程瑩瑩，唐懷坤

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心因?yàn)槟芎母咭恢笔沁\(yùn)營(yíng)方和政府管理關(guān)注的重點(diǎn)。在數(shù)據(jù)中心機(jī)柜、帶寬出租的運(yùn)營(yíng)模式下，PUE作為表征數(shù)據(jù)中心節(jié)能先進(jìn)性和碳排放控制的主要控制把手，曾經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心降本增效和能耗管理起到了巨大作用。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)以及AI等技術(shù)的快速發(fā)展及國(guó)家對(duì)能源管理政策的不斷收緊，尤其在國(guó)家把數(shù)據(jù)中心上升到大數(shù)據(jù)中心并納入新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范疇的新形勢(shì)下，PUE表征意義和適用范圍的局限性逐漸顯現(xiàn)。因此，在大數(shù)據(jù)中心新基建大力實(shí)施新形勢(shì)下，如何建立科學(xué)的能耗評(píng)估指標(biāo)，使大數(shù)據(jù)中心快速、綠色、健康發(fā)展成為擺在企業(yè)和政府面前亟待解決的課題。

1 PUE局限性分析

1.1 PUE的由來(lái)

PUE（Power Usage Effectiveness）由Green Grid于2008年正式提出，旨在衡量能源使用效率的指標(biāo)。其定義基于只有IT設(shè)備的耗電被認(rèn)為是有意義的電能[1]。

數(shù)據(jù)中心總耗電指IT設(shè)備、制冷設(shè)備以及供配電系統(tǒng)等維持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的所有耗電的總和。IT設(shè)備耗電指機(jī)房?jī)?nèi)芯片級(jí)IT主設(shè)備耗電。

1.2 PUE局限性分析

PUE指標(biāo)的目的是引導(dǎo)耗電量巨大的數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排。但是，由于PUE節(jié)能減排是基于降低機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施電耗的原理，雖簡(jiǎn)潔、直觀，但由于考核的用能范圍僅限于電和考核重點(diǎn)是機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施用電，作為政府能耗管理的依據(jù)存在天然的局限性，也不利于國(guó)家新基建戰(zhàn)略的實(shí)施。

1.2.1 忽略了作為數(shù)據(jù)中心整體耗電的主體是IT設(shè)備的情況

PUE計(jì)算公式關(guān)注的重點(diǎn)是機(jī)電配套基礎(chǔ)設(shè)施用電對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的影響，卻忽略了IT系統(tǒng)設(shè)備用電對(duì)數(shù)據(jù)中心整體用電影響更大。數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行中，在服務(wù)能力不變的情況下，IT系統(tǒng)設(shè)備電耗加大可能會(huì)降低PUE值但整體耗電量卻可能上升的情況。因此，降低IT設(shè)備的電耗對(duì)降低數(shù)據(jù)中心能耗具有重要意義。例如，在冷、熱數(shù)據(jù)分離存儲(chǔ)情況下，由于數(shù)據(jù)中心采用專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器可有效降低IT系統(tǒng)的電耗，但PUE指標(biāo)卻可能出現(xiàn)不降反升的情況。這種情況下，PUE的引導(dǎo)作用是失效的。

1.2.2 無(wú)法體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心巨大的水資源消耗情況

結(jié)合多年經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心PUE值要求，從使用的安全、有效、經(jīng)濟(jì)以及普適角度出發(fā)，國(guó)內(nèi)在用的大型和超大型且PUE值控制在1.5以下的數(shù)據(jù)中心，空調(diào)制冷依然是水冷冷水機(jī)組+冷卻塔+精密空調(diào)方式。作為影響PUE因子比重最大的部分，在現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)體系下，數(shù)據(jù)中心空調(diào)的能效也是節(jié)能的重點(diǎn)。降低PUE空調(diào)因子一直是各數(shù)據(jù)中心空調(diào)廠(chǎng)家和數(shù)據(jù)中心建設(shè)運(yùn)用單位的重點(diǎn)研究、控制對(duì)象。

PUE最終落實(shí)到空調(diào)的能效比和機(jī)房氣流組織設(shè)計(jì)仿真和應(yīng)用方面，也就是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真，最后PUE≈CFD。

根據(jù)測(cè)算，采用水冷冷水機(jī)組+冷卻塔+精密空調(diào)方式的大型數(shù)據(jù)中心，10 000個(gè)5 kW機(jī)柜規(guī)模的超大型數(shù)據(jù)中心最高日用水量至少為3 000 m3。5G、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的發(fā)展加速，極大地推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心的需求。大型和超大型數(shù)據(jù)中心仍然是最近一段時(shí)間的建設(shè)熱潮，因此可以預(yù)計(jì)對(duì)水資源的消耗相當(dāng)可觀。但是，PUE評(píng)價(jià)對(duì)象僅為電能，無(wú)法體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心巨大的水資源消耗，不利于政府的節(jié)能管理。

