数据中心降低PUE值的方法研究

李 皓, 周 唯, 刘文意

(国网上海市电力公司信息通信公司 数据运维中心, 上海 200436)

2016年11月14日,全球碳项目(Global Carbon Project,GCP)官网发布了《2016年全球碳预算报告》,预计2016年全球化石燃料及工业二氧化碳排放量将达到36.4 Gt(碳),其中中国占总占比的28.3%[1],到2020年,全球IT(信息技术)相关的碳排放量也会突破1.54 Gt大关[2]。随着科技的进步和社会的发展,数据中心的能耗问题已成为业界重点关注的问题之一,阿里、谷歌、百度等国内外先进IT企业新建数据中心的电能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)值都能达到1.3以下[3-5]。在此背景下,有效降低数据中心PUE值成为本文研究的重点。

1 PUE的定义和测量方法

1.1 PUE的定义

PUE作为衡量数据中心动力与环境设施的指标,被国内外各数据中心普遍接受。PUE的概念在2007年由绿色网格(The Green Grid,TGG)组织发展和完善,其计算公式为

(1)

式中:PTOTAL——数据中心总能耗;

PIT——数据中心IT设备的能耗。

通常,PTOTAL为数据中心供配电系统、制冷系统、辅助系统(包含消防、安全防护、新风、监控平台、机房照明等子系统)和IT设备的用电量的和,而PIT仅为信息机房内所有IT设备的用电量的和。

1.2 PUE的测量方法

根据式(1),我们不难发现,PUE作为一个比值,它的值越接近1,表示被测数据中心的电能转换效率越高。由于各种客观条件的变换对PUE值存在明显的影响,因此某一特定时刻的PUE值并不能反映数据中心的真实能耗转换率,采用年平均PUE值作为衡量指标更具说服力,也更贴近实际。

PTOTAL中包含多个子系统的能耗,难免存在统计方面的疏漏。实际上可以采用数据中心电源输入侧PIN的测量值作为式(1)的分子PTOTAL。PIT的测量比较明确,直接计算数据中心机房内的IT设备用电量即可,即

(2)

PUE作为衡量指标在国际上被普遍接受,但几乎每个厂商对PUE的具体测量方法均存在偏差。不论是数据中心内的办公电源、公共区域内的辅助设施、供配电路径上的电能损耗等都是维持一个数据中心正常运行必不可少的能源输出。我们不应该为了更低的PUE值而忽略这些实际存在的损耗。本文关于PUE值的讨论,均基于式(2)展开。

2 影响PUE值的因素

2.1 供配电系统的损耗

传统的数据中心的供电方式,多采用不间断电源(Uninterruptible Power System,UPS)供电,其示意图如图1所示。在正常运行状态下,电网的电压经过UPS的整流器和逆变器再供给负载,经历了一次交流变直流,再由直流变交流的转化过程,电能的每一次转化都会产生功率损耗。电能变化环节冗余是传统数据中心交流母线供电系统结构存在的主要问题[6]。数据中心内部变压设备的损耗也是不能忽略的电能流失环节。大型数据中心一般都具有数量庞大的电缆,这些电缆的损耗也是客观存在的。

图1 传统数据中心供电方式示意

2.2 制冷系统的能耗

传统数据中心内,供电系统和机房的IT设备等在正常运行状态时都会产生大量的热量,数据中心主要的制冷能耗也产生于此。一个数据中心的正常运行需要有一个良好、稳定的环境,各类IT设备、电气设备、辅助设备、办公设备等都会产生一定程度的热能,制冷系统的存在就是为了平衡数据中心内部的热能。要降低制冷系统的损耗,最关键的还是要提高制冷设备的制冷效率和冷源的利用率。

2.3 辅助系统的能耗

数据中心的辅助系统一般包含消防、安保、新风、监控、照明等系统。这些系统都是支撑数据中心的必要环节。随着发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的普及,现在的数据中心多采用LED的智能照明系统,照明系统的能源利用率已有显著提升。但其他辅助系统产生的能耗同样影响着PIN值,消防、安保、监控等系统对数据中心的运行至关重要,在没有技术保障的情况下,很难采取有效的节能措施。

3 降低PUE值的方法

3.1 优化数据中心供电结构

传统数据中心供配电系统的能耗,可以占到PIN的21%[7],优化供电结构,降低其在PIN中的占比,对降低PUE值有比较明显的效果。

目前,高压直流母线的供电结构在国内外的数据中心得到了广泛应用。与传统供电方式相比,高压直流母线的供电结构省去了逆变环节,提高了电能传输的效率,具体如图2所示。以一个网络数据中心为模型,将220 V交流供电系统与300 V直流供电系统在相同的负载下进行了效率对比,直流系统的效率要高出15%[8]。

