數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)PUE解釋

數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)PUE解釋本文深入淺出地解釋了數(shù)據(jù)中心能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)電能利用效率PUE的基本概念和發(fā)展歷史,并對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成及對(duì)PUE計(jì)算的影響進(jìn)行了分析，闡述了影響PUE值的各項(xiàng)重要因素,總結(jié)了目前業(yè)界數(shù)據(jù)中心節(jié)能的主要方法并提出相關(guān)建議。一、PUES本概念1.定義電能利用效率(PowerUsageEffectiveness,PUE)是2007年由美國綠色網(wǎng)格組織(TheGreenGrid,TGG)提出的用以評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源利用效率的一種指標(biāo),目前被國內(nèi)夕卜數(shù)據(jù)中心行業(yè)廣泛使用。根據(jù)TGG的定義，PUE計(jì)算公式為:PUE二Pt/PIT其中Pt為數(shù)據(jù)中心全年總耗電量,單位是KWh;PIT為數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備全年耗電量，單位也是KWh。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的耗電量是包含在數(shù)據(jù)中心總耗電量內(nèi),所以PUE是一個(gè)大于1的數(shù)值,PUE值越低，說明數(shù)據(jù)中心用于IT設(shè)備以外的能耗越低,越節(jié)能。當(dāng)前國夕卜先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心PUE值通常小于2。2015年我國工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局和國家能源局在《關(guān)于印發(fā)國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案的通知》中指出:我國數(shù)據(jù)中心大多數(shù)的PUE仍普遍大于2.2,與國際先進(jìn)水平存在較大差距。在研究PUE時(shí),很有必要對(duì)兩大重要組織做簡單介紹。一個(gè)是上文提到的綠色網(wǎng)格組織(TGG)。它是一個(gè)全球性非營利機(jī)構(gòu),致力于開發(fā)影響深遠(yuǎn)而又不受任何平臺(tái)約束的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測量方法、處理流程及新技術(shù),力求提升數(shù)據(jù)管理方面的能源效益。TGG在2012年發(fā)布的第49號(hào)白皮書《PUE:指標(biāo)的綜合檢驗(yàn)》中對(duì)TGG之前出版的有關(guān)PUE的文件進(jìn)行了全面梳理和總結(jié)，重新給出了PUE的定義和計(jì)算方法。另一個(gè)組織是美國供暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)。無論是在美國還是在全球,ASHRAE都是數(shù)據(jù)中心最重要的技術(shù)資料來源。ASHRAE在2016年發(fā)布公告稱PUE只適合對(duì)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)中心的效率進(jìn)行評(píng)價(jià),而不適合于數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì),因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程中無法準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)的PUE。這里需要關(guān)注的是即使后續(xù)在PUE基礎(chǔ)上衍生了各種指標(biāo)基于PUE的測量值都是一段時(shí)間內(nèi)的耗電量而不是瞬時(shí)的功耗。用瞬時(shí)功耗的比值來計(jì)算PUE,不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的能耗水平。