尹曉竹

摘要 本文介紹了數(shù)據(jù)中心和PUE的基本概念，并對(duì)PUE數(shù)值及相關(guān)因素進(jìn)行了分析和解讀。PUE可作為節(jié)能技術(shù)衡量工具，是一個(gè)逐步調(diào)整的過(guò)程。所有降低PUE的措施，其代價(jià)必將在項(xiàng)目全成本中得以體現(xiàn)。正確理解PUE的涵義，選擇節(jié)能高效與成本合理的平衡點(diǎn)，是數(shù)據(jù)中心建設(shè)者應(yīng)考慮的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)中心PUE

中圖分類(lèi)號(hào)：C37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1PUE簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換、管理等業(yè)務(wù)的服務(wù)平臺(tái)。從物理層次看，數(shù)據(jù)中心主要由IT設(shè)備、配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)3部分構(gòu)成。IT設(shè)備是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心功能的核心部分，配電和空調(diào)系統(tǒng)則用以保障IT設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其中，配電系統(tǒng)用于直流、交流轉(zhuǎn)換，并確保為IT設(shè)備提供可靠、高質(zhì)量的電源；空調(diào)系統(tǒng)保障IT設(shè)備在正常的溫度和濕度下工作。

綠色數(shù)據(jù)中心是在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)和方案以達(dá)到最高能效以及最低的環(huán)境影響。若要達(dá)到綠色數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)，除了要應(yīng)用高效節(jié)能的IT設(shè)備外，通過(guò)一系列節(jié)能措施降低空調(diào)系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的能耗也極為關(guān)鍵。業(yè)內(nèi)常用PUE（Power Usage Effectiveness）作為數(shù)據(jù)中心的能效指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心是否高效。

PUE定義

PUE:能量使用效率Power Usage Effectiveness

PUE

IT設(shè)備能耗包括所有相關(guān)的IT設(shè)備的負(fù)荷，如計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也包括輔助設(shè)備如KVM轉(zhuǎn)換器、監(jiān)視器和工作站等。 全部設(shè)備能耗包括以下所有支持IT設(shè)備運(yùn)行的設(shè)備能耗：

(1)供配電、照明設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、變壓器、開(kāi)關(guān)柜、配電箱、列頭柜、UPS、電池、燈具等。 (2)空調(diào)設(shè)備，如冷水機(jī)組、機(jī)房精密空調(diào)、直接蒸發(fā)制冷設(shè)備、新風(fēng)空調(diào)設(shè)備、水泵和冷卻塔等。 (3)計(jì)算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備。 PUE的數(shù)值越小，說(shuō)明機(jī)房的節(jié)能效果越好。目前國(guó)內(nèi)外已建成的機(jī)房的PUE數(shù)值大致在1.4～2.2之間。對(duì)于IT企業(yè)來(lái)講，只有建設(shè)低能耗的機(jī)房，才能更好地滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的計(jì)算、傳輸和存儲(chǔ)的需求，才能降低能耗成本，減少整個(gè)企業(yè)的建設(shè)成本和運(yùn)行成本，使企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)力，以迎接更多的商業(yè)需求和挑戰(zhàn)。

PUE因素組成

其中：CLF —制冷能效因子Cooling Load Factor

代表單位功率IT負(fù)載上消耗的制冷用電量

PLF —電力能效因子Power Load Factor

代表單位功率IT負(fù)載上供電系統(tǒng)的損耗

PUE是一個(gè)趨向于1的值，越接近1，說(shuō)明數(shù)據(jù)中心全部電量基本全部供應(yīng)給IT設(shè)備，此數(shù)據(jù)中心電能利用率最高。

PUE影響因素分析圖如下：（見(jiàn)WORD附件圖）

2、PUE的確定方法

方法一：已知數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施耗電量（包含空調(diào)、電源損耗、機(jī)房照明等用電），IT設(shè)備耗電量，可利用公式，計(jì)算出PUE值。

方法二：設(shè)定目標(biāo)PUE值，可計(jì)算出IT設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施耗電量所占比例關(guān)系，根據(jù)確定的IT設(shè)備耗電量，可確定空調(diào)耗電量、電源損耗量、其他用電量。從而采取各種措施向目標(biāo)值靠近。

如：設(shè)定目標(biāo)PUE=1.5，含義為，每輸入1.5KW的總電量，可支持1KW 的IT設(shè)備。用于每1KW IT設(shè)備所消耗的空調(diào)、電力損耗、建筑照明等基礎(chǔ)設(shè)施電量為0.5KW。

