数据中心能耗结构、PUE、WUE

2022-01-23

目前，数据中心消耗了全球 1% 的电力消耗。2011年美国数据中心用电量达到1000亿千瓦时，占美国总用电量的2.5%，中国也达到2.4% . 资源和环境问题已成为数据中心发展的瓶颈。

✦ 数据中心能耗结构✦

数据中心通常由当地电网或专用发电设施供电。经过变电、配电等环节处理后，为数据中心的用电设备供电。目前，数据中心消耗了全球 1% 的电力消耗。2011年美国数据中心用电量达到1000亿千瓦时，占美国总用电量的2.5%，中国也达到2.4% . 资源和环境问题已成为数据中心发展的瓶颈。

数据中心的能源消耗由以下几部分组成。

（1）IT 设备。

(2）制冷系统设备。

(3）供配电系统设备。

（4）其他设备。

典型数据中心的能耗构成如图所示。其中，数据中心能耗占比最大的是IT设备，其次是制冷系统设备、供配电系统设备等数据中心设备耗电。

1. IT 设备

IT设备包括数据中心内的计算、存储、网络等不同类型的设备，用于承载数据中心内运行的应用系统，为用户提供信息处理、存储、通信等服务，支持监控管理和运维。

IT设备的具体类型如下。

（1）服务器类型：如机架式、刀片式（包括机箱）或塔式服务器。

（2）存储类：包括磁盘阵列、SAN交换机等存储设备，以及磁带库、虚拟磁带库等备份设备。

(3）网络类：包括交换机、路由器，以及防火墙、VPN、负载均衡等各种特殊网络设备。

（4）IT支持类：主要包括KVM运维、监控管理等辅助设备。

2. 制冷设备

数据中心制冷设备是为保证IT设备运行所需的温湿度环境而建立的配套设施，主要有以下几种。

（1）机房使用的空调设备，包括机房专用空调、行间精密空调、湿度控制设备等。

(2）提供冷源设备，包括风冷室外机、冷水机组、冷却塔、水泵、水处理等。

（3）如果使用新风系统，还包括送风机、回风机、风门等。

3. 配电系统

数据中心供配电系统用于提供满足设备使用的电压和电流，保证供电的安全可靠。供配电系统通常由变压器、配电柜、发电机、UPS、HVDC、蓄电池、柜式配电单元等设备组成。

4. 其他设施

数据中心其他耗电的基础设施，包括照明设备、安防设备、灭火、防水、传感器及相关数据中心楼宇管理系统等。

✦ 电力利用效率 (PUE)✦

数据中心的性能评价指标有很多。在已颁布的性能指标中，最常见的是电源使用效率（PUE）。在我国，PUE不仅是数据中心研究、设计、设备制造、建设、运维人员最为熟悉的数据中心能效指标数据中心能耗管理系统，也是政府评价数据中心工程绩效的主要指标。

除能效外，数据中心还有许多其他性能指标，这些指标统称为关键性能指标，或国际标准化组织 ISO 定义的关键性能指标。这些指标的研究对于数据中心也具有重要意义。

2007年，绿色电网（The Green Grid，TGG）制定了数据中心能效比指标PUE，即电力利用效率。其基本计算方法为：

PUE=数据中心总能耗/IT设备总能耗

PUE =总功率/IT功率

TGG的定义与给定的PUE相同：数据中心总能耗Et与IT设备总能耗Ei的比值。以及《数据中心资源利用第3部分：电能效率要求和测量方法》（GB/T 32910.3-2016）将PUE的概念扩展到EEUE：Total Power and in Data中心 设备功耗与功耗的比值，其定义与PUE的定义相同，不同的是国际通用的PUE（Power）改为EEUE（Usage），按照PUE的原始定义，Et应该是公用电表被测设备的总功率，即数据中心的设备总功耗，GB/T 3291规定的Et0. 3-2016应该是电表测得的数据中心总耗电量。说同样的话。

数据中心机房的PUE实际上反映了用户总输入功率中实际馈送给IT设备的功率有多少。PUE值越大，由UPS电源系统、空调系统、输入输出供配电系统、照明系统等组成的电力和环保基础设施所消耗的电力，用于保证设备安全运行。信息技术设备。消耗越大。