TGG也明確指出:在計(jì)算PUE時(shí),最佳實(shí)踐是自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控,每隔15分鐘或者更短時(shí)間間隔內(nèi)采集數(shù)據(jù);當(dāng)報(bào)告PUE值時(shí),數(shù)據(jù)中心的所有者應(yīng)使用一年內(nèi)的平均PUE值。因此，在給出PUE值的同時(shí)必須說明測量周期或者測量的時(shí)間點(diǎn)。同時(shí),TGG也明確指出，不同數(shù)據(jù)中心的PUE值不能進(jìn)行簡單的比較。2.采集點(diǎn)TGG給出了PUE計(jì)算時(shí)的三種測量采集方法。數(shù)據(jù)中心總耗電量Pt都是電力公司對(duì)數(shù)據(jù)中心的輸入。如果數(shù)據(jù)中心所在的建筑物是多用途的,必須對(duì)數(shù)據(jù)中心的總耗能進(jìn)行識(shí)別,需要減去辦公區(qū)域的用電但是用于數(shù)據(jù)中心技術(shù)支持的總控中心的用電必須包括在內(nèi)。IT設(shè)備總耗電量PIT的采集點(diǎn)有三種:第1級(jí)是基本級(jí)別，采集點(diǎn)是UPS的輸出;第2級(jí)是中級(jí)級(jí)別,采集點(diǎn)是機(jī)房內(nèi)配電柜的輸出;第3級(jí)是高級(jí)級(jí)別,采集點(diǎn)是機(jī)柜內(nèi)電源插座的輸出,也就是IT設(shè)備的輸入,具體見表1。這三種計(jì)算方法的采集點(diǎn)對(duì)電力使用的功耗或電量的采集的顆粒度要求逐級(jí)提高。目前,我國多數(shù)數(shù)據(jù)中心采用的是第1級(jí)的采集和計(jì)算方式。因此，得到的PUE數(shù)值也比第2級(jí)和第3級(jí)數(shù)值更低。3.片面性目前，業(yè)界公認(rèn)PUE是—個(gè)片面的指標(biāo),有局限性。最明顯的一點(diǎn)是，當(dāng)采用虛擬化等技術(shù)時(shí)會(huì)大幅降低IT設(shè)備的數(shù)量和耗電量從而實(shí)現(xiàn)降低電費(fèi)這一最有實(shí)際效益的目標(biāo)。但是數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備耗電量降低時(shí),數(shù)據(jù)中心總耗電量并不會(huì)同樣程度地降低,兩者之間不是簡單的線性關(guān)系,這就造成了數(shù)據(jù)中心PUE值反而增大。因此,業(yè)界十幾年來嘗試研究其他更為科學(xué)的指標(biāo)。這些衍生而來的性能指標(biāo)主要包括:ASHRAE提出的暖通空調(diào)負(fù)載系數(shù)(MLC)、供電損失系數(shù)(ELC);TGG提出的IT設(shè)備熱一致性(ITTC)、IT設(shè)備的容錯(cuò)性(ITTR)、水利用效率(WUE)和碳利用效率(CUE);ISO提出的可再生能源系數(shù)(REF)、服務(wù)器能源效率(ITEE)等。但是，多數(shù)新提出的衡量指標(biāo)由于偏學(xué)術(shù)或者計(jì)算復(fù)雜,很難被接受。因此,PUE仍是目前數(shù)據(jù)中心能耗衡量的最重要指標(biāo)。2016年4月15日,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO/IEC30134-1標(biāo)準(zhǔn),PUE被稱為數(shù)據(jù)中心的“關(guān)鍵性能指標(biāo)”。4.EEUE在國內(nèi)，由于意識(shí)到PUE指標(biāo)的片面性以及業(yè)界在應(yīng)用時(shí)的隨意性2016年我國發(fā)布了GB/T32910-2016《數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分:電能能效要求和測量方法》。該國家標(biāo)準(zhǔn)參照PUE,重新定義了EEUE(Electricenergyusuageeffectiveness)。EEUE在計(jì)算公式上與PUE相同。該國標(biāo)對(duì)EEUE的測量、計(jì)算方法進(jìn)行了統(tǒng)一的規(guī)定明確提出了我國數(shù)據(jù)中心電能能效要求,將數(shù)據(jù)中心按其電能使用效率值的大小分為節(jié)能、較節(jié)能、合格、較耗能和高耗能五級(jí)。同時(shí),該標(biāo)準(zhǔn)在充分考慮我國國情的基礎(chǔ)上,根據(jù)數(shù)據(jù)中心的制冷技術(shù)、使用負(fù)荷率、安全等級(jí)和所處地域的不同,制定了能源效率值調(diào)整模型。