電力是如何滿足萬物互聯(lián)時代的需求的？

前兩個月，資深貓奴A君在朋友圈PO了一個神器——自動喂食器，一次可儲存三四天的食水，還能用app隨時查看貓主子的進(jìn)食狀況，并配合攝像頭一起“上云”。連擼貓都能如此，何況家里的其他設(shè)備?冰箱、空調(diào)、掃地機(jī)器人……A君說托物聯(lián)網(wǎng)的福，終于過上了擁有上帝視角的生活。

除了個人生活，開啟上帝視角的還有工廠的管理者們，隨著工業(yè)4.0概念的到來，從大型機(jī)械、到無人生產(chǎn)線，你能想到的所有過程——從實時收集、儲存、分析數(shù)據(jù)信息，到提出解決方案、再到傳遞指令的電器、機(jī)械，都將能實現(xiàn)一鍵上網(wǎng)，云端控制。

物聯(lián)網(wǎng)時代正在勢不可擋的到來，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也因而迎來了井噴。據(jù)預(yù)測，到2025年，全球數(shù)據(jù)總量將達(dá)到180萬億GB。大幕即將開啟，我們卻不禁擔(dān)心起來：電，還夠用嗎?

電力需求會是中國數(shù)據(jù)中心的阿喀琉斯之踵嗎?

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圖片來源：施耐德電氣技術(shù)中心

中國經(jīng)濟(jì)的騰飛帶來了對電力的旺盛需求，多年來中國的電力需求長期存在缺口，到夏季尤為嚴(yán)重。2016年，全國全社會累計用電量已經(jīng)高達(dá)59198億千瓦時，但社會用電缺口仍高達(dá)87億千瓦時。而據(jù)預(yù)測，2018年全國用電量還將持續(xù)增加4.5%左右。

作為”耗電大戶“，數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展頗受電力專家的關(guān)注。近年來，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)速度猶如搭上火箭。截至2016年底，中國數(shù)據(jù)中心保有量約為5.6萬個，總面積約為1650萬平方米。在國務(wù)院印發(fā)的《 “十三五 “國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、發(fā)展人工智能都位列其中。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等行業(yè)如火如荼的開展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)速度還將持續(xù)保持在高位，預(yù)計到2020年，中國數(shù)據(jù)中心保有量將超過8萬個，總面積將超過3000萬平方米。

而與此同時，其高能耗、高成本也成了一個令人頭疼的問題。據(jù)中國數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會秘書長呂天文透露，2016年中國數(shù)據(jù)中心總耗電量已超過1200億千瓦時，這個數(shù)字超過了三峽大壩2016年全年的總發(fā)電量(約1000億千瓦時)。而另據(jù)行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年中國的數(shù)據(jù)中心占全球比例10%，而其總耗電量已經(jīng)占到了全社會用電量的1.5%，在第三產(chǎn)業(yè)中比例驚人。

與之相對應(yīng)的正是我國數(shù)據(jù)中心對能源利用的粗獷。在實際運行中，PUE高達(dá)2甚至超過2的數(shù)據(jù)中心還大有存在。因整體能耗偏高，電力需求和成本控制成了套在企業(yè)頭上的 “緊箍咒” 。而超越企業(yè)成本控制和需求響應(yīng)的限制，未來數(shù)據(jù)中心將面臨的則是更宏觀、更嚴(yán)苛的國家能源調(diào)控、能效控制之手。各發(fā)達(dá)地區(qū)和主管部門紛紛提高數(shù)據(jù)中心建筑和能耗標(biāo)準(zhǔn)，例如北京市經(jīng)信委就明確規(guī)定只有PUE值在1.5以下的云計算數(shù)據(jù)中心，才能獲批建設(shè)。

為了將PUE降下來，各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭可謂絞盡腦汁。前有CenturyLink將數(shù)據(jù)中心架在水電站上，后有微軟提出要將數(shù)據(jù)中心設(shè)在水下，更別說北極南極這些天然極寒之地，早就被盯上了。在中國，受成本及政策的限制，有越來越多數(shù)據(jù)中心開始了 “西遷 “之路。Apple iCloud、騰訊、阿里云紛紛在貴州興建數(shù)據(jù)中心。

誰是高能效、低成本的學(xué)霸?

全球的數(shù)據(jù)中心都這么耗電嗎?2015年，美國的數(shù)據(jù)中心占全球比例的41%。而全美數(shù)據(jù)中心在2014年的電力消費僅占了全社會用電量的1.8%，且增速緩慢。

美國能源部支持勞倫斯伯克利國家實驗室針對全美的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行能耗調(diào)查，在2016年發(fā)布報告指出，全美數(shù)據(jù)中心這么優(yōu)異的表現(xiàn)，得益于大幅的能效提升。早在2010年全美數(shù)據(jù)中心還在數(shù)量級上快速增長時，能耗就已進(jìn)入低速增長。從10年到14年，能源消耗僅增長了4%。勞倫斯伯克利實驗室還預(yù)測，到2020年，全美的數(shù)據(jù)中心數(shù)量將會增加40%，而電力消耗增速將控制在8%左右。

原來高能效、低成本的學(xué)霸還是存在的!比我們干得多，還比我們吃的少，他們是怎么做到的?

