工作效率在系统所有设备中是最低的，但当前的UPS设备的标称效率普遍都在92%左右，很多大功率的特别是由无输出变压器电路组成的UPS，其满载标称效率可达94%以上，但在系统中实际的负载量和运行环境下，实际的工作效率要低得多。当然，供电系统中的其它设备工作效率同样是随着实际工作容量的下降而降低。
图10.5典型的数据中心供电系统配置
供电系统的节能主要依靠系统设计和产品性能的提高。对于机房供电系统的规划设计应注意以下几个方面：
合理规划供电系统裕量和系统冗余度，避免过度规划。特别是尽可能采用允许电源基础设施随着负载的增加而增加的模块化架构；
应当关注电力传输电缆的经济性选择，在电缆线损与价格上寻找平衡点，选用高效的变压器、转换开关、谐波治理、配电等供电设备；
供电系统中的无功功率主要是由高次谐波造成，治理谐波对降低设备和传输损耗，提高电能的使用效率至关重要，特别是要选用高输入功率因数的UPS设备；
选择高效UPS电源系统。重点关注设备在实际负荷情况下是否处于高效状态，目
前的UPS特别是无输出变压器UPS系统的效率在很大的负载范围内都可达到94%。
（5）制冷系统的节能策略
最近几年来，为了应对数据中心高能耗和高密度计算产生的巨大热量以及局部高温的难题，制冷系统从设计理念到新技术的应用都发生了巨大的变化。传统的设计理念房间房间制冷。图10.6是传统的未经节能设计和改造的数据中心能耗状况示意图，从中可清楚地看到在房间制冷的情况下制冷系统的能耗分布情况。
图10.6 传统数据中心能耗的分布示意图
从图10.5可以看出，在传统数据中心系统能耗指标PUE=3的情况下，制冷系统占1.55，也就是说，当IT负载功率为100KW时，制冷系统要消耗155KW的功率。其中，湿度调节用10KW，空调（空调设备自身损耗+冷热气流输送风机功率）用30KW，制冷用115KW。机房的热源除IT设备100KW之外，还包括照明及辅助用电设备10KW、UPS供电损耗20KW、谐波治理及其他供电设备损耗15KW、空调送风及湿度调节设备损耗40KW，再加上机房防护结构的传热和冷气的泄漏损耗等。要低消这些热源产生的热量大概需要200KW左右的冷量。但是，按照空调机制冷能效比为1：3的情况，110KW的制冷功率可产生330KW的冷量，这之间巨大的差距是空调制冷效率降低造成的。在实际运行中，空调机制冷效率根本得不到充分的发挥，影响空调机制冷效率的主要因素是：空调布局和气流组织问题，造成空调回风温度降低；室外与室内机的匹配问题、多台空调机制冷和湿度调节运行状态的设置问题等。在诸多原因中，冷热气流直接混合是最主要的原因，因此改善机房内的气流组织变得非常重要。
在当代的数据中心中，制冷系统的设计主要是针对制冷功率的浪费，已经采用的措施有以下几个方面：
采用盲板（空气挡板）防止热空气在机柜内循环；
机架摆放采用冷、热通道的布局；
正确的空调机的安放布局；
提高活动地板铺高，重视机房（特别注意活动地板下送风夹层）的密封；
关注机架制冷效果，提高机房室内温度；
采用不停电供电及冷冻水空调系统；
针对热点紧靠热源制冷；
在高密度区采用气流遏制系统（冷通道或热通道封闭）
采用自由制冷（Free Cooling）技术
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