数据中心能耗指标PUE分析

2022-06-11

本文用通俗易懂的语言阐述了数据中心能耗评价指标PUE的基本概念和发展历程，分析了数据中心能耗的构成及其对PUE计算的影响，并阐述了影响PUE值的各种因素本文总结了行业内数据中心节能的主要方法并提出了相关建议。

一、PUE 基本概念

1.定义

用电效率（PUE）是绿色绿色电网（TGG）是评价数据中心能源利用效率的指标，广泛应用于国内外数据中心行业。根据TGG的定义，PUE的计算公式为：PUE=Pt/PIT，其中Pt为数据中心全年总用电量，单位为KWh； PIT是数据中心IT设备的年耗电量，单位也是KWh。数据中心IT设备的功耗包含在数据中心的总功耗中，所以PUE是一个大于1的值。PUE值越低，数据中心的能耗越低IT设备，越节能。目前国外先进数据中心的PUE值通常小于2。2015年，我国国家机关事务局、国家能源局在《关于印发国家绿色环保试点工作方案的通知》中指出我国大部分数据中心的PUE仍普遍大于2.2，与国际先进水平有较大差距。

在研究PUE的时候，有必要简单介绍一下两个重要的组织。一个是上面提到的Green Grid Group（TGG）。它是一个全球性的非营利组织，致力于开发影响深远且独立于平台的技术标准、测量方法、流程和新技术，以提高数据管理的能源效率。 TGG在2012年发布的第49号白皮书《PUE：指标综合测试》对之前TGG发表的有关PUE的文献进行了全面梳理和总结，重新给出了PUE的定义和计算方法。另一个组织是美国供暖、制冷和空调工程师协会 ( )。美国和全球数据中心最重要的技术信息来源。 2016年宣布PUE仅适用于评估数据中心在运营中的效率，不适合数据中心的设计，因为在设计过程中无法准确确定系统的PUE。

这里需要注意的是，即使各种指标都是基于PUE推导出来的，基于PUE测得的值是一段时间内的功耗，而不是瞬时功耗。用瞬时功耗比来计算PUE并不能反映数据中心的能耗水平。 TGG 也明确表示：在计算 PUE 时，最佳做法是自动实时监控，每 15 分钟或更短时间收集一次数据；在报告 PUE 值时，数据中心所有者应使用一年内的平均 PUE 值。因此，在给定PUE值时，必须指定测量周期或测量时间点。同时，TGG也明确指出，不能简单比较不同数据中心的PUE值。

2.采集点

TGG 为 PUE 计算提供了三种测量采集方法。数据中心的总耗电量Pt是电力公司对数据中心的输入。如果数据中心所在的建筑物是多用途的，则必须确定数据中心的总能耗，并减去办公区域的用电量。但是，必须包括数据中心技术支持的主控中心的功耗。 IT设备总耗电量PIT的采集点分为三类：第一级为基础级，采集点为UPS的输出；第二级为中级，采集点为机房配电柜输出；第三级为高级级，采集点为机柜内电源插座的输出，即IT设备的输入，详见表1。这三种计算方式的采集点对用电的耗电量或用电采集的粒度要求逐渐提高。目前我国大部分数据中心采用一级采集计算方式。所以得到的PUE值也低于2、3级。

3.片面性

目前，业界承认PUE是一个片面的指标，有局限性。最明显的一点是，当采用虚拟化等技术时，IT设备的数量和功耗将大大减少，从而达到降低电费的最实际目标。但是，当数据中心IT设备的功耗降低时，数据中心的总功耗并不会降低到同样的程度，而且两者之间的关系也不是简单的线性关系，从而导致PUE数据中心的价值反而增加。因此，业界十多年来一直在尝试研究其他更科学的指标。这些导出的性能指标主要包括：建议的HVAC负载系数（MLC）、功率损耗系数（ELC）； TGG提出了IT设备热一致性（ITTC）、IT设备容错（ITTR）、水利用效率（WUE）和碳利用效率（CUE）； ISO提出的可再生能源系数（REF）、服务器能效（ITEE）等。然而，大多数新提出的指标由于学术性或计算复杂性而难以被接受。因此，PUE仍然是衡量数据中心能耗的最重要指标。 2016年4月15日，国际标准化组织发布了ISO/IEC 30134-1标准，PUE被誉为数据中心的“关键性能指标”。

