近年来随着信息化产业的高速发展，互联网经济日益壮大，对数据的传递、加速、展示、计算、存储的承载体——数据中心的需求大增，各地纷纷建设大型、超大型数据中心，但同时极大的能耗也成为影响城市发展的瓶颈之一。

一个现代化大型数据中心的能耗究竟有多大，对一个城市发展的影响有多深，通过一个实例可探究竟：2015年新建的上海浦东新区某数据中心，建筑面积22万㎡，部署数据机柜18000台，单机柜功耗4.5KW，IT设备总功耗为81000KW（81MW）；项目总能耗估算为年用能176780吨标准煤（电力折标系数取等价值），占浦东新区五年规划期能源增量控制目标（154万吨标准煤）的11.5%；

如果IT设备能耗目前被芯片技术发展所局限的话（CPU为硅片），那如何提高数据中心能效就是值得研究和大力推广的。本文针对提高数据中心的能效问题提出最佳的实践途径。

数据中心能耗分析

数据中心主要能耗为电能，电能主要用于IT设备，为IT设备冷却的制冷系统、动力设备、照明以及各类电气设备的自身消耗；以一个在上海地区现代化的大型数据中心（按机房建筑面积为80000平方米，装机量为10000个机柜，每机柜功耗为5KW计）为例，按照A类机房建设标准，采用精密空调制冷，工频UPS机组设置，设计PUE为1.8（推演数据），按此模型案例来分析数据中心各系统的能耗情况。

本案例装机量为10000台IDC机柜，机柜功耗为5KW，按年运行天数为365天，每天连续运行24小时，则IDC机柜年用电量为35040万千瓦时，详见表1。

项目配置500KVAUPS机组250台，采用2N+1模式在线运行，设备容量为125000kVA，UPS机组效率设为0.95%、电池充放电按0.03损耗计，则年耗电量为8760万千瓦时，详见表2。

数据中心机房空调制冷量计算，按IT设备实际发热量（IT设备额定功率乘以使用量系数，使用系数取0.8），加上机房环境的需冷量（机房面积按80000㎡计，制冷功率按120W/m2计）；

高低压变配电系统按20万KVA配置，使用系数1，综合效率0.99%，照明功率按15W/m2计，动力（通风及给排水设备）按35W/m2计，电梯设备按7W/m2计，则机房区空调及其他设备年用电为19209万千瓦时，详见表3。

综上所述，该项目年耗电量为63321万千瓦时，详见表4；项目PUE为1.8（PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗）。

数据中心最佳的节能途径

通过上述模型案例的用能情况，可以较清楚地了解数据中心各系统的能耗情况，针对性地提出数据中心最佳的节能途径。

对各项用能子项的测量与分析有助于对各子项的有效控制。详细测量用能数据，有利于分析并采取有效的节能措施,提升数据中心整体能效。

能效对标是指将本数据中心与同行进行对比，从而找到可以提升能效的有效途径。对目前世界各地数据中心的能效进行分析研究，可以看到各数据中心的能效表现有很大的差异。虽然造成各数据中心能效差异的原因有很多，但采用能效管理的数据中心的PUE明显低于未采用能效管理的数据中心。据美国贸发署数据中心研究项目，2016年世界数据中心平均PUE为1.83。

从图1中可以看到，数据中心的主要用电设备为IT设备，服务器作为IDC核心信息载体，通常必须长时间不间断运行，从而带来了巨大的电能消耗。服务器和网络设备的节能措施如下：

通过降低电压和频率来降低CPU动态功耗。在自主选择设备硬盘时，应尽量在满足容量的前提下选择较少数量的硬盘，在同等容量的情况下尽量选择小尺寸的硬盘，减少系统能耗。

安装虚拟化软件。在条件允许的情况下，尽量优化一些系统的运行情况，如调整数据库性能、整理磁盘碎片、防范恶意攻击而导致系统长期处于满负荷状态等，可大大提高服务器利用率，减少不必要的电能消耗。

采用冷通道封闭技术，可有效阻止冷热气流短路；一般数据中心机房的气流组织，如图2所示。

如图2所示，冷热气流短路，制冷效果较差，能效差。

近年来，数据中心各界专业人员针对这一现象，开展了一系列研究，提出了解决方案，如图3所示。

采用冷（热）通道封闭的装置，最佳解决了冷热气流短路的情况，大大提升了制冷效果，同时制冷的能效同比提升了15%。

在实际使用中，一个机柜内往往没有满配服务器，造成机柜中存在空位，这一空位直接导致冷空气短路现象，服务器制冷效果下降，所以必须关注这个情况，及时在机柜中空档处加设挡板，修补（冷）气体渗漏。