通過該調(diào)整模型可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)中心的比較,從而形成全國范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心能效的統(tǒng)一比較標(biāo)準(zhǔn)。GB/T32910-2016也明確指出，電量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)取得方法是使用電能計(jì)量儀表統(tǒng)計(jì)的方式,而不是使用功率表以抽樣法測量的方式獲得。表1PUE能耗采集點(diǎn)第丨級(jí)｛臨本)an鍛沖級(jí))悄￡坤出I'tx.：甜出n設(shè)備輸入5.pPUEPUE是衡量整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗效率的指標(biāo)。TGG和ASHRAE都在PUE的概念上給出了pPUE的定義:某區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)中心總能耗與該區(qū)間內(nèi)IT設(shè)備能耗之比。這里的區(qū)間或者范圍可以是實(shí)體,如集裝箱、房間、模塊或者建筑物;也可以是邏輯上的邊界,如設(shè)備或?qū)?shù)據(jù)中心有意義的邊界。pPUE只適用于數(shù)據(jù)中心區(qū)間能耗的研究。PUE的計(jì)算公式為數(shù)據(jù)中心總耗電量與IT設(shè)備耗電量的比值。要降低數(shù)據(jù)中心的PUE值,首先必須對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成進(jìn)行分析。數(shù)

IT設(shè)辭能耗供配電系統(tǒng)能耗據(jù)中心能耗主要包括IT設(shè)備能耗、供配電系統(tǒng)能耗、制冷系統(tǒng)能耗照明及其它能耗。數(shù)據(jù)中心PUE計(jì)算的能耗構(gòu)成如圖1所示。IT設(shè)辭能耗供配電系統(tǒng)能耗PUE=照明及其它能耗圖1PUE計(jì)算的能耗構(gòu)成PUE計(jì)算公式可改寫為：PUE=（PIT+P制冷+P供配電+P其它）/PIT關(guān)于數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成的比例,國內(nèi)外很多企業(yè)和學(xué)者都做了大量的調(diào)查與研究,雖然研究結(jié)果中各部分占比不盡相同,但能耗構(gòu)成因素及排序基本相同。在一個(gè)PUE約為2的傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心總能耗中,IT設(shè)備能耗占比最高,約為50%;其次是制冷系統(tǒng)能耗,約占35%;再次是供配電系統(tǒng)能耗,約占10%,其中最主要的是UPS設(shè)備的能耗,次之是變壓器設(shè)備的能耗;最后是照明及其他能耗,約占5%。這里的其他能耗主要包括：安防設(shè)備、消防設(shè)備、電梯、傳感器以及數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)的能耗等。不同數(shù)據(jù)中心即使PUE值相同，能耗占比也不同，上述數(shù)字僅供參考。PUE為2的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心典型能耗構(gòu)成如圖供參考。PUE為2的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心典型能耗構(gòu)成如圖2所示。30'..1H殳備能耗制拎系統(tǒng)能耗供配電系統(tǒng)能耗?照明及其它能耗圖2傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成根據(jù)數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成和PUE的計(jì)算公式，降低數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能耗,對(duì)降低PUE值最有效。因此數(shù)據(jù)中心的節(jié)能措施主要圍繞降低制冷系統(tǒng)的能耗開展。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用的風(fēng)冷制冷方式是最耗電的運(yùn)行方式。近十年來新建數(shù)據(jù)中心基本上都采用水冷式的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，能耗比風(fēng)冷系統(tǒng)低。