数据中心能源系统模式探讨

数据中心能源系统模式探讨中国数据中心工作组王海峰、曲海峰故事从这里开始数据中心能源系统模式探讨多维度重新定义数据中心能源和数据中心的关系电网与分布式能源Spider模型数据中心与能源系统结合模式探讨CDCC数据中心能源系统白皮书概要介绍纠结的数据中心什么是数据中心：机房、电脑中心、信息中心、一堆复杂而花钱的设备、（没有信息，他不过是一堆铁嘎达）目前的数据中心基本都是从IT系统角度看数据中心目前还是重建设，轻运营，会造成数据中心建得起，用不起。机房=数据中心？下一代数据中心？新一代数据中心？云计算数据中心？？什么是数据中心？三个视角，三种定义DataCenterasacomputer系统架构视角信息社会的能源基础社会经济学的角度工业化系统/产品物理认知行业“大家”眼中的数据中心技术支撑架构，最终服务商业JamesHamilton（亚马逊AWSVP）

数据中心难道不是工业系统吗？三个视角，三种定义数据中心就是计算机：datacenterasacompute sun-网络就是计算机 Google的全球典范系统数据中心是一个工业系统，功能决定形式。数据中心是社会基础设施

数据中心提供的是服务，而这种服务最终是依赖能源基础

从更宏观的角度来看，核心是取决于能源的转换效率数据中心能源系统模式探讨多维度重新定义数据中心能源和数据中心的关系（电网与分布式能源）Spider模型数据中心与能源系统结合模式探讨CDCC数据中心能源系统白皮书概要介绍数据中心是消耗能源的信息工厂数据中心是能源密集型设施现在的服务器机柜设计容量超过25千瓦对数据存储容量的需要大幅增长典型的数据中心：约100万瓦，甚至也可超过2000万瓦占美国2006年电力消耗的1.5%预计在未来5年内番一倍新建的数据中心大量涌现已有的数据中心存在供电和制冷的限制电力在数据中心整体成本中已经超过50%在中国一个典型的托管性数据中心中，平均四年的电费将超过数据中心基础设施投资，而数据中心的使用寿命可达到15年以上第三次工业革命让我们看清本质，数据中心支持的云计算系统是未来社会发展的基础，如同能源与电力的关系能源成本对比——高科技建筑与普通建筑的对比年均能源成本（美元/每平方英尺）学校写字楼医院实验室数据中心净化室

（ISO五级）观察到的区间典型值Source:/

世界数据中心的电耗Source:Koomey2008Source:Koomey2008能耗耗电量（十亿千瓦时/年）世界总量的0.5%世界总量的1%IT负荷制冷+电力输送基础设施通信信息存储存高端服务器中端服务器初级服务器中国目前已建成了超过50万个数据中心，预计到2012年年底，将建成54万个数据中心。2011年其应用市场规模达1020亿元，年复合增涨率为18.6%。中国数据中心发展BillionRMBGrowthRateBillionRMBGrowthRateDataCenterApplicationMarketofChina(exclusiveofinfrastructure)数据中心应用市场规模（不包括基础设施）“云计算”是中国“十二五”规划的重要工程。为提供必要支持，各主要城市如北京、上海、天津、深圳、重庆均计划建设容纳几十万至上百万服务器的数据中心。中国数据中心消耗的电量占全社会总电力消耗的2%，或全国建筑总能耗的10%，相当于三峡大坝全年的产能。中国典型数据中心的PUE仅为2.2~3.0，远高于世界平均水平，并且利用率仅有20%~30%。中国数据中心发展运行数据中心成本的增加从2000年到2006年，计算性能提高了25倍，但是能效却只提高了8倍从intel的数据预测2012年中国将总量增加100万台以上服务器

计算与存储性能的突飞猛进也带来了能源成本的激增每购买1000美元的服务器所消耗的电量增加了4倍虽然单位计算能耗在相对下降，但是因为IT需求的爆炸，绝对能耗却在增加

目前，电力和数据中心辅助设施的成本已经超过了购买IT设备的费用

反向激励——IT成本与数据中心设施成本相互分离

来源：TheUptimeInstitute,2007Source:TheUptimeInstitute,2007数据中心整体能源使用效率≤15%100单位一次能源（煤/油/气/水/风）典型的数据中心终源消耗服务器负荷/计算运行用能设备制冷

