电能利用效率分级管理概述

电能利用效率分级管理概述

胡波

（中国联合网络通信有限公司济南市分公司 250002）

摘要：电能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE) 是2007年由美国绿色网格组织(The Green Grid, TGG) 提出的用以评价数据中心能源利用效率的一种指标, 目前被国内外数据中心行业广泛使用。通过对不同的数据中心的PUE的分级测量及管理，我们可以看出, PUE仅是一个数字, 对于数据中心的管理者来说, 更应该看重数据中心总能耗的降低, 即电费投入的降低。

关键词：电能利用效率 分级 管理

一、前言

电能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE) 是2007年由美国绿色网格组织(The Green Grid, TGG) 提出的用以评价数据中心能源利用效率的一种指标, 目前被国内外数据中心行业广泛使用。根据TGG的定义, PUE计算公式为:PUE=Pt/PIT,其中Pt为数据中心全年总耗电量, 单位是KWh;PIT为数据中心的IT设备全年耗电量, 单位也是KWh。数据中心IT设备的耗电量是包含在数据中心总耗电量内, 所以PUE是一个大于1的数值, PUE值越低, 说明数据中心用于IT设备以外的能耗越低, 越节能。

若要大幅降低PUE值, 需要采用特殊的架构和技术。经分析，业界宣称做到极低PUE值的数据中心一般具有如下部分或者全部的特征：

1、采用各种自然冷却技术, 不使用或者较少使用机械制冷。这样数据中心总能耗中占比最高的制冷系统能耗大幅降低。

2、采用市电直供技术。由于没有UPS设备, 供配电系统能耗中占比最高的UPS设备能耗就没有了, 从而使PUE计算公式中分子部分的数据中心总能耗降低。

3、该数据中心为低等级数据中心, 供配电系统和制冷系统部分或者全部采用无容错或无冗余设计。这样, 供配电设备和制冷设备数量大幅减少, 大大降低数据中心总能耗中的供配电系统能耗和制冷系统能耗, 使得PUE值大幅降低。

4、该数据中心为小型数据中心, 如腾讯的T-block预制集装箱式数据中心。一方面, 变压器设备能耗不计算在供配电系统能耗中;另一方面, 小型数据中心无电梯、安防设备和总控中心等, 进一步大幅降低数据中心总能耗中的其他能耗。

二、技术内容

1、PUE的计算公式为数据中心总耗电量与IT设备耗电量的比值。要降低数据中心的PUE值, 首先必须对数据中心的能耗构成进行分析。通过本次项目的研究，我们认为数据中心能耗主要包括IT设备能耗、供配电系统能耗、制冷系统能耗、照明及其它能耗等。以济南公司三枢纽IDC中心为例, IT设备能耗占比最高, 约为50%；其次是制冷系统能耗, 约占35%；再次是供配电系统能耗, 约占10%，其中最主要的是UPS设备的能耗, 次之是变压器设备的能耗;最后是照明及其他能耗, 约占5%。这里的其他能耗主要包括:安防设备、消防设备、电梯、传感器以及数据中心管理系统的能耗等。

2、规范PUE结果的命名规范，便于不同IDC间的比较。我们率先对济南公司三枢纽IDC中心的能耗情况及PUE数值进行了测量及分析，然后按照同一口径及测量标准对济南公司担山屯IDC中心、四里村IDC中心的能耗情况及PUE数据进行了测量及分析，并由此制定出了PUE值的测量标准及分级标准。