4.EEUE

在我国，由于对PUE指标的片面性和行业应用随机性的认识，我国在2016年数据中心资源利用第3部分：电能效率发布GB/T 32910-2016要求和测量方法。本国家标准参照 PUE 重新定义了 EEUE ( )。 EEUE的计算公式与PUE相同。国家标准统一规定了EEUE的测量计算方法，并明确提出了我国数据中心的能效要求。 5 级能耗。同时，该标准在充分考虑我国国情的基础上，根据数据中心的制冷技术、使用负荷率、安全等级和位置，制定了能效值调整模型。通过这种调整模型，可以实现不同数据中心的比较，从而形成全国数据中心能效的统一比较标准。 GB/T 32910-2016也明确指出，获取电力数据的标准方法是使用电能计量仪表的统计方法，而不是使用电能表获取抽样的方法。

表1 PUE能耗采集点

5. pPUE

PUE是衡量整个数据中心能源效率的指标。 TGG和PUE都以PUE的概念给出了pPUE的定义：一定区间内数据中心的总能耗与区间内IT设备的能耗之比。这里的区间或范围可以是一个实体，例如容器、房间、模块或建筑物；它也可以是逻辑边界，例如设备或数据中心的有意义的边界。 pPUE仅适用于数据中心区域的能耗研究。

二、数据中心能耗构成及分析

PUE 计算为数据中心总功耗与 IT 设备功耗之比。要降低数据中心的PUE值，首先要分析数据中心的能耗构成。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、照明等能耗。数据中心PUE计算能耗构成如图1所示。

图1 PUE计算能耗构成

PUE计算公式可改写为：

PUE=（PIT+P制冷+P供配电+P其他）/PIT

国内外很多公司和学者对数据中心的能耗比例做了大量的调查研究，虽然研究结果各部分的比例不尽相同，但是能源的构成和顺序消费基本一致。在PUE为2左右的传统数据中心的总能耗中，IT设备的能耗占比最高，约为50%；其次是冷却系统的能耗，约占35%；三是供配电系统能耗，约占10%，其中UPS设备能耗最大，变压器设备能耗次之；最后是照明等能源消耗，约占5%。这里的其他能源消耗主要包括：安防设备、消防设备、电梯、传感器和数据中心管理系统的能源消耗。即使 PUE 值相同，不同的数据中心也有不同的能耗比。以上数字仅供参考。图 2 显示了 PUE 为 2 的传统数据中心的典型能耗构成。

图2 传统数据中心能耗构成

根据数据中心能耗构成和PUE的计算公式，降低数据中心制冷系统的能耗对于降低PUE值最有效。因此，数据中心的节能措施主要集中在降低冷却系统的能耗上。传统数据中心采用的风冷散热方式是最耗电的运行方式。近十年来，新建数据中心基本采用水冷机房空调系统，能耗比风冷系统低。大幅度降低数据中心PUE的有效措施是采用自然冷却方式。要实现这种方法，一方面数据中心需要位于温度较低的寒冷地区；另一方面，可适当提高机房运行温度，最大限度利用室外空气进行自然冷却。

近年来，PUE被严重商业化，很多数据中心声称其PUE值低于1.2甚至1.1。但是，这些企业绝大多数都没有给出具体采取的节能措施、PUE的测量方法和计算方法等细节。业内也出现了人为操纵PUE值的现象。例如，有些人选择最佳测量时间，在室外非常寒冷、照明系统全部关闭时、用户几乎离线时进行测量，甚至在冗余冷却系统关闭时进行测量。实测 PUE 值当然会偏低，但与实际情况相去甚远。

除了这些不实宣传之外，要显着降低 PUE 值，还需要特殊的架构和技术。经分析，业内宣称实现极低PUE值的数据中心，一般具有以下部分或全部特点：数据中心，大大减少。