十年前，美國數(shù)據(jù)中心還不是這樣的學(xué)霸。從2000年到2005年，數(shù)據(jù)中心電力消耗增速是90%，盡管期間遭遇08年金融危機(jī)，05到10年間，全美數(shù)據(jù)中心還是掙扎著增加了24%的電力消耗。但通過大幅的能效提升后，到2020年將為全美的數(shù)據(jù)中心節(jié)省近6200億千瓦時的電力消耗，相當(dāng)于節(jié)約了600億美元的電力成本。

成功秘笈是什么?

回溯全美數(shù)據(jù)中心能效提升的路徑，有幾項至關(guān)重要的技術(shù)突破是關(guān)鍵。

首先是2005年行業(yè)解決方案供應(yīng)商開創(chuàng)的技術(shù)革新。其中令人矚目的是在冷卻系統(tǒng)方面，由施耐德電氣技術(shù)中心(SETC)率先提出的“熱量轉(zhuǎn)移”理念。制冷電耗一直都是數(shù)據(jù)中心的耗能大戶，數(shù)據(jù)中心的50%-70%的成本都是在支付“空調(diào)費“。 在SETC提出的“熱量轉(zhuǎn)移” 理念里，冷卻系統(tǒng)的核心不是制冷降溫，而是數(shù)據(jù)中心運營產(chǎn)生的熱能如何可以被高效的捕捉、交換和轉(zhuǎn)移。在這樣的理念下，通過集中熱量、封閉通道實現(xiàn)降低冷熱空氣混合，行級空調(diào)的研發(fā)實現(xiàn)了靠近熱源制冷，低能耗的自然冷卻等技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)操作被開發(fā)應(yīng)用，制冷系統(tǒng)動態(tài)管理技術(shù)也得到了大規(guī)模應(yīng)用。

第二個關(guān)鍵技術(shù)是電力供應(yīng)的動態(tài)管理。事實上大部分的數(shù)據(jù)中心里，并不是每一臺服務(wù)器都在同時滿負(fù)荷運作的;在面臨突發(fā)的電耗增長或者設(shè)備故障時，也并不是每一臺UPS都需要滿負(fù)荷投入應(yīng)急的，而傳統(tǒng)的電力供應(yīng)并不能針對這樣不均衡的荷載進(jìn)行分配。為了解決不平衡供應(yīng)的問題，需要通過軟件應(yīng)用來對所有服務(wù)器的荷載進(jìn)行實施管理和分配，同時對整個供配電系統(tǒng)也進(jìn)行全數(shù)字化、智能化的改進(jìn)。數(shù)字中心供配電系統(tǒng)的升級在過去十幾年的時間里也完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通革命，從最初的由元器件，加傳感器，加儀表和控制面板組成的動態(tài)管理系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓛?nèi)置的斷路器，加傳感器加儀表到數(shù)字?jǐn)嗦菲鞯闹悄軇討B(tài)管理，從運維管理安全到能效優(yōu)化都有了顯著提升。

這兩項關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用成效是驚人的。根據(jù)施耐德電氣技術(shù)中心的測算，遵循高效的”熱量轉(zhuǎn)移“理念因地制宜地設(shè)計制冷系統(tǒng)，并通過軟件對制冷和電力系統(tǒng)供應(yīng)進(jìn)行動態(tài)管理，能為數(shù)據(jù)中心減少50-60%的備用功率和制冷量需求。

第三個重要的技術(shù)突破，是如今最流行的“上云”技術(shù)，用以提升服務(wù)器運行效率。通過建設(shè)大型云端數(shù)據(jù)中心，對服務(wù)器進(jìn)行共享，可以大幅地提高服務(wù)器運營效率，減少冗余減少不必要的能源消耗，再通過“云服務(wù)”實現(xiàn)更快捷精準(zhǔn)的決策。比如施耐德電氣推出的EcoStruxure架構(gòu)與平臺，依托架構(gòu)在云端的應(yīng)用和服務(wù)，能通過優(yōu)化數(shù)據(jù)和信息分析，以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)驅(qū)動來實現(xiàn)云端數(shù)字化服務(wù)，幫助企業(yè)管理者構(gòu)建大數(shù)據(jù)時代下的決策分析體系。

除了這三個革新性關(guān)鍵技術(shù)以外，還有一些技術(shù)突破也促成了整體方案的優(yōu)化，例如鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用。施耐德電氣技術(shù)中心實測發(fā)現(xiàn)，鋰電池比鉛酸電池壽命增長一倍以上，而充電速度則四倍于鉛酸電池，且能減輕70%的重量。鋰電池在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，不僅可以支撐更直接快速的機(jī)房內(nèi)動態(tài)電力管理，還能配合外部電網(wǎng)電力供應(yīng)波動，支持大區(qū)域智能電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)，同時利用峰谷電價為企業(yè)降低用電成本。

在能源領(lǐng)域里，能效提升通常被稱作第二能源，意思是說節(jié)省相當(dāng)于創(chuàng)造。要擺脫“電“對數(shù)據(jù)中心發(fā)展的限制，核心還在提高能效，降低PUE值。而這考驗的并非單一技術(shù)，而是出具綜合解決方案的能力。萬物聯(lián)網(wǎng)近在眼前，未來的我們能否在空調(diào)房中愉快的“云擼貓”，依賴的就是這么一整套復(fù)雜運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。