1.2.3 無(wú)法體現(xiàn)能源綜合利用的優(yōu)勢(shì)

數(shù)據(jù)中心用電量大、保障要求高，經(jīng)常受項(xiàng)目所在地尤其是需求熱點(diǎn)區(qū)域用電容量的限制。為降低用電門(mén)檻，余熱利用成為許多建設(shè)運(yùn)營(yíng)企業(yè)在數(shù)據(jù)中心選址規(guī)劃階段考慮的解決問(wèn)題。例如，火電廠(chǎng)余熱用于數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷，選址階段即首先考慮在火電廠(chǎng)或附近，利用余熱選用匹配容量的蒸汽型溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)中心機(jī)房制冷，并在有條件的情況下為附近居民提供熱水，可在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上均取得較好的效益。目前，徐州和深圳均有成功應(yīng)用的案例。再如，回收數(shù)據(jù)中心余熱，通過(guò)采用磁懸浮技術(shù)，結(jié)合成熟的離心壓縮機(jī)技術(shù)，向機(jī)房回輸適合溫度的冷凍水用于機(jī)房制冷，向大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)辦公樓及附近居民提供冬季供暖，既節(jié)省了運(yùn)營(yíng)成本，又減少了區(qū)域的總碳排放。該技術(shù)在在天津?yàn)I海新區(qū)已經(jīng)有應(yīng)用案例[2]。

數(shù)據(jù)中心利用余熱不僅降低了自身的用電門(mén)檻，還從區(qū)域能源利用的角度，有效減少了碳排放，為區(qū)域碳排放控制做出了貢獻(xiàn)，但PUE指標(biāo)無(wú)法體現(xiàn)區(qū)域碳排放貢獻(xiàn)。

2 大數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)評(píng)估黑箱理論分析

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)以及AI等技術(shù)的發(fā)展，在大數(shù)據(jù)中心新基建戰(zhàn)略實(shí)施推動(dòng)下，大數(shù)據(jù)中心服務(wù)由機(jī)柜、帶寬出租為主的運(yùn)營(yíng)模式逐步邁入云計(jì)算服務(wù)階段。適應(yīng)大數(shù)據(jù)中心服務(wù)模式變化和能耗評(píng)估全面性要求，運(yùn)用黑箱理論，輸入端為大數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能涉及的全部綜合能耗統(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)煤，輸出端為大數(shù)據(jù)中心通過(guò)內(nèi)部計(jì)算輸出的云計(jì)算服務(wù)流量。建立大數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)可相對(duì)全面反映數(shù)據(jù)中心的耗能情況。

圖1 黑箱理論模型

嚴(yán)格控制高耗能項(xiàng)目建設(shè)，持續(xù)大力推進(jìn)節(jié)能減排是我國(guó)的基本國(guó)策之一。大數(shù)據(jù)中心能耗總量巨大，該理論很好地解決了傳統(tǒng)的能耗總控與國(guó)家大力推進(jìn)數(shù)據(jù)中心新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的矛盾。

3 大數(shù)據(jù)中心能耗評(píng)估指標(biāo)建議

根據(jù)黑箱理論，可將大數(shù)據(jù)中心最終輸出的信息服務(wù)流量作為評(píng)估基數(shù)。這個(gè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能涉及到的水、電、氣以及油等全部納入能耗評(píng)估范圍，并統(tǒng)一折算成碳排放指標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)綜合考慮項(xiàng)目在區(qū)域能源綜合利用中的減排效益，建立大數(shù)據(jù)中心能耗評(píng)估指標(biāo)，作為現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心能源評(píng)估指標(biāo)的補(bǔ)充。

4 結(jié) 論

基于信息流量的能耗評(píng)估指標(biāo)，從大數(shù)據(jù)中心機(jī)房信息服務(wù)能力的角度評(píng)價(jià)大數(shù)據(jù)中心的能耗，可屏蔽掉不確定因素，全面反映大數(shù)據(jù)中心能耗情況，希望能對(duì)數(shù)據(jù)中心快速、綠色、健康的發(fā)展提供全面、可行的能耗評(píng)估指標(biāo)，并將其作為PUE指標(biāo)的補(bǔ)充，為國(guó)家大數(shù)據(jù)中心新基建戰(zhàn)略和節(jié)能減排戰(zhàn)略實(shí)施提供參考。