使用此PUE確定方法需要注意：PUE值越小，代表IT設(shè)備能耗占比越大，當(dāng)PUE=1是，代表數(shù)據(jù)中心耗電全部為IT設(shè)備耗電，而不消耗其他電能。

3、PUE數(shù)值分析

3.1 PUE與IT設(shè)備能耗占比的關(guān)系

如上圖所示：

每一個(gè)PUE值都對(duì)應(yīng)一個(gè)IT與基礎(chǔ)設(shè)施耗電量比例關(guān)系，IT設(shè)備占比越大，PUE值越低

要降低PUE，增加IT設(shè)備耗電占比，降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比，將盡量多的電量用于IT設(shè)備，減少空調(diào)、電源、建筑照明等能耗。

極限值是全部的電量用于IT設(shè)備，特殊設(shè)計(jì)，通常條件下無(wú)法達(dá)到。

3.2 PUE不同數(shù)值能耗分布示意及分析

（1）專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)所列數(shù)據(jù)中心能耗比例（資料來(lái)源：EYP Missions Critical Facilities Inc.）

根據(jù)比例關(guān)系推導(dǎo)出PUE=1.8/1.5/1.25幾個(gè)典型PUE能耗比例分配如下：

PUE=1.8為綠色數(shù)據(jù)中心的最低標(biāo)準(zhǔn)

PUE=1.5為我們希望達(dá)到的綠色數(shù)據(jù)中心PUE值

分析：電力損失至少也要7%，空調(diào)制冷+通風(fēng)耗電合計(jì)25%，必須采用冬季自然冷卻方式減少制冷耗電時(shí)間。

PUE≤1.4

大型數(shù)據(jù)中心整體采用常規(guī)方法已經(jīng)很難達(dá)到，以PUE=1.4為例

分析：此種按比例分配已經(jīng)顯得不合理，電力損失6%，難以達(dá)到?？照{(diào)系統(tǒng)21%，必須綜合考慮自然冷卻利用方式，包括水側(cè)自然冷卻、風(fēng)側(cè)自然冷卻、末端靠近負(fù)荷側(cè)等，并且增加自然冷卻使用時(shí)間。

PUE=1.25

大型數(shù)據(jù)中心整體采用常規(guī)方法做不到，以PUE=1.25為例

分析：達(dá)到此比例分配，可采用行間制冷或背板冷門(mén)，空調(diào)通風(fēng)加濕減至最低，空調(diào)制冷占15%，采用自然冷卻減少制冷耗電時(shí)間。自然冷卻方式需要考慮更為極端。

4、PUE與其他因素關(guān)系

4.1PUE與IT能效

大型數(shù)據(jù)中心總耗電量大，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心節(jié)能的關(guān)鍵指標(biāo)應(yīng)該首先是IT設(shè)備的能效，其次是PUE值。我們建設(shè)數(shù)據(jù)中心，希望的是高產(chǎn)出低成本，每KW IT設(shè)備，處理能力越高越好，總耗電量越少越好。因此，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能效應(yīng)該包含兩個(gè)指標(biāo)：

IT能效PPW=最大運(yùn)算能力/計(jì)算主機(jī)運(yùn)行功耗：

SCCE=最大運(yùn)算能力*實(shí)際運(yùn)行CPU占用率/超算中心系統(tǒng)運(yùn)行功耗：

數(shù)據(jù)的傳輸流量(吞吐量)級(jí)： 兆(106)字節(jié)/秒/Watt

圖示：兩指標(biāo)體現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)中心能效

分析

Ⅰ象限，IT設(shè)備能效高，PUE高，可通過(guò)節(jié)能改造降低PUE值

Ⅱ象限，IT設(shè)備能效低，PUE高，產(chǎn)出低，能耗高，不好

Ⅲ象限，IT設(shè)備能效低，PUE低，因?yàn)楫a(chǎn)出低，雖然能耗低，但也不好

Ⅳ象限，IT設(shè)備能效高，PUE低，是理想的綠色數(shù)據(jù)中心。我們的目標(biāo)！

結(jié)論

不能單純追求PUE值低,IT的高能效應(yīng)該是考慮的首要因素，數(shù)據(jù)中心核心是IT,IT處理能力代表數(shù)據(jù)中心水平，基礎(chǔ)設(shè)施均為IT服務(wù)的，因此IT能效低的數(shù)據(jù)中心不是好的數(shù)據(jù)中心。我們建設(shè)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)是IT能效高，PUE值低的數(shù)據(jù)中心。

