适用于高效率、高密度 数据中心的改进型架构 第126号白皮书 版本1 作者 NeilRasmussen 目录 >摘要 点击内容即可路转至具体章节 全球各地数据中心的供电和制冷基础设施每年浪费的电 简介 2 力超过6000万兆瓦时，这部分电力在为IT设备供电 电力都用在了哪些地方？
过程中未发挥有效作用.
这对于整个行业来说是巨大的 3 经济负担，同时也会造成严重的公共环境问题.
本白皮 经过优化的数据中心架构 书介绍一种可立即实现的新型商用数据中心架构，以期 4 大幅提高数据中心的电力效率.
与传统方法的比较 6 与其他提议方法的比较 14 实际性能限制 16 结论 17 资源 18 APC白皮书现收录于施耐德电气白皮书资料库 Schneider 由施耐德电气数据中心科研中心发表，
适用于高效率、高密度数据中心的改进型架构 简介 在典型的数据中心里，只有不到一半的电力真正用于计算机负载.
一半以上的电费均用于购买供 电系统、制冷系统和照明所消耗的电力.
全部耗电量可分为两大部分：（1）IT负载消耗的电力； （2）支持设备消耗的电力（图1），本白皮书论述的重点是支持设备消耗的电力，其中包括供电 回路设备的损耗以及非供电回路支持设备消耗的全部电力， 有效 电源系统损耗 电力 .... IT负载消耗的电力 图1 的供电线路 至I设备 数据中心功耗 进入数据 支持 中心的电力 IT负载 电力 目标是降低 这里的耗电量 为其他支持 设备供电 支持设备消耗的电力 供电线路损耗（一热量） 其他支持系统消耗的电力 物理基磁设施 如果格T负载消耗的电能看作数婚中心内的“有用 功”，部么以上这些均可被认为是“浪费”.
计算机设备供应商提供了一些可减少IT负载功耗的新型解决方案， >为什么高密度和变化 如可能减少执行特定功能所需的IT设备总量的虚拟化技术.
但是与此同时，IT系统在未来会以 的IT负载会降低 更高的单位功率消耗密度运行，其电力需求也会随时间不断变化，这使得数据中心的供电和制冷 系统的电力效率不断降低（参见右框）.
数据中心的效率？
为了解决数据中心内的热点问 已有相关文献提出各种建议，希望通过提高供电和制冷系统的性能来减少数据中心的电力浪费.
题，不得不提高室内割冷系统的 例如，直接在IT设备和直流配电系统上连接水管，借以增强系统效率，但这些提议现在都不可 制冷能力，从而造或制冷能力浪 行.
本白皮书介绍一种切实可行的改进型数据中心架构，在典型的安装环境中，该架构可减少 费 50%以上的供电和制冷系统能耗.
运行负载降低，电源容量和制冷 能力过剩，导致整体效率降低 本文所介绍的新型架构并不仅仅是设备的物理配置或者只改进个别设备的效率，而是对整体系统 （因为低负载意味着低电源和制 的改造，其中综合了数据中心设计的各种最佳要素： 冷系统的远行效率） 单个设备的工程设计 系统辅助的话，高密度和动态负 如有“智能型”列式电源和制冷 配电系统 载实际上有可能提高效率，但 各部件间的通信与协调 是，如果没有合里的重新设计相 应的电源和制冷系统（事实上， 制冷策略 这种情况很常见），则可造成以 下典型后果： 系统规划 管理工具 如果将这些要素组合成一个集成系统，那么性能的提升将极其可观， 电力都用在了哪 图2显示电能流经一个典型的2N数据中心的过程.
电力以电能形式进入数据中心，但几乎 些地方？
力）.
施耐德电气一数据中心科研中心 第126号白皮书版本12
适用于高效率、高密度数据中心的改进型架构 冷水机23% 图2 加湿器3% 个典型2N数据中心的 CRAC/CRAH15% 电能利用情况 电力输入 热量输出 IT设备47% 室内数据中心热量 PUE=2.13 PDU3% UPS6% 探明和辅助设备2% 开关装置/发电机1% 请注意，在本示例中，数据中心消耗的电力实际上只有约47%用来为IT负载供电（图1中称之 为有效电力），其余电力均被电源、制冷及照明设备所消耗（转化为热量），（还有很小一部分 电力被消防和物理安全系统所消耗，本明细表中未列出）.
可以说这个数据中心的效率（PUE）为 2.13，因为只有47%的总输入电力用于IT负载，因此，53%的输入电力未对该数据中心做任何 “有用功”（即用于IT负载），数据中心效率低下（用效率模型的术语来说就是“浪费”）.
要明白如何能够显著减少这种低效率状况（请牢记一点，在本模型中，非供电线路支持设备 均视作是低效率），我们需要了解造成低效率的五大关键因素： 1.供电设备的效率低 2.制冷设备的效率低 3.照明系统的电力消耗 4.供电和制冷系统过度规划 5.配置因素造成的低效率 资源链接 第113号白皮书 虽然大多数用户都知道供电、制冷和照明设备效率低是一种浪费，但事实上，上面所列的其他各 数据中心的电力效率建模 项才是造成低效率的主要因素，大多数用户还不是根清楚这一点.
第113号白皮书《数据中心 的电力效率模型》中对上述五大主因进行了深入分析，这里只简述其功耗特性： 1.供电设备的效率低 UPS.变压器、转换开关和配线等设备在工作时会消耗部分电力（表现为热量），虽然此类设备 标称的效率评级很高（90%或更高），但这些效率值却有误导性，其实不能将其用于计算设备 在真实安装环境中损耗的电力，当出于沉余目的成倍配置设备或设备在远远低于其额定功率的情 况下运行时，效率会明显降低，而且，供电设备中这部分“浪费”能源产生的热量还必须使用制 冷系统制冷，从而致使空调系统使用更多的电力.