(2)采用市电直供技术。由于没有UPS设备，供配电系统可以淘汰占用电量比例最高的UPS设备的能耗，从而在PUE计算公式的分子部分降低数据中心的总能耗。

(3)本数据中心为低级数据数据中心部分或全部供配电系统、制冷系统设计无容错、无冗余。供配电设备和制冷设备大大减少，大大降低了供配电系统的能耗和数据中心的总能耗。制冷系统的能耗大大降低了PUE值。

(4)数据中心是小型数据中心，比如腾讯的T-block预制集装箱化数据中心。一方面，变压设备可以，另一方面，小型数据中心没有电梯、安防设备和通用控制中心，进一步大大降低了数据中心总能耗中的其他能耗。

(5)使用了太阳能、风能等可再生能源，在计算PUE时，在分子部分不将可再生能源的能耗计入数据中心的总能耗。在此方式，如果使用可再生能源来充分驱动数据 对于中心的制冷系统，在计算 PUE 时，分子部分比例最高的制冷系统消耗的能量为零。这种计算方法符合要求可再生能源能耗必须计入国外行业认可的数据中心总能耗。违规。

(6)数据中心采用浸没式液冷等新型冷却方式，没有使用传统的机械冷却方式。因此在计算PUE时，分子部分冷却系统的能耗趋于为零。

三、影响 PUE 的重要因素

业界公认的影响 PUE 的三个重要因素是天气条件、IT 设备负载率和数据中心安全级别。

1.气候条件

建立在不同气象区域的数据中心，由于室外温度对冷水机组能耗和可用的冷却技术（如自然冷却等）的影响，即使其他条件相同，其PUE也会与众不同。数据中心应设在全年平均温度较低的地方，可以采用自然冷却技术，最大程度地降低冷却系统的能耗。根据数据中心地理位置划分为17个气候区，为每个气候区的数据中心设置最大PUE值，最小值为1.3，最大值为1.61。不同的地理位置有明显的差异。 2013年，工信部等五部委在《关于数据中心建设布局的指导意见》中将我国数据中心的布局划分为四部分。对于相似区域，只能比较同一区域的PUE，比较不同气象区域数据中心的PUE是不合理的。

2.IT设备负载率

数据中心 PUE 值与 IT 设备负载率密切相关。 IT设备负载率是指数据中心IT设备实际负载与IT设备设计满载的比率。不间断电源 UPS 的效率在低负载时会急剧下降。 IT设备负载率低时，一方面UPS设备效率下降，导致UPS设备能耗增加，从而提高PUE值；另一方面，当 IT 设备未满负荷时，制冷能耗并没有成比例降低。也会导致制冷能耗增加，从而增加PUE值。数据中心建设运营模式分为三种：一是基础设施设备（供配电设备、制冷设备等）一次性建设，IT设备分阶段部署；第二种模式是基础设施设备和IT设备同时分阶段建设和部署；第三种模式是基础设施设备和IT设备同时建设部署。对于企业自行建设和运营维护的EDC（企业数据中心），一般采用第一种模式。因此，实际上数据中心的负载率长期远低于设计值。特别是 EDC 需要几年时间才能达到满负荷，而此时数据中心已经开始扩建和改造项目。对于租赁数据中心，由于用户难以一步到位，在数据中心开始运营后的初期，负载率也会较低，PUE值也会高于满负荷指数。因此，不同 IT 设备负载率的数据中心不能简单地比较 PUE 值。

3.数据中心安全级别

国标GB 50174-2017《数据中心设计规范》将数据中心分为A级，分为B、C三个等级。安全等级越高，配置的供电、配电和制冷设备越多，相应的能耗也更高，导致PUE值增加。因此，不能简单比较不同安全级别的数据中心的PUE。

基于以上原因，业界认识到不同数据中心的PUE值不宜直接比较，但条件相近的数据中心可以获得其他数据中心提供的测量方法、测试结果和数据特征。从差异中受益。

我国2016年发布的GB/T 32910-2016《数据中心资源利用第3部分：电能效率要求和测量方法》提出了EEUE指标，定义与PUE相同。同时，为便于比较不同数据中心的能耗指标，国标综合考虑数据中心安全等级、气候条件和IT设备负载率等因素，提出了调整模型。不同的数据中心在比较EEUE时需要使用EEUE修正值。 EEUE修正值计算公式如下：