4.2 PUE與總能耗/IT能耗/IT負(fù)載率

大型數(shù)據(jù)中心基地通常具有規(guī)模大，面積大，總耗電量大，IT設(shè)備耗電量大的特點(diǎn)。

(1)圖示

(2)分析:

Ⅰ象限，總能耗高，IT設(shè)備能耗高，滿(mǎn)負(fù)載，PUE高?？赏ㄟ^(guò)節(jié)能改造降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電，降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比，降低PUE值

Ⅱ象限，總能耗低，IT設(shè)備能耗低，部分負(fù)載，PUE高。在建設(shè)初期，可能出現(xiàn)這種情況，負(fù)荷率低，但基礎(chǔ)設(shè)施按全部IT設(shè)備設(shè)計(jì)及運(yùn)轉(zhuǎn)，使得基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比大，PUE值高。需要通過(guò)模塊化建設(shè)思路，提高IT負(fù)載率、提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率、降低PUE值。隨負(fù)載提高，模塊化靈活擴(kuò)容。

Ⅲ象限，總能耗低，IT設(shè)備能耗低，部分負(fù)載，PUE低。在建設(shè)初期，可能出現(xiàn)這種情況，負(fù)荷率低，基礎(chǔ)設(shè)施耗電也低，采用了模塊化概念，PUE值低，用能比例相對(duì)理想。隨負(fù)載率增加，進(jìn)行模塊化擴(kuò)容，保證PUE相對(duì)低值。分期建設(shè)，在IT設(shè)備未滿(mǎn)情況下，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，在發(fā)展過(guò)程中，是理想的綠色數(shù)據(jù)中心。

Ⅳ象限，終期目標(biāo)：總能耗高，IT設(shè)備能耗高，滿(mǎn)負(fù)載，PUE低。在IT全部滿(mǎn)載情況下，是理想的綠色數(shù)據(jù)中心。

(3)結(jié)論:

大型數(shù)據(jù)中心基地，通常是規(guī)模大，面積大，一定是高運(yùn)營(yíng)能力，IT耗電量大，總耗電量大。

在滿(mǎn)載的情況下，可以采取節(jié)能措施，降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比，從而降低PUE值。

但建設(shè)初期，可能會(huì)出現(xiàn)部分負(fù)載情況，如果按全部基礎(chǔ)設(shè)施到位，全部開(kāi)啟，勢(shì)必PUE值高，達(dá)不到節(jié)能目的。因此在部分負(fù)荷時(shí)，要引入“模塊化”建設(shè)概念，使得IT設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施耗電同比增長(zhǎng)，PUE值不變甚至降低。保證單位模組內(nèi)，IT負(fù)載率高，PUE值低。

“模塊化數(shù)據(jù)中心”建設(shè)理念，基礎(chǔ)設(shè)施隨IT設(shè)備規(guī)模模塊化，能保證單位模塊內(nèi),IT負(fù)載率高，PUE值低；隨需求增長(zhǎng)，靈活部署，迅速擴(kuò)容，基礎(chǔ)設(shè)施與IT設(shè)備同比例增長(zhǎng)，PUE值保持低位。

4.3 PUE 與功率密度

數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢(shì)之一，是功率密度越來(lái)越大，每機(jī)柜IT設(shè)備耗電量越來(lái)越大，局部散熱越來(lái)越大，需要特殊的制冷方式進(jìn)行冷卻。隨之帶來(lái)成本會(huì)成級(jí)數(shù)增加，包括建設(shè)成本與土地成本。

（1）圖示

（2）分析：

1）在實(shí)現(xiàn)IDC同樣處理能力要求下

Ⅰ象限，如果面積成本高，適當(dāng)開(kāi)發(fā)高密機(jī)架，達(dá)到高運(yùn)算能力。適當(dāng)?shù)臋C(jī)柜成本投入，用機(jī)柜換面積。一般一線(xiàn)城市IDC策略。

Ⅱ象限，如果面積成本高，需要向高密度發(fā)展。

Ⅲ象限，如基地面積足夠，面積成本低，沒(méi)必要在高密度上投入大量成本。用面積換機(jī)柜，大面積滿(mǎn)足運(yùn)算能力?？梢砸辣壤O(shè)置高密機(jī)架，作為實(shí)驗(yàn)或者滿(mǎn)足高端客戶(hù)特殊需求。比如內(nèi)蒙基地可以采用此策略。