电力的转换和配送传输约70%电力（损耗30%）发出35单位电力（发电效率20-35%）（能效=用于计算之能耗/一次能源消耗量）Page

17在建设新型数据中心过程中，需要在电力/机电，暖通/制冷，能源三个层面，结构性成本优化。

机电系统可优化范围不超过10%；

暖通/制冷有较高改进空间（约20-30%）；

大型数据中心，应依据气候和能源结构优化建设数据中心，具有极大的优化条件（DCUE较PUE提高50%）。

通过云计算技术和模式进一步整合提高IT系统效率。

数据中心需提高基础设施和上层应用系统的联动性，调高自动化运维水平，针对不同应用系统的结构优化系统可用性，将基础设施的冗余保障与软件系统的服务级别更有效的匹配对应。提高整体效能。绿色数据中心，重视的不仅是TCO，也是数据中心全生命周期的碳排放指数。将Energy、FACILITY和INFRASTRUCTURE结合起来考虑系统的建设和运维，结构化调整数据中心能源构架是数据中心演进方向。

数据中心能效提高之路数据中心基础设施部分能效问题及解决思路数据中心目前的能效定义PUE不能充分代表云计算时代对于信息社会基础设施（数据中心）的能效定义。PUE:PowerUsageEffectiveness仅代表了数据中心供电和IT设备用电的范围。能源电力数据中心基础设施IT系统计算/存储PUE(供电效率)DCUE/DCEE(能源效率)服务器负荷和计算运行用能ServerLoad/

ComputingOperations制冷设备CoolingEquipment电力转换和配送PowerConversion&Distribution可替代燃料发电Alternative

PowerGeneration高压配电Highvoltagedistribution高效UPS（不间断电源）系统

HighefficiencyUPSsystems高效冗余策略

Efficientredundancystrategies使用直流电UseofDCpower服务器创新

Serverinnovation虚拟化计算Virtualization高能效电力供给Highefficiencypowersupplies负荷管理

Loadmanagement气流管理Betterairmanagement直接液冷Movetoliquidcooling制冷机组优化

Optimizedchilled-waterplants使用自然制冷Useoffreecooling热回收Heatrecovery自发电，包括燃料电池和可再生资源

On-sitegenerationIncludingfuelcellsandrenewablesources热电联产的应用（利用废热制冷）

CHPapplications(Wasteheatforcooling)数据中心提高能效的机会基于单位标准煤数据中心能效定义标准数据中心单位能耗效率计算公式:DCUE=X/YX数据中心总输入能耗，单位为千克标准煤每吨；Y数据中心内信息通讯设备真正用于计算，存储和通信的能源能耗，单位为千克标准煤每吨；

数据中心单位能耗统计方法数据中心总输入能耗：包含用于数据中心的输入总能耗，包括电网电力和其他能源消耗，即为了保证信息通讯设备正常运行所需要的全部能耗，包括电力损耗，制冷系统耗电及其他辅助设施耗电和数据中心水的消耗等。理想化之数据中心能效定义及计算依据DCEE=（数据中心能源效率DataCenterEnergyEfficiency）能源：国际参考标准的数据中心单位能源碳排放量（二氧化碳CO2/千克）电力（千瓦时）=0.997柴油（升）=2.6765天然气（立方米）=0.19城市用水（吨）=0.91煤炭（KG）=2.493数据中心全年电力=数据中心总输入能耗，单位为千克标准煤每吨（8760小时之和）计算/存储：MIPS=MillionInstructionsPerSecond每秒处理的百万级的机器语言指令数1TB=1万亿字节(Byte)数据中心和云计算的关系如何解决？虚拟化资源调度（软件技术在3-5年内得到解决）分布式大规模所有的根本是能源，竞争的基础是成本软件是相对容易重构的，基础设施不可改变，能源模式决定了最后的结果Spider模型什么是Spider模型我们需要一个行业体系用来看清我们的事业今天的ICT、互联网、云计算是一个全社会体系生态体系（