EEUE修正值=EEUE实测值-EEUE调整值

EEUE调整值的计算模型如表2所示。

表2 EEUE调整值计算模型

国标调整模型的准确性需要在实践中检验。另外，由于EEUE调整模型的提出，影响PUE的因素和PUE的性质不能轻易比较，都被公之于众，国家标准并未得到广泛的宣传和行业采用。

四、数据中心节能的主要方法

从上面的分析可以看出，PUE只是一个数字，而对于数据中心管理者来说，更应该关注数据中心总能耗的降低，也就是电费成本的降低。因此，所有数据中心都在关注节能问题。在数据中心节能方面，谷歌走在行业前列。一方面，谷歌的数据中心正在大规模使用风能、太阳能等可再生能源，其目标是最终100%使用可再生能源。需要注意的是，使用可再生能源不会降低数据中心的PUE值，但可以减少数据中心的碳排放。另一方面，谷歌十多年来一直致力于提高数据中心的能源效率。在 的官方网站上，它总结了排名前五的最佳实践。

1.测量 PUE

只有实事求是地衡量PUE，才能及时了解和跟进数据中心的能源使用情况。

2.管理气流

良好的气流管理对于提高数据中心运营的能源效率至关重要。在这方面，可以使用诸如外壳冷/热通道外壳、安装外壳百叶窗以及使用计算流体动力学 (CFD) 进行热模拟等措施来优化气流。

3.提高室温

数据中心的温度没有必要保持在 23 度，事实上，所有设备制造商都允许冷通道在 27 度或更高的温度下运行。提高冷通道的工作温度既可以延长自然冷却时间，又可以节省更多能源。

4.使用自然冷却

使用自然冷却，您可以在不使用冷却器的情况下散发设备的热量。这包括利用低温环境空气、蒸发冷却技术应用等。

5.优化配电

通过最大限度地减少电源转换环节，可以最大限度地减少配电损耗。对于必须执行的转换步骤，请使用高效的变压器和配电装置。数据中心配电过程中最大的损耗之一来自不间断电源（UPS），因此选择一种高效的转换方式尤为重要。此外，还要减少传输线的损耗。

承认，在数据中心的能源管理方面，很难想出比上述五点更多的节能措施。但在 2016 年 7 月，谷歌宣布，经过两年多的数据收集和研究，他们将人工智能 (AI) 引入数据中心的能源管理，建立了 PUE 的神经网络模型，并提出了基于机器的 Learn how管理数据中心的能源消耗。谷歌称，该技术在实际应用中可将总冷却功耗降低约40%，从而将数据中心的总功耗降低约15%。以PUE值为1.6的数据中心为例，采用该技术后，PUE值将降低到1.45左右。谷歌认为，人工智能（AI）在数据中心能源管理中的应用是该领域的重大突破能耗管理的三种方法，该技术将成为未来行业的主流。

银行业也在学习谷歌的先进经验，研究人工智能在数据中心能源管理中的应用。但该技术需要大量的历史数据，在已投产的大型数据中心难以测试。目前，在中国还没有成功的案例。建议数据中心管理者注意基础设施运行数据的收集和存储，为未来的智能运维奠定基础。

虽然业界争论不休，但 PUE 仍然是衡量数据中心能耗的最重要指标。数据中心管理者不仅要认识到PUE指标的片面性，更要认识到不同数据中心的PUE不能简单比较。在数据中心的日常运行中，可以按照统一的标准进行PUE相关参数的采集和计算，与自己进行比较，找出PUE增加或减少的原因，采取各种措施节约活力。同时，选择低功耗的IT设备，整合和退出利用率低的IT设备，优化系统和应用架构，避免IT设备数量过快增长，都是降低IT能耗的方法。数据中心的设备。这些方法虽然不能降低PUE值，可能会增加PUE值，但可以降低数据中心日常运营的电费成本，从而带来更多实实在在的收益。返回搜狐，查看更多