导致数据中心效率低下的五大因素

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电源系统、冷却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）。

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，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。这使得数据中心的电源及冷却系统的电力效率不断降低（参见右框）。

已有相关文献提出各种建议，希望通过提高电源及冷却系统的性能来减少数据中心的电力浪费。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行。APC将为您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 50% 以上的电源及冷却系统能耗。

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，而是对整体系统的改造， 其中综合了数据中心设计的各种最佳要素：

² ? 单个设备的工程设计

² ? 配电系统

² ? 各部件间的通信与协调

² ? 制冷策略

² ? 系统规划

² ? 管理工具

如果将所有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。

电力都用在了哪些地方？

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，但几乎所有电力（99.99% 以上）均以热量形式从数据中心散发出去（其余电力则经 IT 设备转化为计算能力）。

在本示例中，数据中心消耗的电力实际上只有约 30% 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。可以说这个数据中心的效率为 30%，因为只有 30% 的总输入电力用于 IT 负载。 因此，70% 的输入电力未对该数据中心做任何"有用功"，导致数据中心效率低下。要明白如何能够显著减少这种低效率状况，我们需要了解造成低效率的五大关键因素。

虽然大多数用户都知道数据中心里的电源、冷却和照明设备的消耗是一种浪费，但事实上，下面所列的五大因素才是造成数据中心效率低下的主要成因：

1 电源设备的效率低

2 制冷设备的效率低

3 照明系统的电力消耗

4 电源和冷却系统过度规划

5 配置因素造成的低效率

虽然大多数用户都知道电源、冷却和照明设备效率低是一种浪费，但事实上，上面所列的其他各项才是造成低效率的主要因素，大多数用户还不是很清楚这一点。APC 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 电源设备的效率低

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。当出于冗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，电源设备中这部分"浪费"能源产生的热量还必须使用冷却系统制冷，从而致使空调系统使用更多的电力。

2 冷却设备的效率低

空气处理器、冷却器、冷却塔、冷凝器、水泵和风干冷却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，冷却设备的效率低下（废热）通常远远高于电源设备的效率低下（废热）。当出于冗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，提高冷却设备的效率可直接增进整个系统的效率。

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，即使此时室外温度很低。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，但却最难以为用户所认知和评估。当电源和冷却系统的设计值高于IT 负载时，便会导致电源和冷却设备过度规划。下述因素的任意组合均可造成这种情况：

² 高估 IT 负载，并按照超大负载确定电源和冷却系统规模

² IT 负载分阶段部署，但却按照将来更大的负载确定电源和冷却系统规模

² 冷却系统设计不当，致使需采用过度规划的冷却设备才能顺利冷却 IT 负载

从投资角度来看，显然安装过多的电源和冷却设备是一种浪费。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。

电源和冷却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，许多电源和冷却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，因此很难从该表格中发现这种效率下降。

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APC 第 113 号白皮书"数据中心的电力效率模型"。

5 配置因素造成的低效率

IT 设备的物理配置会对冷却系统的能耗产生极大影响。 不当的配置不但会迫使冷却系统超过 IT 设备的实际需要增加空气流动，还会导致冷却系统产生温度低于IT 设备实际需要的空气。此外，物理配置可能会导致多种冷却设备发生"冲突"（如某台设备正在减少空气湿度，而另一台却在增加空气湿度），形成会极大降低系统效率但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趋势更加剧了这些低效率情况。当前，几乎所有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。