3、我们对PUE数据进行分解，分析、总结出影响PUE值的因素主要有一下几个方面：

（1）气候条件

建设在不同气象区的数据中心, 由于室外温度对机房专用空调能耗的影响以及可采用的冷却技术（例如自然冷却等）的不同, 即使是其他条件相同, 其PUE也会不同。

（2）IT设备负荷率

数据中心PUE值与IT设备负荷率密切相关。IT设备负荷率指的是数据中心的IT设备实际负荷与设计的满载时IT设备负荷的比值。不间断电源UPS的效率在低负载时急剧下降。IT设备负荷率较低时, 一方面UPS设备的效率降低, 造成UPS设备能耗增加，从而使得PUE值升高;另一方面, IT设备未满载安装时, 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。数据中心建设和运行模式有三种:第一种是基础设施设备(供配电设备、制冷设备等) 一次性建设, IT设备分期部署;第二种模式是基础设施设备和IT设备同步分期建设和部署;第三种模式是基础设施设备和IT设备均一次性建设和部署。对于企业自建自行运维的EDC (企业级数据中心) , 一般采用第一种模式。因此, 实际上数据中心的负荷率长时间内都远低于设计值。特别是EDC, 经过数年才会达到满载, 而这时该数据中心早就已启动扩建和改造工程了。

由于上述原因, 我们认为不同的数据中心的PUE值不应该直接进行比较, 但是条件相似的数据中心可以从其他数据中心所提供的测量方法、测试结果以及数据特性的差异中获益。

三、主要技术创新点：

通过对不同的数据中心的PUE的分级测量及管理，我们可以看出, PUE仅是一个数字, 对于数据中心的管理者来说, 更应该看重数据中心总能耗的降低, 即电费投入的降低。因此, 所有的数据中心都关注节能问题。通过对PUE的深入研究，我们总结出了降低数据中心能耗的几种最有效的途径：

1. 测量PUE

只有对PUE进行实事求是的测量, 才能了解和及时跟进数据中心能源使用情况。

2. 管理气流

良好的气流管理对于提高数据中心的运营能效是至关重要的。这方面可以采用机柜冷/热通道封闭、安装机柜盲板和利用计算流体力学(CFD) 的热模拟进行气流组织优化等措施。

3. 提高机房温度

无需将数据中心的温度保持在23度, 事实上, 所有的设备制造商都允许冷通道在27度或更高的温度下运行。提高冷通道的运行温度既可以使免费制冷的时间变长又可以节省更多能源。

4. 利用自然冷却

利用自然冷却, 无需使用冷却器就能为设备散热。这包括利用低温的环境空气、蒸发冷却技术应用等。

四、与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较

当前，国外先进的数据中心机房PUE值通常小于2，而我国的大多数数据中心的PUE值在2-3之间。所以国内机房内芯片级主设备1W的功耗会导致总体耗电量达到2-3W，而国外机房内芯片级主设备1W的功耗只会导致总体耗电量为2W以下。通过以上数据我们可以看出，其实我们国内的数据中心的PUE值和国际先进水平相比还是有比较明显的差距的，这也反映出我们的数据中心在机房的负荷管理、空调运行管理、机房环境温度管理等方面还是存在差距的。另外一方面，这也说明我们的数据中心在节能降耗方面还是有很大的潜力可挖的。我们可以根据数据中心的能耗构成中的各个主要因素，例如：IT设备能耗、机房空调能耗、供电系统能耗及其他能耗，逐一进行分析，寻找节能降耗的途径。

五、项目（阶段性）成果、应用情况和社会、经济效益说明

1、形成山东联通统一的PUE测量标准和PUE分级管理标准。

2、积累PUE改进的技术、管理经验。建议机房建设前期的设计和规划就把节能、环保考虑到，并在设计和规划的过程中达到机房的使用要求的前提下，把机房的PUE值作为机房的设计和规划要求。用户对PUE值的要求，机房设计满足并说明从几方面可以把机房的设计达到用户的要求。

3、实施PUE改进降耗工程，减少电费支出：

（1）机房在设计中采用静电地板高度的提升，地板出风口的通风率的提高，封闭机柜冷通道，以及用风道上送风和地板下送风结合制冷等方式进行解决。

（2）机房空调的冷量不浪费，有效地利用可以很大地提高空调的利用率。在实现机房制冷的前提下，空调运行也可以节能。通过空调系统一系列的优化，可以降低整个机房的PUE值。

（3）空调本身的耗电量是最主要的。所以解决空调自身的耗电量是降低空调能耗成本的关键。机房中采用传统的风冷制冷方式是最耗电的运行方式。在大的IDC中心可以采用水冷式的机房空调系统，比风冷系统节能20%左右。