Ⅳ象限，如果面積便宜，面積成本低，全部設(shè)置高密機(jī)架，機(jī)柜投入成本高，而且總電量需求大，如果外電條件有限，即使使用高密機(jī)架，電量配置不足時(shí)，面積空置，也是一種浪費(fèi)。

2）結(jié)論

功率密度足夠小，每機(jī)柜功率小，或者面積足夠大，均靠自然冷卻降溫，不開(kāi)啟空調(diào)設(shè)備，全部電力輸入，減去損耗，全部用于IT設(shè)備，PUE值接近1。功率密度大，每機(jī)柜功率大，面積很小，小到只有一個(gè)機(jī)柜大。采用機(jī)柜制冷方式，減少了空調(diào)通風(fēng)耗電，PUE也可以比較低。

我們要做的，應(yīng)該是合理的功率密度，合理的面積，控制PUE值。降低PUE值，付出的成本，應(yīng)靠提高生產(chǎn)能力來(lái)平衡，換句話(huà)說(shuō)，IDC高產(chǎn)，降低PUE是值得的。

5、PUE與成本關(guān)系

綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，為能源節(jié)約和利用做出貢獻(xiàn)，但同時(shí)也需要建設(shè)方付出高昂成本。PUE數(shù)值代表了數(shù)據(jù)中心的工作效率，它絕不僅僅只是一個(gè)數(shù)值。它測(cè)量數(shù)據(jù)中心如何有效的使用輸入電源，將電力消耗轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力。我們建設(shè)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)是電能利用率高的數(shù)據(jù)中心。降低PUE值，付出的成本，應(yīng)靠提高生產(chǎn)能力來(lái)平衡，換句話(huà)說(shuō)，IDC高產(chǎn)，降低PUE是值得的。

采用節(jié)能措施投入的成本巨大，很少有企業(yè)能夠擁有無(wú)限的投資資金。企業(yè)必須認(rèn)真考慮，將每一分錢(qián)都要用在刀刃上。在考慮數(shù)據(jù)中心投資建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，能源利用效率的變化必須設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)。在此基準(zhǔn)之上，降低PUE，即降低運(yùn)行成本，計(jì)算其需要付出的初投資。當(dāng)IT設(shè)備功率一定時(shí)，降低PUE所采用的措施成本是可以計(jì)算的，其投資回收期也是可以預(yù)估的。

例如：一個(gè)IT耗電為20MW的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)首先確定一個(gè)PUE為1.8的建設(shè)模型，其基礎(chǔ)設(shè)施配置、規(guī)模，對(duì)應(yīng)投資做為基準(zhǔn)。當(dāng)PUE從1.8降低到1.5，PUE降低0.3，數(shù)據(jù)中心將可節(jié)省6MW電量，以電費(fèi)為0.7元/kwh計(jì)算，將可節(jié)省年運(yùn)行費(fèi)用為4200萬(wàn)元。如果預(yù)訂投資回收期2年為目標(biāo)，那么所有采用的節(jié)能措施投資增加8400萬(wàn)為可接受目標(biāo)。在PUE為1.8的常規(guī)數(shù)據(jù)中心投資基礎(chǔ)上，可采用多種節(jié)能措施降低PUE，其初投資增長(zhǎng)可接受范圍為8400萬(wàn)元。如果希望PUE繼續(xù)降低，如果達(dá)到此運(yùn)行PUE的節(jié)能措施，其建設(shè)成本在可接受范圍內(nèi)，則可以考慮。如果超出成本范圍，則需建設(shè)方謹(jǐn)慎決策。

6、結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)隨著IT技術(shù)的大發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心在全國(guó)各地拔地而起，數(shù)據(jù)中心高度集成和高耗能的特點(diǎn)，促使節(jié)能分析和研究的深度和廣度逐步加強(qiáng)，越來(lái)越多的節(jié)能設(shè)計(jì)方案得到應(yīng)用的，越來(lái)越多的節(jié)能產(chǎn)品得到推廣。降低數(shù)據(jù)中心PUE值、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能運(yùn)行，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但需要注意的是，在國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心PUE數(shù)值有其合理的范圍，尋求合理高效的數(shù)據(jù)中心應(yīng)該是廣大數(shù)據(jù)中心從業(yè)者的追求目標(biāo)。