云计算中心节能评估分析

王 菁

（山西省投资咨询和发展规划院，山西 太原030073）

0 引言

云计算被称为继大型机、个人计算机、互联网之后的第四次浪潮，已成为全球未来信息产业发展的战略方向和推动经济增长的重要引擎。我国“十二五”规划纲要明确指出要大力发展云计算，加快云计算服务平台建设。建设绿色、节能的云计算数据中心成为建设资源节约型和环境友好型社会的新要求。

1 云计算中心的能耗现状

随着云计算的发展，数据中心建设的推进，能源消耗问题也成了最大挑战。通过对我国云计算数据中心能耗问题的综合分析，不难发现数据中心的电耗呈现逐年增长的趋势。2009年，我国云计算中心总耗电量为364亿kW·h，占社会总耗量的1%；2011年，我国数据中心总耗电量达700亿kW·h，占到全社会用电量的1.5%。

我国政府高度重视云计算及其发展趋势，将云计算视为下一代信息技术的重要内容。工信部的《工业节能“十二五”规划》中明确指出，2015年数据中心PUE值（电能利用效率）降8%，在发改委的“云计算示范工程”中要求数据中心的PUE＜1.5，而目前中国的PUE大多在2.0～3.0之间。

这些都要求对云计算中心的建设使用进行严格的节能评估，保证云计算中心的建设符合国家的发展要求。

2 云计算中心主要能耗节能评估

2007年，LBNL（美国劳伦斯伯克力国家实验室）在调查12个云计算中心用能时发现，其耗能主要是电能，功耗分布为：IT设备占46%、制冷系统占31%、UPS占8%、照明占4%、其他功耗占11%。

以某云计算中心为例，通过对其集团数据中心、公共数据中心、研发数据中心、配套数据中心及云计算配套用房等建设内容的分析，该云计算中心的主要能耗为服务器、交换机等设备以及空调系统、采暖系统、供配电及照明系统等。

2.1 主要IT设备节能评估

2.1.1 设备分析

作为云计算中心的核心，大量的IT设备是必不可少的，为了系统正常高速运转，必须采用高性能设备，但在其高性能同时，还应考虑节能［1］。根据可行性研究报告，采用X86系列Intel CPU刀片机组服务器；存储设备配置34 792块600G光纤磁盘，总容量达到20 875T，15 000r，另外配置热备盘1 000块；云计算平台采用百万兆以太网技术进行组网。

经过节能分析，认为选取的设备性能较好，而且节能，配置合理可行。

2.1.2 节能分析

通过对目前市场上主要的塔式、机架式、刀片式服务器进行分析，认为刀片式服务器在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的服务器单元，实现高可用性和高密度。每一块“刀片”实际上就是一块系统主板。它们可以通过“板载”硬盘启动自己的操作系统，类似于一个个独立的服务器，在这种模式下，每一块母板运行自己的系统，服务于指定的不同用户群，相互之间没有关联［2］。管理员可以使用系统软件将这些母板集合成一个服务器集群。与传统的塔式、机架式服务器相比，刀片服务器具有低功耗、占用空间小、单机售价低等特点，能最大限度地节约服务器的使用空间和费用，并为用户提供灵活、便捷的扩展升级手段。

2.2 空调系统节能评估

2.2.1 系统分析

可行性研究报告中，集团数据中心、公共数据中心、研发数据中心均采用工艺空调，配备水冷机组及恒温恒湿机；云计算配套用房采用变频多联空调机，夏季制冷，冬季采暖。

由于数据中心的IDC机房、UPS室、空调控制室、发电机控制室、主配线区主要集中布置于公共数据中心、集团数据中心、研发数据中心三层以上建筑内，因而宜采用工艺空调，冷源为离心式冷水机，采用N＋1配置，一台备用，安装在公共数据中心地上一层及研发数据中心地下一层内；每台冷水机配备冷却塔，冷却塔集中布置于公共数据中心与集团数据中心顶层，当室外环境温度较低时，关闭制冷机组，采用板式换热器进行换热，实现自然冷却；工艺空调末端采用水冷精密空调机，即恒温恒湿风柜＋浸透气化式加湿器，采用N＋1配置。

研发数据中心三层以下各空调区域以及集团数据中心与公共数据中心的高低压配电室、消防控制室、门厅、值班室、前室等采用舒适空调，冷源为离心式冷水机，不设备用，安装在研发数据中心地下一层冷站机房内，同时每层单独设置新风机组；每台冷水机配备冷却塔，集中布置于公共数据中心与集团数据中心顶层；舒适空调末端采用吊顶式风机盘管［3］。