EcoSystem）今天的云计算只是浮在水面的冰山一角S=SaaS、其实是一种应用服务，面向业务和最终需求P=PaaS、其实是一种平台服务，面向行业体系架构I=IaaS、其实是一个IT基础系统、面向信息系统的核心生产资料：计算、存储、网络Spider模型（从IT到能源）P（平台）S（服务）I（设施）D（数据中心）E（能源）R（社会资源）自顶向下的服务与自底向上的能源Spider模型Spider模型，名字其实取的是六个英文单词的首字母缩写的组合。S：SaaS服务，即今天云计算所说的SaaS服务，作者借鉴这个词，其实更愿意表达这才是是IT的价值所在，IT和业务的结合；P：PaaS服务，即今天被业界广为认可的云计算的中间一层PaaS服务；I：IaaS服务，基础架构即服务，这里的I指的是infrastructue；D:DataCenter,即数据中心，也可以拓展理解为DaaS,即把数据中心做为服务，当然这里的数据中心不是广义的数据中心定义，而是更为狭义的数据中心的定义，其鞥确切地说，特指Facility,或者可以理解为基础环境，诸如电气，制冷等基础设施；不得不说的是，用基础设施这个词来做为Facility的中文翻译并不准确，甚至是严重的歧义，其实infrastructure用基础设施更准确，但在行业中，很多人都把基础设施理解为Facility，这里只是做个简单说明，避免理解偏差。E:Energy，能源，即为上面S.P.I提供支持的能源，之所有用能源，而不用经常挂在嘴边的电力，是因为能源的概念更大，而数据中心的消耗不仅仅是电，更不排除未来多种其他能源的利用和消耗。R:Resource，资源，可以理解为基础资源，即产生能源所需要的资源，诸如风，水，煤，石油等基础资源。数据中心能源系统模式探讨多维度重新定义数据中心能源和数据中心的关系（电网与分布式能源）Spider模型数据中心与能源系统结合模式探讨CDCC数据中心能源系统白皮书概要介绍中国目前数据中心行业发展之现状目前中国数据中心总量预计接近50万个，70%以上建设有十年时间。90%是1000㎡以下的小规模数据中心。国内数据中心现状处于小、散、低状态。

小：规模偏小100-1000㎡数据中心，或称之为计算机机房是目前总量中的大部分。

散：目前数据中心位置分散，多余处于企业及政府单位的办公地址，互联网用户数据中心IDC，主要分布在ChinaNet八个骨干节点和30余个分省节点。

低：目前国内数据中心可用性级别普遍偏低，多余实际运行状况处于B类（T2）级别，同时PUE效率较高（DCIE较低）普遍处于2.5-3水平。国内目前电信运营商，电信、联通、移动是主要IDC（互联网数据中心的建设者），其中电信已实际提供超过3万个机柜、联通超过2万个机柜（2011年）。目前国内数据中心主要由运营商的IDC及企业与政府单位的EDC组成，在总量上其能耗规模接近，但数量上EDC远远多于IDC，集约效益很低。中国能流图（2007）能源大格局：北煤炭南运、南水北调、西气东输、北电南用、舶来油气窝电地区风电地区往往是能源基地，风多、电源多、气多我国的窝电与电荒2011年全国已有11个省市出现电力紧缺，其中南方电网所覆盖的5个省份，再加上浙江、四川、重庆等地，电力缺口已达2000多万千瓦。“电荒”的根源在于电力结构性矛盾，导致的区域性、季节性、阶段性用电紧缺。2011年东北电网发电盈余持续增大，最小电力盈余仍在800万千瓦以上，最大盈余超过1600万千瓦，约占全网装机的14%；其中火电盈余电量约980亿千瓦时。由于吉林和黑龙江两省之间联络线输送能力不足，黑龙江电网电力盈余超过400万千瓦。预计到2011年末，黑龙江东部电网火电盈余约200万千瓦，风电和水电按装机额定出力50%计算，“窝电”接近300万千瓦。位于吉林电网西北部的松白电网预计到2011年底，“窝电”约在100万~200万千瓦，风电送出受到严重限制。辽宁西部电网预计2011年最大负荷约450万千瓦，电源装机容量约910万千瓦，与内蒙古东赤峰电网共用送出通道，外送盈余电力较大。内蒙古东电网的通辽、兴安电网预计2011年末电力盈余也在100万~260万千瓦。此外，截至2011年5月底，内蒙古电力总装机容量达6849.5万千瓦，但内蒙古电网仅有两条500千伏外送通道，长期处于“有电送不出去”的境况。统计数据显示，2010年内蒙古就有42%的风电白白浪费。近年来，内蒙古发电量翻了一番，外输通道却没有相应增加。电监会：2011年东北、华北、西北“三北”地区弃风电量达123亿千瓦时，弃风电量对应电费损失约66亿元，平均每度风电上网价五毛三分六厘六。国家电网风光储输示范工程目前全世界最大的风光储联合发电项目--国家电网张北示范项目。项目规划建设风电50万千瓦、光伏发电10万千瓦、储能装置11万千瓦。其中一期规划建设风电10万千瓦，光伏发电4万千瓦，储能2万千瓦，配套建设220千伏智能变电站一座。目前一期已经验收并网。数据中心与能源结合关于这个暂且称之为理论的理论，其核心思想有二个维度。其一，典型IT行业常用的自顶向下，层层推导的方法，如果读者们中有人了解企业架构和IT规划的话，其思想是相通的。通俗的说，是说业务价值的自顶向下的推导，也可以理解为信息流。另外一个纬度是自下向上，是从地球上的资源开始，一直到支持产生的业务价值。在SPIDER中，重点关注的是I,D和E，这6个部分，或者说这6个级别，代表了6个不同的产业，在每个级别中，都有典型的行业领头羊和典型代表者。如果从每个层次的产业组织或这企业来看，自下向上，越来越多，即越靠近底层，靠近资源，企业越少，越靠近上层，越靠近用户，企业数量越多，这也是符合社会发展和价值取向的。如果从企业利润来说，如果纯粹按照市场规律和游戏规则来看，无疑，越靠近顶层，利润越高，越靠近底层，利润越低。数据中心可以突破电网，与分布式能源结合数据中心多种能源模式的的建设能源建设模式城市

