数据中心节能和优化布局研究

周伏秋，谷立静，孟 辉

（1.国家发展和改革委员会 能源研究所，北京 100038；2.低碳经济技术中心，北京 100053）

1 数据中心概述

数据中心是一个聚集了大量服务器、存储设备、网络设备等IT设备的场所，是实现数据信息的集中处理、存储、传输、交换、管理等业务的服务平台。从物理层次看，数据中心主要由IT设备、配电系统和空调系统3部分构成。IT设备用于数据处理（服务器）、数据存储（存储设备）以及通信（网络设备），是实现数据中心功能的核心部分。配电和空调系统用以保障IT设备系统的正常运行。配电系统用于直流与交流转换，并确保为IT设备提供可靠的电源。空调系统保证IT设备在正常的温度和湿度下工作。

数据中心的发展大致经历了几个阶段。早期，计算机领域巨大的计算机房是数据中心的雏形。20世纪90年代，客户端/服务器的计算模式逐步普及，服务器开始被单独放置，数据中心开始流行。21世纪初，随着互联网的发展，互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）快速兴起，所能提供的服务不断升级。近年来，气候变暖、能源紧张等问题，使数据中心面临着降低能耗、节约成本的严峻挑战，数据中心节能受到前所未有的关注，“绿色数据中心”的概念应运而生，并将成为数据中心新的发展方向。

2 我国数据中心用电迅速增长且布局不尽合理

数据中心用电由IT设备、空调系统和配电系统用电3部分组成。IT设备用电约占数据中心总用电量的50%，其中服务器占40%左右，存储设备和网络通信设备各占5%左右；空调系统用电约占40%；配电系统用电约占10%。

近年来，随着国民经济和社会信息化的快速推进，我国数据中心电耗迅速增长。研究结果表明：2009年，我国服务器保有量约为366万台，数据中心总耗电量约为364亿kWh，占全社会用电量的1%。预测结果表明：未来10年里，我国数据中心很可能呈现爆发式增长。倘若未来数据中心电能利用效率仍维持在目前的水平，2015年我国数据中心用电量将达到1 000亿kWh左右，大体相当于三峡电站一年的发电量，2020年将超过2 500亿kWh。目前，我国数据中心大多集中于北京、上海、广东等电力资源紧缺、电价较高、室外温度较高的地区，一方面加大了当地供电压力，增加了运行成本，另一方面，布局过于集中也埋下了安全隐患。加强数据中心节能和需求侧管理，合理优化布局，是建设资源节约型社会的现实和迫切需要。

3 数据中心具有可观的节电潜力

3.1 数据中心总体节能潜力

IT行业通常用“电能利用效率”（PUE，指数据中心总用电量与IT设备用电量之比）这一指标来评价数据中心的能效水平。目前，我国各类数据中心的PUE大多在2.0～2.5之间，平均2.2左右，少数采用了节电技术措施的降至1.6～1.8，表明我国数据中心用电具有可观的节电潜力。

采用情景分析方法，对冻结情景、趋势照常情景、优化布局情景、最佳实践情景、前沿科技情景5种情景下我国数据中心能耗增长趋势、“十二五”期间总体节能潜力的分析和测算结果表明：如各种相关节电技术措施能及时、普遍推广应用，且合理优化数据中心布局，在前沿科技情景下，2015年全国数据中心总电耗可减少至377亿kWh，即可节电600亿kWh以上，相当于节约半个三峡电站的年发电量，其中，优化布局对实现上述节电潜力的贡献率约为20%。

3.2 数据中心技术节能潜力

数据中心节能技术可分为IT设备节能技术、空调系统节能技术和配电系统节能技术3大类。

（1）IT设备节能技术包括节能型服务器、刀片式服务器、服务器的虚拟化技术、存储虚拟化技术、自动精简配置技术、重复数据删除技术、网络构架节能。

（2）空调系统节能技术众多，大体可分为5类。①利用自然冷源的节能技术，例如：热管空调技术、空气侧节能装置、水端节能器；②空调形式节能，如：中央空气处理装置、直接液冷空调、机架式空调、高热密度空调等；③节能空调设备，如：高效冷水机组和高效机房空调；④气流组织优化；⑤智能控制技术，如：空调系统虚拟运行技术、湿度控制技术。

