实施节能的数据中心的114号白皮书

        简介

　　电能的使用不是数据中心的典型设计标准，也没有作为一项开支得到有效管理。在数据中心的生命周期内，尽管电能成本可能会超过包括 UPS 在内的电源系统的成本，也可能会超过 IT 设备的成本，但上述情况却是不争的事实。出现这种情况的原因如下：

　　· 要缴纳的电费数额是在费用发生后才知道的，与任何特定决策或操作规程没有明确的联系。因此，这些费用被视为是无法避免的。

　　· 用于为数据中心的电力成本建模的工具不普及，在数据中心的设计过程中并未广泛使用。

　　· 需要缴纳的电费通常不包括在数据中心运营组的责任或预算范围内。

　　· 数据中心的电费帐单可能包含在更大的电费帐单之内，而可能无法单独提供。

　　· 决策者在进行规划和采购决策的过程中，未获得有关电力成本影响的充足信息。

　　本白皮书将证明上述所有问题均可以并应该得到解决，因为这样可以为一般用户节约大量资金。在设计新设施时可以实现最大程度的节约，但现有的和改造的设施也可以实现某种程度的节约。在设计新数据中心的过程中，只需进行简单且不需成本的决策，便可以节约 20-50% 的电费;如果系统化进行设计，则可以减少多达 90% 的电费。

　　什么是电能消耗成本?

　　电能成本通常为每千瓦时 0.12 美元。根据这一成本，每千瓦 IT 负载的年电力成本约为 1,000 美元。在典型数据中心的 10 年生命周期中，这大约相当于每千瓦负载 10,000 美元的成本。

　　通常，数据中心所使用的能源约有一半消耗在 IT 负载上。另一半消耗在包括电源设备在内的网络关键物理基础设施 (NCPI) 设备上。这意味着，对于每千瓦 IT 负载，10 年的电力成本约为 20,000 美元。例如，一个 200 千瓦的数据中心 10 年的电能，成本为 4,000,000 美元。这对于任何组织都是一项巨大的成本，所有 IT 专业人员都应了解这项开支的去向，并知道它是可以避免的。

　　能源消耗在什么地方?

　　数据中心使用的能源只有大约一半甚至不足一半消耗在 IT 负载上。另一半消耗在包括电源设备、冷却设备和照明设施在内的网络关键物理基础设施 (NCPI) 设备上。图 1 显示了典型高可用性数据中心中电能的流向。需要注意的是，数据中心消耗的所有能源最终都会以废热的形式排放到室外大气中。图 1 是根据采用 2N 电源设备和 N+1 冷却设备、在大约 30% 的额定容量下工作的典型数据中心。

            图 1 – 典型数据中心的电能流向

　　根据输入电能中实际消耗在 IT 负载上的比例，上述数据中心的效率为 30%。若要更详细地了解电能消耗在什么地方，以及不同类型的设备具有什么样的负载，请参阅 APC 113 号白皮书"数据中心的电力效率建模"。

　　效率并不是有效的指标

　　许多有关电能消耗的讨论中都使用"效率"一词。虽然能够准确理解诸如"提高效率"等此类词汇的基本含义，但在技术上使用"效率"一词对数据中心进行定量评估则会引起混淆。如果使用电能消耗(千瓦)指标而不是效率指标，则会使讨论变得明确得多。例如，如果数据中心内两台不同设备的效率分别为 50% 和 80%，那么我们不知道如何将其效率合并为一个体现成本的数字。事实上，电力成本实际取决于流经每台设备的电量。而且，某些设备(如计算机或照明设施)的效率为零，这是一个令人困惑的概念，没有传达出有关用电量的定量信息。

　　相比之下，以电能消耗为指标简单明了。只要将数据中心内所有设备的能耗加在一起，即可得出总耗电量。如果一台设备每个月消耗 10 美元的电能，而另一台设备每个月消耗 20 美元的电能，只要将这两个值加在一起就可以了。因此，

　　本白皮书使用电能消耗作为定量术语，而不使用更常见但不明确的"效率"一词。有关对数据中心能源消耗进行建模的完整讨论，请参阅 APC 113 号白皮书。

　　一瓦特的价值

　　电能以称为千瓦时 (kW-hr) 的能量单位进行销售，它是在 1000 瓦 (1 kW) 的功率水平下一小时内提供的能量。功率与能量之间的区别对于经济分析非常重要。功率容量成本是指与提供能量的系统相关的成本，并随系统的设计功率水平提高而增加。由功率容量产生的成本有很多，例如 UPS 成本、发电机成本、空调设备成本和配电设备成本。能源成本是指与市电帐单相关的成本。

　　需要了解的一条关键原理是，通过降低能源消耗可以降低与功率容量相关的成本以及能源成本。也就是说，如果一种实施方法在许多情况下可以节约电能，则它也能够减少 NCPI 基础设施成本(主要由负载功率需求引发)。需要了解的另一条相关的关键原理是，暂时性降低能源消耗与永久性降低能源消耗是不同的。暂时性节约(例如减负载或服务器电源管理)可以降低电力成本，但未必降低 NCPI 系统的额定功率和相关的 NCPI 基础设施成本。永久性或结构性更改(如高效率服务或高效率 UPS 系统)可同时降低电力成本和基础设施成本。表 1 中阐释了这些原理并给出了节约价值的示例。

表 1 – 典型高可用性数据中心

　    在上面的示例中，数据中心采用 2N 冗余结构，并在典型的 30% 负载下工作。需要注意的是，对于非冗余数据中心，节约效果会大打折扣，仅为上面所示的节约额的一半左右。还应注意的是，在一般情况下，进行结构性削减并不能消除所有已安装的电源和冷却容量的需求，因此节约效果还会进一步降低。不过，总的来说，可以将结构性节能的效果合理地估计为暂时性节能的两倍。

　　此处应该了解的重要一点是，能源消耗降低有两种形式：一种是只避免能源消耗，但不会降低功率容量需求;另一种是也会降低安装的功率容量。我们将可避免使用能源但不降低安装功率容量的节能称为"暂时性节能"，将可降低安装功率容量的节能称为"结构性节能"。另外，数据中心的一个普遍规则是，结构性节能效果约为暂时性节能的两倍。