大幅降低數(shù)據(jù)中心PUE的有效措施是采用自然冷卻方式,最理想的是完全不采用消耗電能的機(jī)械制冷方式,例如引入室外空氣配合蒸發(fā)冷卻進(jìn)行制冷。要實(shí)現(xiàn)這種方式,一方面數(shù)據(jù)中心需要選址建設(shè)在溫度較低的寒冷地區(qū);另一方面,可適當(dāng)提高機(jī)房運(yùn)行溫度,最大程度地利用室外空氣進(jìn)行自然冷卻。近年來,PUE被嚴(yán)重商業(yè)化,不少數(shù)據(jù)中心聲稱其PUE值已低于1.2甚至1.1。然而,這些公司絕大多數(shù)未給出具體采用的節(jié)能措施、PUE的測量方式和計(jì)算方式等細(xì)節(jié)。業(yè)界也出現(xiàn)了人為操縱PUE值的現(xiàn)象,例如,有人選擇了最佳的測量時(shí)機(jī),在戶外很冷、照明系統(tǒng)全部關(guān)閉及用戶幾乎不在線時(shí)測量,甚至關(guān)閉冗余制冷系統(tǒng)才進(jìn)行測量,這時(shí)測得的PUE值當(dāng)然會(huì)很低，但該值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了事實(shí)。拋開這些違背事實(shí)的宣傳若要大幅降低PUE值,需要采用特殊的架構(gòu)和技術(shù)。經(jīng)分析，業(yè)界宣稱做到極低PUE值的數(shù)據(jù)中心一般具有如下部分或者全部的特征:采用各種自然冷卻技術(shù),不使用或者較少使用機(jī)械制冷。這樣數(shù)據(jù)中心總能耗中占比最高的制冷系統(tǒng)能耗大幅降低。采用市電直供技術(shù)。由于沒有UPS設(shè)備,供配電系統(tǒng)能耗中占比最高的UPS設(shè)備能耗就沒有了，從而使PUE計(jì)算公式中分子部分的數(shù)據(jù)中心總能耗降低。該數(shù)據(jù)中心為低等級(jí)數(shù)據(jù)中心,供配電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)部分或者全部采用無容錯(cuò)或無冗余設(shè)計(jì)。這樣,供配電設(shè)備和制冷設(shè)備數(shù)量大幅減少,大大降低數(shù)據(jù)中心總能耗中的供配電系統(tǒng)能耗和制冷系統(tǒng)能耗,使得PUE值大幅降低。該數(shù)據(jù)中心為小型數(shù)據(jù)中心,如騰訊的T-block預(yù)制集裝箱式數(shù)據(jù)中心。一方面,變壓器設(shè)備能耗不計(jì)算在供配電系統(tǒng)能耗中;另一方面,小型數(shù)據(jù)中心無電梯、安防設(shè)備和總控中心等,進(jìn)一步大幅降低數(shù)據(jù)中心總能耗中的其他能耗。⑸采用太陽能、風(fēng)能等可再生能源且在計(jì)算PUE時(shí)未將可再生能源能耗計(jì)算入分子部分的數(shù)據(jù)中心總能耗。這樣,若可再生能源用于完全驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng),在計(jì)算PUE時(shí),分子部分中占比最高的制冷系統(tǒng)能耗為零。這種計(jì)算方法與國外業(yè)界公認(rèn)的可再生能源的能耗必須計(jì)算入數(shù)據(jù)中心總能耗的要求相違背。（6）該數(shù)據(jù)中心采用浸沒式液冷等新型冷卻方式,不使用傳統(tǒng)機(jī)械制冷方式。因此計(jì)算PUE時(shí)分子部分的制冷系統(tǒng)能耗趨于零。三、影響PUE的重要因素業(yè)界公認(rèn)的影響PUE的三個(gè)重要因素為氣候條件、IT設(shè)備負(fù)荷率和數(shù)據(jù)中心安全等級(jí)。1.氣候條件建設(shè)在不同氣象區(qū)的數(shù)據(jù)中心,由于室外溫度對(duì)冷水機(jī)組能耗的影響以及可采用的冷卻技術(shù)（例如自然冷卻等）的不同,即使是其他條件相同，其PUE也會(huì)不同。數(shù)據(jù)中心應(yīng)選址建設(shè)在全年平均氣溫相對(duì)較低的地方，可最大程度地使用自然冷卻技術(shù)降低制冷系統(tǒng)能耗。ASHRAE根據(jù)數(shù)據(jù)中心所在地理位置劃分了17個(gè)氣候區(qū),對(duì)每個(gè)氣候區(qū)的數(shù)據(jù)中心設(shè)定PUE最大值，其中最小為1.3,最大為1.61,地理位置不同，差異明顯。2013年工信部等五部委在《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導(dǎo)意見》中把我國數(shù)據(jù)中心的布局分為四類地區(qū)只有同一地區(qū)的PUE才有可比性將不同氣象地區(qū)的數(shù)據(jù)中心的PUE進(jìn)行比較是不合理的。