PUE指标还可以根据调查的范围和对象细化为不同的子指标。

（1）数据中心基础设施效率（Data，DCIE）：PUE指标的倒数，反映数据中心IT设备能耗占数据中心总能耗的比例。

（2）部分PUE（PUE，pPUE）：数据中心PUE概念的延伸，用于评估和分析数据中心局部区域或设备的能源效率。

(3）冷却负载系数(Load, CLF)：数据中心冷却设备的耗电量与IT设备耗电量的比值。

(4）Power Load，PLF)：供配电系统用电量与数据中心IT设备用电量的比值。

(5）Other Load, OLF)：系统或设备损耗（如监控、安全）与数据中心除IT负载、制冷设备、供配电外的IT设备功耗的比值设备。

(6）可再生能源利用率(Ratio, RER)：用于衡量数据中心对可再生能源的利用，以促进太阳能、风能、水能等可再生、无碳或最低碳排放. 能源利用。一般来说，可再生能源是指自然界可循环利用的能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。可再生能源对环境无害或极有害体积小，资源分布广，适合当地开发利用，与可再生能源相比，煤炭、石油、天然气等化石燃料和核能。

其中，PUE与DCIE与CLF、PLF与OLF的关系为：

PUE=1/DCIE=CLF+PLF+OLF+1

1. DCIE

DCIE指标可以通过以下公式计算。

2. pPUE

PUE指标作为一个整体概念，考察了整个数据中心机房的能源效率。当大型数据中心有多个机房或多个功能分区时，您希望检查特定机房或独立系统的能耗。当用户关心某个子系统的能耗时，PUE指标有一定的局限性，不能反映数据中心机房各个组件或子系统的能效。检查数据中心局部区域或子系统的能源效率。

局部用电效率（PUE，pPUE）作为数据中心PUE概念的延伸和推广，可应用于数据中心机房局部区域的分析和评估。具体来说，数据中心的总能耗需要分为几个小部分：制冷设备能耗（Load）、供配电设备能耗（）、IT设备能耗（IT Load）和能源其他设备的消耗（其他负载）。在使用pPUE指标评估数据中心能效时，首先根据需要，从数据中心划分出不同的Zone（也叫Zones，见图2-2））。多层数据中心大楼的机房，

一个典型的数据中心可以根据所涉及的子系统的能耗统计来计算，主要包括冷源系统、供配电系统和其他辅助系统的用电量；能耗统计也可以根据不同的功能区域进行计算，如图2-2中，Zone1和Zone2可以分别代表不同楼层的数据机房或同一楼层不同房间的数据机房。

根据图 2-2 中的区域划分，Zone1 和 Zone2 的本地 PUE 指标 pPUE1 和 pPUE2 计算如下。

在图2-2中，数据中心机房分为Zone1和Zone2两部分，分别计算这两个区域的本地PUE。因此，数据中心机房整体PUE与两个划分区域的关系为：

需要指出的是，对于图 2-2 中的数据中心机房，当 HVAC 系统采用分布式风冷直扩系统时，各个区域的制冷设备相互独立，每个区域的空调area 只负责该区域的制冷需求，此时计算起来比较简单。每个区域可以看成一个独立的机房，可以独立计算各个系统的能耗，从而得到机房的整体PUE。对于采用集中冷冻水精密空调系统的数据机房，由于各区域的空调冷源均由制冷站的制冷主机提供，甚至有些场合需要提供民用空调的制冷需求，在划分区域内进行局部PUE计算。制冷主机向各个区域提供的制冷量需要区分开来。

在测量运行中的数据中心的PUE时，可以通过测量各区域冷冻水供水管道上的流量和供回水管道上的温差来间接获得，也可以通过测量各区域的供回水流量来间接获得。该区域两端的空调。并将温差累加，然后根据制冷机提供的总制冷量，得出制冷主机提供的制冷量占制冷主机总制冷量的比例，并得出制冷主机等相关设备（如水泵）按此比例计算。、冷却塔、水处理设备等）局部PUE计算分区示意图如图2-3所示。

配电系统损耗为N0=200（电能转换）MW·h+100（UPS损耗）MW·h。

Zone1制冷系统损耗为200MW·h，其支持的IT设备耗电量为·h。

Zone2的冷却系统损耗为200MW·h，其支持的IT设备用电量为500MW·h。

本地 PUE 计算如下。

局部PUE用于反映数据中心部分设备或区域的能源效率，其值可能大于或小于整体PUE。要提升整个数据中心的能效，一般需要提升一些pPUE值较大的设备或区域的能效。部分 PUE 适用于建立在集装箱或其他模块化单元上的模块化数据中心，或适用于由多个建筑物和机房组成的大型数据中心的本地能效评估。

3. CLF/PLF

冷却/电源负载系数分别为 CLF ( , 冷却负载系数) 和 PLF (Power , 电源负载系数)。CLF定义为数据中心制冷设备耗电量与IT设备耗电量之比；PLF定义为数据中心供配电系统耗电量与IT设备耗电量之比。CLF和PLF可以看作是PUE的补充和深化。通过分别计算这两个指标，可以进一步深入分析制冷系统和供配电系统的能效。

4. RER

RER（Ratio，可再生能源效率）定义为可再生能源供应与数据中心总功耗的比率。

除上述四个指标外，数据中心还有其他能效指标可以参考，如绿色电网（The Green Grid, TGG) 组织，但考虑到我国的实际国情，这些标准在我国的应用尚需时日。