图2 高压直流母线供电示意

近年来,48 V整机柜供电架构的供电方式也日趋成熟,具体如图3所示。这种供电方式完全去除了机房级UPS,直接在机柜中配置电源供应器(Power Supply Unit,PSU)模块、模块化的UPS及锂电池包,由机柜的48 V母线排直接向服务器供电。随着服务器主板支持48 V直流电源输入的中央处理器(Central Processing Unit,CPU)降压模块技术的成熟,这种48 V的供电架构,从电网到CPU全路径上,只经历了一个中间转换环节,大幅提升了电能的使用效率。48 V整机柜供电架构的电能利用率可以达到92.1%[9],明显高于现有的其他供电方式。

图3 48 V整机柜供电架构示意

3.2 提高制冷效果

数据中心制冷效果的提高,包括制冷系统本身制冷效率的提升以及合理利用已经产生的冷量。传统数据中心多采用离心式冷冻机、风冷螺杆冷水机组等作为制冷源,虽然制冷效果较好,但是电能消耗巨大,传统制冷系统的能耗甚至超过PIN的1/3。如何减少制冷系统的能耗是每个数据中心面临的难题。

现在,越来越多的数据中心机房采用了冷热通道隔离的方法来提高制冷系统的工作效率,采用冷封闭通道与精确送风、回风来改变气流组织的流向,达到节能的效果。冷封闭通道如图4所示。随着季节的变化,数据中心对温度的要求也在不断变化,合理调整制冷系统的运行方式(例如晚间、冬季减少制冷设备的开机数量等)也是降低制冷系统能耗的一种选择。

图4 冷封闭通道示意

虽然制冷设备制冷效率的提升能减少制冷系统的能耗,但制冷设备本身仍在运行,设备运行消耗大量电能仍无法避免。目前,通过自然冷源对数据中心制冷的概念在业界已得到广泛认可,合理利用自然资源,降低数据中心的能耗已成为主流趋势。

2017年4月,国网上海市电力公司信息通信公司完成了位于上海市静安区一处机房的冷封闭通道改造工作。该机房改造前采用的是传统的精密空调下送风整机房制冷模式,冷量浪费严重,气流组织紊乱。2011年投运后,其PUE值一直在2.1～2.5,居高不下。改造后,当年7月和8月的平均PUE值约为1.86,相较于历年同期的均值2.42显著降低,下降了23.14%。

3.3 提高机房温度

我国对互联网数据中心(Internet Data Center,IDC)机房有A,B,C 3个级别的划分,其中A类机房开机温度要求为23±1 ℃。随着科学技术的不断发展,当环境温度达到30 ℃时,大多数的信息设备仍保持正常工作状态。

通过记录同一机房在22 ℃和28 ℃两种环境温度下运行1个月的制冷系统能耗,分析机房温度对PUE值的影响,结果如表1所示。从测算结果中不难发现,机房温度由22 ℃升至28 ℃后,制冷系统能耗下降了9.92%,PUE值下降了10.21%。因此,适当提高制冷系统的出风温度,能够显著减少制冷系统的能耗。目前,国内外的许多数据中心都将机房的工作温度设定在28 ℃左右,随着信息设备抗高温能力的提升以及节能环保的需求,提高运行机房的环境温度必然是未来数据中心的发展趋势。

表1 机房制冷系统能耗及PUE值

3.4 科学选址

数据中心的选址需要结合地理条件、电力环境、网络环境、物业环境等方面进行综合考虑。本文仅针对如何选址才能最大化地节约能源进行讨论。为替代高能耗的传统制冷方式,自然冷却技术伴随着数据中心的发展也在逐渐成为IDC机房主流的冷却方式,常用的自然冷却方式主要包括风冷式直接蒸发冷却和水冷式冷水机组冷却。

我国大部分地区气候分明,气象数据存在明显的季节性波动,表现为数据中心夏季、冬季制冷系统能耗存在明显的峰值、谷值。在其他基础条件允许的情况下,建议在严寒地区(最冷月平均温度≤-10 ℃)[10]建立大型数据中心,充分发挥气候优势,减少制冷系统的负荷。但严寒地区通常基础建设等条件较差,大部分企业还是会选择在经济较发达的地区建立数据中心,而这些中心相对严寒地区,没有环境上的优势。这类地区可以选择在靠近湖泊或大海等水资源丰富的地方建立数据中心,使用水冷式冷水机组制冷,在夏季或极端气候时切换为蒸汽压缩制冷模式。这种复合型自然冷源系统的优点在于:室外气温远低于数据中心环境要求温度时,可以完全依靠自然冷源,只在必要时开启冷冻机组制冷,大大降低了数据中心的能耗水平。

4 结 语

本文从影响数据中心PUE值的因素入手,通过对数据中心环境动力系统的分析,得出了降低PUE值的一些方法。具体如下:优化数据中心的供电结构,采用高压直流母线的供电结构或48 V整机柜供电架构的方式进行供电,以降低供电系统的能耗;使用冷热通道隔离的方式布置机房,最大限度地利用制冷资源;按照机房的实际负载情况,合理提升机房的运行温度,降低制冷系统的能耗;尽量选择在严寒地区建立大型数据中心,选择自然冷源充足的地方,充分利用自然冷源,以降低数据中心的能耗。