2.IT設(shè)備負(fù)荷率數(shù)據(jù)中心PUE值與IT設(shè)備負(fù)荷率密切相關(guān)°IT設(shè)備負(fù)荷率指的是數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)的滿載時(shí)IT設(shè)備負(fù)荷的比值。不間斷電源UPS的效率在低負(fù)載時(shí)急劇下降。IT設(shè)備負(fù)荷率較低時(shí),-方面,UPS設(shè)備的效率降低造成UPS設(shè)備能耗增加，從而使得PUE值升高;另一方面,IT設(shè)備未滿載安裝時(shí)，制冷能耗并不成比例降低，也造成制冷能耗的增加,使得PUE值升高。數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)行模式有三種:第一種是基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備（供配電設(shè)備、制冷設(shè)備等）一次性建設(shè),IT設(shè)備分期部署;第二種模式是基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和IT設(shè)備同步分期建設(shè)和部署;第三種模式是基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和IT設(shè)備均一次性建設(shè)和部署。對(duì)于企業(yè)自建自行運(yùn)維的EDC（企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心）,—般采用第一種模式。因此，實(shí)際上數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷率長時(shí)間內(nèi)都遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。特別是EDC,經(jīng)過數(shù)年才會(huì)達(dá)到滿載,而這時(shí)該數(shù)據(jù)中心早就已啟動(dòng)擴(kuò)建和改造工程了。對(duì)于租賃式數(shù)據(jù)中心,由于用戶的進(jìn)入很難一步到位,所以數(shù)據(jù)中心開始運(yùn)行后,在最初的一段時(shí)間內(nèi)負(fù)荷率同樣會(huì)較低,PUE值同樣會(huì)高于滿載指標(biāo)。因此，不同IT設(shè)備負(fù)荷率的數(shù)據(jù)中心不能簡單地進(jìn)行PUE值的比較。3.數(shù)據(jù)中心安全等級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》將數(shù)據(jù)中心按照重要性從高到低劃分為A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)三個(gè)級(jí)別。安全等級(jí)越高，配置的供配電、制冷設(shè)備也越多,相應(yīng)的能耗也越高,造成PUE值升高。因此,不同安全等級(jí)的數(shù)據(jù)中心的PUE也不能進(jìn)行簡單的比較。由于上述原因，業(yè)界都認(rèn)可不同的數(shù)據(jù)中心的PUE值不應(yīng)該直接進(jìn)行比較,但是條件相似的數(shù)據(jù)中心可以從其他數(shù)據(jù)中心所提供的測量方法、測試結(jié)果以及數(shù)據(jù)特性的差異中獲益。2016年我國發(fā)布的GB/T32910-2016《數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分:電能能效要求和測量方法》提出了EEUE指標(biāo),定義與PUE相同。同時(shí),為了方便不同數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)進(jìn)行比較,該國標(biāo)考慮了數(shù)據(jù)中心安全等級(jí)、氣候條件和IT設(shè)備負(fù)荷率等因素提出了調(diào)整模型。不同數(shù)據(jù)中心在比較EEUE時(shí),需使用EEUE修正值。EEUE修正值計(jì)算公式如下:EEUE修正值二EEUE實(shí)測值-EEUE調(diào)整值其中EEUE調(diào)整值計(jì)算模型見表2。表2EEUE調(diào)整值計(jì)算模型爆ffiUPS常電^W訓(xùn)ffi■&宅■$境0.0300000哦陥咚唄*水睜0.131X

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