云计算配套用房采用变频多联空调机，夏季制冷，冬季采暖。

2.2.2 节能分析

空调系统根据功能进行分区布置，不同区域采用不同的空调方案，这样有利于降低空调冷负荷。

在数据中心工艺空调区域，由于冬季散热量大，仍需要空调制冷，这时采用冷却塔供冷技术（自然冷却工况），即当室外环境温度较低，冷却塔可以提供10℃左右的冷却水时，系统将进入完全自然冷却状态，冷冻水经板式换热器与冷却水水水交换，直接提供12℃的冷冻水，冷水机组关闭，这样可以减少冷水机组全年运行时间，显著节约冷水机组电耗，通过计算约节电3 595万kW·h。

2.3 采暖系统节能评估

2.3.1 系统分析

可行性研究报告中采暖方案为：冷冻站发电机房冬季采暖采用散热器接入市政热力管网，不单独设置集中采暖系统，采暖热媒为45～40℃热水；云计算中心配套用房等采用变频多联空调机，夏季制冷，冬季采暖。

经过节能分析，认为该项目可采用水源热泵机组回收冷却塔排出的热量，作为冬季采暖热源。

2.3.2 节能分析

如果采用集中供热方案，根据CJJ34—2010《城镇供热管网设计规范》计算，项目采暖期建筑物空调采暖耗热量为9 563GJ／年，根据 GBT2589—2008《综合能耗计算通则》，热力折合标煤系数取34.12kgce／GJ，计算得本项目能评后热力能耗折合标煤量为326.3tce。

若采用水源热泵机组作为冬季采暖热源，根据计算，机组年耗电量为111万kW·h，折合标煤136.4tce。

如果采用集中供暖，冷却循环水废热不能得到充分利用，采用水源热泵机组后，项目可充分发掘周边采暖热负荷，以水源热泵的形式为周边区域集中供热，最大限度回收冷却塔废热，可为周边约50万m2建筑提供冬季热源，既不浪费余热，又节约能源，实现了能源梯级利用。

2.4 供配电系统及照明系统节能评估

2.4.1 系统分析

可行性研究报告中指出：拟由开发区变电站分别引来两路110kV电源。考虑到一级负荷的可靠性要求及用电量大的情况，要求均为专线。两路110kV电源互为热备用，正常运行时同时工作，每路负荷率不大于50%；当一路电源发生故障时，可闭合联络开关，由另一路电源保证所有二级及以上负荷的正常运行［4］。同时设置UPS供电及应急柴油发电机组。

2.4.2 节能分析

变电所设置集中低压电容器补偿装置，功率因数由0.8～0.85提高至0.9以上，可减少电力损耗。根据需要将高低压变配电室设置在不同区域，同时将UPS电源分区模块化配置，并安装节能灯具和用电分项计量装置，采用分区控制方式。这些措施的实行节约了电能，降低了能耗。

2.5 能效水平分析

PUE是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比［5］。经过计算，本项目PUE值为1.45，根据PUE常用评价参考标准表，该云计算中心属于“优秀”级别，能源利用率较高，符合低碳、节能的要求。

3 结语

节约能源是中国经济发展的一项长期战略方针，其不仅是为缓解能源供需矛盾，更是为促进国民经济健康发展和保护环境，同时对产业结构调整和升级具有重大意义。因此，云计算中心工作系统的建立以及运行，必须综合分析各个耗能点，并采取相应措施来降低能耗，以期尽早实现云计算数据中心的绿色目标和节能减排目标。

［1］殷波，王颖，孟洛明，等.综合迁移成本和通信成本的云计算节能策略［J］.北京邮电大学学报，2012（1）

［2］廖彬，于炯，孙华等.基于存储结构重配置的分布式存储系统节能算法［J］.计算机研究与发展，2013（1）

［3］王意洁，孙伟东，周松，等.云计算环境下的分布存储关键技术［J］.软件学报，2012（4）

［4］廖彬，于炯，张陶，等.基于分布式文件系统HDFS的节能算法［J］.计算机学报，2013（5）

［5］李建敦，彭俊杰，张武.云存储中一种基于布局的虚拟磁盘节能调度方法［J］.电子学报，2012（11）