（电网+CCHP）远郊

（CCHP+电网）旷野

（风电+CCHP+电网）数据中心类型城市数据中心主用DC私有云远郊数据中心

备用/双活

混合云旷野数据中心容灾/备份

公有云分布式能源CCHP系统注明：天然气=甲烷=CH4=页岩气、LNG、沼气、垃圾填埋、粪便、污水、分布式冷热电联供系统（CCHP）原理数据中心与能源结合一个故事：内蒙古-能源的行走轨迹煤路上走煤空中走煤云中走一言以蔽之：云随电走换句话说：数据中心和云计算的关系是煤和电的关系美国对于数据中心能源类型的尝试微软宣布将使用粪便产生的甲烷，为怀俄明州的数据中心供电。这个数据中心将测试一项技术——如果测试成功的话，它将在类似的数据中心当中使用甲烷供电。微软说，这个数据中心将完全依靠甲烷供电，从而完全独立于电网之外。这是一个非常激进的想法，但是相关进展已经在桌面上谈论有一段时间了（使用燃料电池将天然气转化为电力并不是一个新理念）2007年——365Main甲烷项目失败（客户不信任）如果使用天然气带动的发电机，365Main只能保证94%的正常运行时间，因此认为会带来可用性中断的问题。“热电联产作为主要解决方案/电网作为备用解决方案的总体可靠性将高于94%——可能达到99.8%——客户并不喜欢这个热电联产的解决方案。2009年——InfinityONE

将数据中心建在一个农场附近，并将它作为燃料的来源。这个农场种了22000英亩的农作物，包括土豆、欧洲萝卜和洋葱——它们将被放入数据中心的厌氧消化池中，以产生沼气并最终转化成电力，为东安格利亚500平方米的数据中心供电。2009年-锡拉丘兹大学在Capstone和IBM的帮助下，纽约锡拉丘兹大学建造了一个6000平方英尺的数据中心，该数据中心采用天然气带动的微型涡轮发电，以满足所有的电力需求。该大学称：通过完全独立于电网之外，这个园区的能耗要比传统数据中心的能耗少50%。IBM为这个项目提供了电气热电联产设备，而Capstone则提供了微型涡轮。美国对于数据中心能源类型的尝试2010年—HP奶牛粪便驱动的数据中心HP决定如果能够通过奶牛场的1万头奶牛满足一个1MW数据中心以及这个农场的其他电力需求，它将公开这项研究结果。每头奶牛每天可以产生55公斤的粪便——一年可产生20公吨的粪便，而每头奶牛每天产生的牛粪可以生产2kW时的电力。2012年--Apple和BloomEnergyApple也转向了甲烷——这次是从垃圾填埋池——为北卡罗来纳州的数据中心供电。在这个案例当中，甲烷被输入24个容量为20KW的BloomEnergy燃料电池当中。燃料电池将天然气或沼气和氧气及其他化学物质混合起来，以发生电化反应来制造能源。Ebay也在其犹他州的数据中心当中使用了Bloom的燃料电池盒。它将填入沼气来为燃料电池提供支持。它使用电网作为备用电源，从而免掉了对UPS的需求。谷歌表示，至2012年其所有数据中心采用风力发电的容量已经达到260兆瓦。放弃可再生能源项目研发，但将继续投资能效研究，特别是解决服务器的能耗问题，同时将继续大手笔投资风电。谷歌仍将维持其在美国“大西洋风链”项目中的巨额投资，该项目将在美国东部大西洋外海建设一条全长350英里的海底电网，从南部的弗吉尼亚州一直延伸到北部的新泽西州，整个项目预计投资50亿美元，建成后预计可满足190万户家庭的用电需求。发展的问题以上说明目前数据中心，仍然不可脱离电网，使用可靠的天然气比沼气更为可靠。中国与美国在能源政策上有较大不同，其电价、气价、气候、发电资源、政府政策均有不同中国十二五期间推动的一千个分布式能源项目将是数据中心行业的发展契机风电与数据中心结合在中国有独特模式分布式能源采用燃气Page