（3）配电系统节能技术主要有高效UPS、UPS虚拟运行和改变服务器供电方式等技术。

关于我国数据中心技术节能潜力的分析结果表明：IT设备系统的综合技术节能潜力大约在11%～39%之间，平均为25%；空调系统的技术节能潜力在4%～69%之间，平均为36%；配电系统的综合技术节能潜力在8%～27%之间，平均为18%。如果数据中心在IT设备、空调系统和配电系统方面均采用一定的节能技术，则可能实现的综合技术节能潜力在13%～57%之间，平均为35%。

4 数据中心优化布局的必要性和可行性

受经济发展水平、业务量等因素的影响，目前我国数据中心大多集中在北京、上海、广东三地。与之相比，西部和东北一些省份具有电力资源丰富、电价地价较低、气温较低、自然冷源较多等优势。数据中心向这些地区转移，一方面可有效缓解电力紧张压力，降低建设和运行成本；另一方面可以减轻电力、煤炭的远距离输送压力，提高能源、资源利用效率，同时还可促进相关地区优化产业结构，带动当地信息服务产业发展。

数据中心的优化布局，需要综合权衡和考虑资源禀赋、气候条件、资源价格、政策环境、基础设施、配套产业、人力资源、企业意愿、社会稳定等诸多因素。综合考虑上述因素，选取重庆、四川、陕西、青海、宁夏、甘肃、内蒙古和黑龙江8个省（区、市）进行了优化布局的可行性分析。分析结果表明：

（1）承接数据中心转移布局客观条件（电力资源、气候条件、电力价格、土地价格）比较好的省份依次是：内蒙古、青海、宁夏、黑龙江、甘肃、陕西、四川和重庆。

（2）承接数据中心转移布局软硬环境（政策环境、基础设施、人力资源、信息服务产业发展）比较好的省份依次是：重庆、陕西、四川、黑龙江、甘肃、内蒙古、青海、宁夏。

（3）在节能和成本方面比较有优势的地区，在政策环境、基础设施等方面较差，反之亦然。综合条件较好的省份是黑龙江和甘肃。如果国家近期开展优化布局试点，建议优先考虑这2个地区。

（4）内蒙古客观优势明显，国家可以考虑给予政策倾斜，引导数据中心向该地区布局。青海、宁夏客观优势也比较明显，但基础设施、产业发展方面较为滞后，可以在其发展较好的城市加快配套设施建设，为承接数据中心优化布局奠定基础。陕西具备一定的成本优势，且软硬环境较好，对于数据中心服务商、网络服务商来说，也是较好的备选地区。

5 数据中心优化布局的效益分析

选取典型数据中心，对其优化布局的节能和经济效益进行了量化分析。分析结果显示：

（1）单纯考虑气候因素对数据中心空调负荷的影响，则优化布局的节能效果微弱。但是考虑采用自然冷却空调技术后，气候因素带来的节能效果明显。以热管空调技术为例，同样的数据中心使用该项技术，在华南地区（如：深圳），空调系统节能率仅为14%，而在年均气温较低的西北和东北地区（甘肃、青海、宁夏、内蒙古、黑龙江），节能率可达50%以上，青海地区节能率高达70%～80%。就数据中心整体而言，该技术可使东部地区和西部的重庆、四川、陕西等地数据中心实现节能10%～20%，PUE降至1.6～1.7；可使年均气温较低的西部和北部地区数据中心实现节能20%～30%，PUE降至1.6以下。可见，如果采用自然冷却空调技术的数据中心从华中、华南等地转移到西北和东北一些地区，则可使数据中心整体能耗再多降10%左右，其中西宁地区可再多降16%。这些增加的降幅便是气候因素带来的节能效果。

（2）西部的甘肃、青海、宁夏、内蒙古四省电价优惠，数据中心从上海转移到这些地区后运行成本节约效益显著。如果都按照商业电价考虑，可节约17%～37%；如果都按照大工业电价考虑，可节约35%～55%，两方面都是青海地区的节约率最高。如果都按照商业电价考虑，数据中心从上海转移到陕西和黑龙江两省，也可节约运行成本8%，但转移到四川和重庆，运行成本则会增加。如果都按大工业电价考虑，则陕西、黑龙江、四川、重庆四省也都有较好的运行成本节约效果，转移到陕西和黑龙江可节约25%以上，转移到四川和重庆可节约10%以上。可见，西部地区在大工业电价方面更具优势。特别地，一些运营性的数据中心在东部地区常常不易获得工业电价的待遇，而到西部地区则比较容易获得，所以对数据中心运营企业来说，这种优化布局的成本节约效益将更为突出。