按照IT设备对环境温度的指标及冷却要求，在安全使用的前提下，建议将环境温度值设置在上限；同时减少对湿度的控制，在可接受的范围内，不对湿度进行控制。

随着近年来对节能的重视，目前芯片的耐温性明显提升，对机房环境的要求也有所下降，以下为一个2016年建造的数据中心采用的IT机房室内设计参数，如表5所示。

从表5可见，IT机房室内设计参数比GB50174-2008标准规定有了明显的降低，同时，采用机房集中式加湿、除湿一体机组，统一加湿并可以辅助机房除湿，摒弃了传统的精密空调电加湿器；通过这些节能的手段，综合制冷能效可提高10%-20%。

制冷是数据中心环境设备中最主要的能耗部分，有效降低制冷系统的能耗，有利于提升数据中心能效。可通过以下制冷方式大大提升制冷性能系数（COP），从而有效减低能耗。目前较先进的投运案例有以下几种：使用中央制冷系统；采用高效的水冷系统 ，制冷性能系数（COP）可以达到6以上；利用冬季、过渡季室外低温，关闭制冷机组，采用自然冷却方式制冷；采用高效的冷却设备（水冷机柜、冷却背板、机柜式制冷单元）。

增加高压配电，减少电压转化次数，缩短低压电缆的长度；变压器选用SCB11及以上节能型变压器，能效等级应达到《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》（GB20052-2013）能效指标的要求；

低压侧采用低压无功自动补偿装置，补偿后的10kV侧的功率因数应在0.95以上。

选用的三相化学电池UPS系统在额定输入电压、额定输出功率、电池断开条件下，UPS输出端的功率与输入端的功率之比应满足《不间断电源节能产品认证技术要求》（CSC/T43-2006）节能指标规定的要求（10kVA及以上UPS系统≥97%），检查UPS机组的冗余度，尽量减少冗余度，提高UPS机组运行效率。

合理配置照明且采用高效的灯具，根据《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）和上海市建设交通委沪建交[2008]828号文的综合要求，照明功率密度按目标值和对应照度值设计办公室、机房及配电间等场所的照明，如表6所示。

数据中心节能措施评估

按照上述各种节能方法和解决途径，我们再对模型样板的数据中心能耗进行评估。

采取针对性的控制和配置节能型服务器，可节能10%，5万KW额定功耗（实际功耗=5万×90%×0.8=3.6万KW），实际年用电量为31536万KWH；

UPS及电池部分损耗8%，下降到4.5%，实际年用电量4927.5万KWH；

制冷系统节能

通过采用大型中央水冷制冷系统、增加冬季、过渡季自然冷却技术、冷通道封闭等措施，综合制冷能效COP达到4.5以上，实际年用电为8876.5KWH。

照明由原来的15W/㎡，下调到7-9 W/㎡，动力（通风及给排水设备）由原来的35 W/㎡,下调到15 W/㎡，电梯设备按7 W/㎡，调整后的年用电量为:照明为561万KWH，动力为105万KWH，用水及其他下调至120KWH，得出采取节能途径后，数据中心的能耗情况，如表8所示。

数据中心的PUE可以达到1.46；每年可节约电能17195万KWH。

数据中心将成为绿色生态园区

虽然数据中心的巨大能耗，阻止了它的发展速度，但它的发展趋势没有发生变化。可喜的是，我们看到很多节能的数据中心在不断地创造之中。例如在高纬度（低温地区）建立全自然冷却系统，PUE也下降至1.2以下，如谷歌在比利时的数据中心位于Saint - Ghislain，当地气候几乎可以全年支持免费的冷却，平均每年只有7天气温不符合免费冷却系统的要求。该数据中心在这种自然条件下，从附近的工业运河抽取用水，采用蒸发冷却系统的方式便显得极为合适。具体来说，就是利用运河的冷水带走热量，并自己修建水处理厂，再将处理后的运河水给数据中心提供冷量，只采用冷却塔来散热，无chiller，实现了100%水侧自然冷却机房。当然，这也是谷歌第一个完全自然冷却的数据中心；同样，谷歌在爱尔兰和芬兰也有成功案例。

随着人们对计算机特性和特点更进一步的理解，新技术不断涌现，从芯片的翅片式冷却，发展到目前液冷片式冷却，有对流式散热、喷射式散热等多种高效冷却形式。可以预期的是，低功耗、低发热芯片在未来一定会成为主流，数据中心也将成为绿色生态的园区。

（作者系上海超级计算中心基础运维部部长）