可再生能源对环境无害或极少，资源分布广泛，适合当地开发利用。可再生能源反对煤炭、石油、天然气等化石燃料和核能。

✦ 用水效率 (WUE) ✦

1. WUE 的基本定义

随着数据中心规模的扩大和建筑体量的增加，冷水系统解决方案得到越来越多的应用。其次是消耗大量水资源和循环水的净化处理。同时，如果采用蒸发冷却方案，对洁净水的要求也越来越高。从能源利用的综合来看，单纯依靠PUE指标很难全面准确地评估数据中心的能源消耗水平。WUE（水）指标。作为评价数据中心用水状况的指标，

WUE=数据中心年耗水量/数据中心IT设备年耗电量

目前，水的蒸发冷却可用于提高制冷和空调系统的效率，特别是在环境干燥的地区。但与此同时，PUE指数的下降也带来了用水量的增加。对于使用冷水方案的项目，PUE 和 WUE 之间存在一定的负相关关系。这也决定了在实际应用中需要权衡取舍，才能在两者之间找到一个合理的平衡点。相应地，现在很多大型数据中心项目都位于北方等气候寒冷干燥的地区，缺水也是需要考虑的重要问题。

过去，人们对数据中心资源消耗的关注往往集中在其功耗或油耗上。相信只要数据中心有良好的电力指标，就可以认定为绿色数据中心；但近几十年来，全球长期遭受系统性干旱，随着人口的增长、工业规模的扩大、用水需求的日益紧迫，全球缺水的现状不会改变。

因此，面对水资源日益稀缺的情况，业界逐渐将目光转向了数据中心的用水量；根据调查数据，数据中心平均规模约为1MW，年用水量为26,600-³。

数据中心用水的主要目的是散热，也就是以水为冷却介质，不断带走IT设备的热量。最常见的是冷冻水系统和冷冻水系统，其中冷水流过计算机房中的冷却单元；风扇吹过冷冻水冷却盘管，为 IT 设备提供冷空气；冷却。冷却水系统依靠冷却塔利用水的蒸发来散热，利用水流与空气接触进行冷热交换带走热量，达到蒸发散热的目的。降低水温。

使用传统水冷空调系统的数据中心在运行过程中的耗水量主要来自冷却塔（尤其是开放式冷却塔）的运行。通常，一个 1MW 的数据中心每小时通过冷却塔泵送约 230m³ 的冷凝水，其中 1% 到 2% 的水会被蒸发并被风吹走，形成细水雾。每年消耗大约 ³ 的水。

此外，冷凝水反复蒸发并释放到大气中，携带矿物质、灰尘和其他污染物。这种水必须定期处理。上述规模的数据中心每年通过排放或补充消耗大约 5,000 立方米的水。

一般来说，使用传统水冷方式的1MW数据中心年耗水量约为³。这些数据没有考虑数据中心加湿系统和空调末端的耗水量；水垢或杂质会积聚在设备上，尤其是换热器翅片或换热管上。在去除这些影响空调安全和效率的水垢时，常用的方法是用水冲洗干净，然后倒空。这个过程也消耗大量的水资源。

2. 数据中心耗水的主要来源

使用水冷空调系统的数据中心的主要用水来源可归纳如下。

1）冷却水蒸发 当冷却塔用于生产低温冷却水时，数据中心的热量主要通过冷却水的蒸发散发到大气中（使用干式冷却器的系统主要依靠空气与冷却水的对流交换）热量，但效率低，占地面积大，对气候条件要求更严格），水的蒸发损失是用水量的主要部分的数据中心。

2）冷却水排水 通常数据中心冷却水系统的工作水温为32°C/37°C，容易滋生细菌，适合藻类和污垢的生长以及粘附在管壁，需要通过冷却冷却 排水用于控制投药浓度，此过程也会产生耗水量。

3）IT机房用水加湿 冬季，尤其是中国北方，室外环境相对湿度较低。机房内的湿度受此影响。需要使用加湿系统来维持机房内的湿度要求，需要消耗加湿水。

4）软化水设备的冷冻水、加湿水等封闭水系统在运行过程中会因漏水和排水造成一定的损失。为保证安全运行和系统压力，需要及时补充软化水。该设备在市政供水处理完毕后加入系统。

5）设备维修水系统运行过程中冲洗、管道试压等所需的水量。

6）柴油机系统运行维护用水是柴油机机组尾气净化和冷却用水，这部分用水量占比很小。此外，随着季节的不同，各个数据中心的用水比例也会发生显着变化。

WUE指标在工业上并没有被广泛使用，也很少被引用，但是水已经成为数据中心非常重要的一个因素，水的利用效率肯定会进入未来的PUE测量工作中。