（3）如果仅从节能效益和成本效益来考量，最适宜数据中心优化布局的地区是青海，其次是甘肃、内蒙古、宁夏和黑龙江。西部的重庆、四川和陕西等地因年均温度较高，节能效益与华中地区相当，好于华南地区，不如华北地区，所以，单从节能效果看，重庆、四川和陕西不是首选的数据中心优化布局地区。但是由于其电价方面较东部部分地区尚有一定优势，特别是大工业电价方面优势较大，所以从运行成本角度看，也可以作为运营性数据中心企业备选的布局区域。

（4）我国70%的服务器都放置在设备间和小机房级别的数据中心中。对数据中心的建设地域进行合理选择的同时，还应考虑将数据中心资源进行整合，尽量减少分散的小机房，引导其租用大型数据中心的服务，以形成一定的规模效益，进一步降低能耗。资源整合也是优化布局的一个方面。

对2种情形下数据中心优化布局的规模效益进行了定量分析：第一种情形是将面积在100m2量级上下的小型数据中心（如：政府、学校、医院等机构的机房）整合为大型数据中心；第二种情形是将面积在20m2左右的小机房（如：中小型企事业单位的服务器间）整合为大型数据中心。分析结果显示：将小型数据中心整合为大型数据中心时，可实现初投资节约31%，运行能耗节约19%，运行成本节约29%；将设备间、机房整合为大型数据中心时，可实现初投资节约71%，运行能耗节约26%，运行成本节约53%。

6 政策建议

尽管我国数据中心具有可观的节电潜力，但目前还缺乏国家、行业层面的强制性标准和激励性政策等推进措施，建议通过采取一揽子措施加以推动。

（1）制订和完善数据中心相关能效标准

一是修订现有的数据中心机房设计规范，使其更符合节能需要，如：适当提高机房室内设计温度等。目前，有些数据中心按照《公共建筑节能设计标准》进行设计，机房保温过好，反而影响散热，应尽快制定出台适宜数据中心的建筑设计标准，或在已有相关规范中补充相关设计条文。

二是尽快制定出台服务器能效标准，逐步制定出台存储、网络设备等其它IT设备能效标准。

三是研究制定数据中心能效标准，规定数据中心及其所用设备的能效水平。目前数据中心能效多用PUE来衡量，但该指标只能反映空调、配电及其它辅助系统的能效水平，无法反映IT设备的能效水平，不够全面。

（2）建立数据中心能效检测和标识机制

一是委托独立的检测机构，对数据中心IT设备的能效进行标识，结合能效标准，限制低能效设备进入市场，推行高能效设备。

二是委托独立的评估机构，对拟建数据中心的能效进行评估，不符合能效标准的不允许开工建设。对现有数据中心开展能效检测，达不到入门标准的，要求尽快整改。

三是研究制定绿色数据中心评价体系，为开展绿色数据中心试点和推广提供基础，并依据该体系对数据中心的绿色级别进行评定和认证。绿色数据中心评价体系应是一个综合全面的体系，同时考虑节能与环保，涉及建设、运行、管理等方面，绿色数据中心的各个设备和系统应该同时符合其各自的能效标准要求，并使数据中心整体达到较高的能效水平。

（3）数据中心节能技术研发、示范和推广

鼓励、支持数据中心节电技术的研发，对前沿技术组织科技攻关，为数据中心节电提供坚实的技术支撑。组织开展绿色数据中心示范工程，示范应用各种数据中心节电技术，并对各技术的节电潜力进行实际测评。在示范的基础上，推广应用潜力大、经济性好的技术，如：利用自然冷源的空调技术，IT设备及空调、配电系统的虚拟运行技术等。

（4）组织开展数据中心优化布局试点

建议先考虑在气候条件较适宜、基础设施比较完善的黑龙江、甘肃地区开展试点，引导现有部分数据中心和拟新建数据中心向西部和北部适宜的地区布局，同时引导相关基础设施（电网、宽带、通信网络等）向试点地区加快发展。此外，组织开展数据中心整合试点，选取特定区域或行业，通过采取能效准入等措施，引导当前分散的数据中心进行资源整合，形成规模效益。

（5）制定和实施数据中心节能财政激励政策

将节能型IT设备纳入政府采购目录，引导全社会购买和使用节能型IT设备；对购买节能型IT设备的单位给予财政补贴；对数据中心能效达到先进水平的单位给予财政奖励；对采用合同能源管理方式进行数据中心节能改造的单位给予财政奖励。