2.制冷设备的效率低 空气处理器、冷水机、冷却塔、冷凝器、水泵和干冷器等设备在执行冷却功能时会消耗部分电力 （即，输入功率中会有部分以热量形式散发出去，而不是完全用于冷却的机械功）.
事实上，制 冷设备的效率低下（废热）通常远远高于供电设备的效率低下（废热），当出于余目的成倍配 置设备或设备在远远低于其额度功率运行时，效率会明显降低，因此，提高制冷设备的效率可直 接增进整个系统的效率， 施耐德电气一数据中心科研中心 第126号白皮书版本13
适用于高效率、高密度数据中心的改进型架构 3.照明系统的电力损耗 照明会消耗电力并产生热量，这些热量又必须经制冷系统冷却，并相应地增加空调系统消耗的电 力，即使此时室外湿度很低，如果数据中心内没有工作人员时或在数据中心的未用区域仍开启照 明设备，便会产生无用的功耗.
因此，提高照明系统的效率或控制照明系统仅在需要的时间及地 点开启，可极大地增进整个系统的效率.
4.过度规划 过度规划是造成电力浪费的最大动因之一，恒却最难以为用户所认知和评估，当供电和制冷系统 的设计值高于IT负载时，便会导致供电和制冷设备过度规划.
下述因素的任意组合均可造成这 种情况： 高估IT负载，并按照超大负载确定供电和制冷系统规模 IT负载分阶段部署，但却按照将来更大的负载确定供电和制冷系统规模 制冷系统设计不当，致使需采用过度规划的制冷设备才能顺利冷却IT负载 从投资角度来看，显然安装过多的供电和制冷设备是一种浪费，过度规划还能极大地降低整体系 统的电力效率，并导致过多的持续电力损耗，这一点却并不容易发现.
供电和制冷设备过度规划导致数据中心电力效率降低的根本原因在于，负载减少时，许多供电和 制冷设备的电力效率会大幅度下降.
虽然某些电气设备（如电气线路）在低负载下效率更高，但 大多数重要设备（如风扇、水泵、变压器和变频器）在低负载下的效率会下降（这是由“固定损 耗”造成的，它在IT负载为零时依然存在）.
制造商的数据表格通常只报告最佳负载（通常为 高负载）下的效率，因此很滩从该表格中发现这种效率下降.
资源链接 第113号白皮书 有关如何量化系统过度规划对功耗造成影响的详细技术说明，请参见第113号白皮书《数据中 数据中心的电力效率建模 心的电力效率模型》.
5.配置因素造成的低效率 IT设备的物理配置会对制冷系统的能耗产生极大影响.
不当的配置不但会迫使制冷系统超过IT 设备的实际需要增加空气流动，还会导致制冷系统产生温度低于IT设备实际需要的空气，此外， 增加空气湿度），形成会极大降低系统效率恒又难以诊断的典型情况.
目前新数据中心及现有数 据中心内电力密度不断增加的超势更加剧了这些低效率情况，当前，几乎正在运行的数据中 心都存在这些配置问题，并由此产生无谓的能源浪费.
因此，对物理配置进行系统优化的架构可 大大减少能源损耗.
经过优化的数据 前面的章节介绍了导致数据中心效率低下的五大因素.
回顾一下这些因素，就不难发现它们是相 中芯构 互关联的.
因此，一个有效的优化方法必须以整体看待数据中心系统一尝试优化个别低效率设 备的效果极其有限.
如果您仔细分析这些电力损耗（低效率）因素，就会发现基于下述原则制定 集成系统可大大提高数据中心的效率： 目前用不上的供电和制冷设备不应供电 尽量减少系统过度规划的情况，以便设备能够在其效率曲线的最佳范围内运行 供电、制冷和照明设备应采用最新技术，以最大限度地减少功耗 了解更多关于搁浅容量的知识，请参见第150号白皮书《数据中心供电和制冷客量管理》（链接见资源章 ( 施耐德电气一数据中心科研中心 第126号白皮书版本14
适用于高效率、高密度数据中心的改进型架构 对于必须低于额定功率（以提供沉余）运行的子系统，应优化该部分负载运行时的效率，而 非设备的满负载效率 能够承受的情况下安装尽可能多的IT设备，以期使系统在其效率曲线的最高点附近运行 最佳的一体式物理配置应来源于数据中心系统，而不与其所安装的房间的特征相关，例如： 行级制冷应与IT机柜相集成，而独立于房间级制冷之外.
系统应配备监控装置，以便在出现不良功耗时显示和预警，方便工作人员迅速解决问题 系统应包含安装和运行工具及规则，以最大限度地提高运行效率，并尽可能减少或消除导 致不佳配置或安装的可能性 图3显示了符合上述原则的商用集成式数据中心系统， 图3 高效率集成式数据中心系统 电池 扩展型 配备本地显示监控装置，并通过网络与 中央管理系统连接 图3中的数据中心系统的功耗较传统设计降低了40%，图4对减少的损耗进行了详细分类.
负裁 辅助设备 8 照明 改进型架构 加湿器 传统架构基准 冷冻水机组 图4 水泵 改进型架构的成本分析（按 散热 数据中心子系统细分） 机房空调单元 布线 开关装置 发电机 PDU Sdn $0 $200 000$400 000$600 000 $800 000$1 000 000 每年电力成本，0.10美元/千瓦时（美元） 施耐德电气一数据中心科研中心 第126号白皮书版本15