42首批国家天然气分布式能源示范项目中石油北京数据中心预计在2014年建成北京燃气中国石油科技创新基地（A-29地块）能源中心项目该项目位于北京市昌平区，建成后，将为4万平方米的中石油数据中心提供冷热电。数据中心CCHP燃机燃气燃机按照功率分为：微型（10-200KW）、小型（兆瓦级）、中大型（50-250MW）燃气燃气按照系统结构分为：微型透平、活塞式内燃、透平，不同类型的燃气发电效率在2.5-5.3千瓦时/m³GAS小型燃气轮机相对微型燃气轮机而言技术比较成熟，与大中型燃气轮机几乎完全相同：采用轴流式压气机和轴流式透平，叶片的冷却模式与大中型机组相同。由于技术成熟，目前的价格相对较低，为350～600$/kW；此外，小型燃气轮机的发电效率与大中型机组相比也相差无几，ISO工况电效率目前多为27.0～39.0%燃气轮机根据负荷容量分为大中型燃气轮机、小型燃气轮机和微型燃气轮机：大于20000kW的属于大中型燃气轮机；而1000～20000kW的被称为小型燃气轮机；小于1000kW的则是微型燃气轮机。小型和微型燃气轮机与分布式能源密切相关，从功率及冷电比例上比较适数据中心使用的清洁能源机组。2012年6月全国不同城市民用/工业天然气价格

与数据中心商业电价对比（10KV电压）

城市民用气

工业气国网/南网商业电价

气电价比（商电/工气）1、铜川 1.75元/m3 2.3元/m3 0.8531/千瓦时 2.6962、呼和浩特 1.8元/m3 1.92元/m3 0.734/千瓦时 2.6153、北京 2.28/m3（03/12/12） 2.84元/m3 0.9/千瓦时（平均） 3.1554、上海 2.5元/m3 3.89元/m3 0.9/千瓦时（平均） 4.3225、南京 2.2元/m3 3.39元/m3 0.867/千瓦时 3.916、深圳 3.5元/m3 4.8元/m3 0.9/千瓦时（平均） 5.3337、西安 1.98元/m3 2.3元/m3 0.8531/千瓦时 2.6968、咸阳 1.98元/m3 2.3元/m3 0.8531/千瓦时 2.6969、兰州 1.45元/m3 1.9元/m3 0.7743/千瓦时 3.45310、乌鲁木齐 1.37元/m3 2.11元/m3 0.684/千瓦时 3.08411、哈尔滨 2.8元/m3 3.8元/m3 0.926/千瓦时 4.10312、长春 2.53元/m3 2.7元/m3(2010) 0.932/千瓦时 2.89613、沈阳 3.3元/m3 3.9元/m3

0.8796/千瓦时 4.43314、重庆 1.72元/m3 2.24元/m3 0.828/千瓦时 2.70515、郑州 2.25元/m3 2.86元/m3 0.7912/千瓦时 3.97616、广州 3.45元/m3 4.85元/m3 0.9928/千瓦时 4.88517、三亚 2.6元/m3 3.8元/m3 0.826/千瓦时 4.618、无锡 2.2元/m3 2.8元/m3 0.867/千瓦时 3.22919、大庆 1.65元/m3 2.1元/m³ 0.926/千瓦时 2.26720、重庆 1.72元/m3 2.33元/m³

0.828/千瓦时 2.814电价依据电监会，气价依据发改委绿色经济的尴尬“昂贵的成本隔绝了我们和清洁能源的恋爱，就像我不能和财主女儿好一样。（有感于1942）但是，我们今天看到的第一位的确实经济价值。数据中心使用天然气供能具有经济性采用燃气三联供技术进行系统数据中心能源系统具有明显经济优势模型依据：电价=0.9元/千瓦时天燃气=2.5元/m³Page

47数据中心燃气主用能源系统投资及运行费用对比10兆瓦数据中心能源系统投资对比：（备用）柴油内燃式发电价2000元/KW；冷冻水冷源系统3000元/KW（2000x10000）+（10000/1.6x3000）=3875万（N+1运行）燃气发电系统+吸收式6500元/千瓦10000/1.6x6500=4063万（N+2运行）0.9x10000KWx8760h=7884万（电价0.8）7446万10000/1.6/3x3.5x8760h=6388万（气价2.5）4563万在电价0.9元/千瓦时，气价3.5元/立方米情况下，10兆瓦数据中心年能源成本少1