數據中心能耗結構

? 數據中心一般由所在地電網或專用的發電設施提供電力供應，經過變、配電等環節處理后，為數據中心的用電設備提供電源。目前，數據中心耗電量占全球耗電總量的1%。2011年，美國數據中心的耗電量已達1 000億度，占全美總耗電量的2.5%，中國也達到了2.4%。資源環境問題已成為數據中心發展的瓶頸。

? ? 數據中心的能耗由以下幾部分組成。

? ? （1）IT設備。

? ? （2）制冷系統設備。

? ? （3）供配電系統設備。

? ? （4）其他設備。

? ? 典型數據中心能耗構成如圖所示。其中，數據中心能耗比重最大的部分為IT設備，其次為制冷系統設備、供配電系統設備及其他消耗電能的數據中心設施。

IT設備

? ? IT設備包括數據中心的計算、存儲、網絡等不同類型的設備，用于承載在數據中心中運行的應用系統，并為用戶提供信息處理和存儲、通信等服務，同時支撐數據中心的監控管理和運行維護。

? ? IT設備的具體類型如下。

? ? （1）服務器類：如機架式、刀片式（含機框）或塔式等不同形式服務器。

? ? （2）存儲類：包括磁盤陣列、SAN交換機等存儲設備及磁帶庫、虛擬帶庫等備份設備。

? ? （3）網絡類：包括交換機、路由器，以及防火墻、VPN、負載均衡等各類專用網絡設備。

? ? （4）IT支撐類：主要包括用于運行維護的KVM、監控管理等附屬設備。

2. 制冷設備

? ? 數據中心制冷設備是為保證IT設備運行所需溫、濕度環境而建立的配套設施，主要包括以下類型。

（1）機房內所使用的空調設備，包括機房專用空調、行間精密空調、濕度調節設備等。

（2）提供冷源的設備，包括風冷室外機、冷水機組、冷卻塔、水泵、水處理等。

（3）如果使用新風系統，還包括送風風扇、回風風扇、風閥等。

3. 供配電系統

? ? 數據中心供配電系統用于提供滿足設備使用的電壓和電流，并保證供電的安全性和可靠性。供配電系統通常由變壓器、配電柜、發電機、UPS、HVDC、電池、機柜配電單元等設備組成。

4. 其他設施

? ? 數據中心其他消耗電能的基礎設施，包括照明設備、安防設備、滅火、防水、傳感器及相關數據中心建筑的管理系統等。

電能利用效率（PUE）

?? 數據中心性能評價指標有很多，在已經頒布的性能指標中最常見的是電能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）。在我國，PUE不但是數據中心研究、設計、設備制造、建設和運維人員最為熟悉的數據中心能源效率指標，也是政府評價數據中心工程性能的主要指標。

? ? 除了能源效率，數據中心還有多項其他性能指標，按照國際標準組織ISO的定義統稱為關鍵性能指標，或者稱為關鍵績效指標，研究這些指標對于數據中心同樣具有十分重要的意義。

? ? 2007年，綠色網格組織（The Green Grid，TGG）制定了數據中心能效比指標PUE，即電源利用效率。其基本計算方法為:

PUE=數據中心總能耗/IT設備總能耗??

PUE =Total Facility Power/IT Equipment Power

? ? TGG和ASHRAE給出的PUE的定義相同：數據中心總能耗Et與IT設備總能耗Ei之比。而《數據中心　資源利用第3部分：電能能效要求和測量方法》（GB/T 32910.3—2016）將PUE的概念引申為EEUE：數據中心總電能消耗與信息設備電能消耗之間的比值。其定義與PUE定義相同，不同的是把國際上通用的PUE（Power UsageEffectiveness）改成了EEUE（Electric Energy Usage Effectiveness）。根據Malone等最初對PUE的定義，Et應為市電公用電表所測量的設備總功率，即通常所說的數據中心總的設備耗電量，與GB/T 32910.3—2016規定的Et應為采用電能計量儀表測量的數據中心總電能消耗的說法相同。

? ? 數據中心機房的PUE實際上反映用戶總輸入電能中到底有多少電能真正被饋送到IT設備上。PUE值越大，表示用于確保IT設備安全運行所配套的，由UPS供電系統、空調系統、輸入/輸出供配電系統及照明系統等所組成的動力和環境保障基礎設施所消耗的電功耗就越大。

? ? PUE指標還可以根據考察范圍和對象細化為不同的分項指標。

（1）數據中心基礎設施效率（Data Center Infrastructure Efficiency，DCIE）：PUE指標的倒數，反映數據中心IT設備能耗在數據中心總能耗中的占比。

（2）局部PUE（partial PUE，pPUE）：數據中心PUE概念的延伸，用于對數據中心的局部區域或設備的能效進行評估和分析。

（3）制冷負載系數（Cooling Load Factor，CLF）：數據中心中制冷設備耗電與IT設備耗電的比值。

（4）供配電負載系數（Power Load Factor，PLF）：數據中心中供配電系統耗電與IT設備耗電的比值。

（5）其他負載系數（Other Load Factor，OLF）：數據中心除IT負載、制冷設備及供配電設備之外的系統或設備損耗（如監控、安防）與IT設備耗電的比值。

（6）可再生能源利用率（Renewable Energy Ratio，RER）：用于衡量數據中心利用可再生能源的情況，以促進太陽能、風能、水能等可再生、無碳排放或極少碳排放的能源利用。在一般情況下，RER是指在自然界中可以循環再生的能源，主要包括太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能和海洋能等。可再生能源對環境無害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發利用。與可再生能源相對的是煤、石油、天然氣等化石燃料及核能。

? ?其中，PUE與DCIE及CLF、PLF和OLF之間的關系為:

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

1. DCIE

? ? DCIE指標可通過下式計算。?

2. pPUE

? ? PUE指標作為一個整體概念，考察的是整個數據中心機房的用能效率，當一個大型數據中心有多個機房或多個功能分區時，想要考察某個具體機房或某個獨立系統的用能情況或用戶關心某個分系統用能狀況時，PUE指標就具有一定的局限性，不能反映數據中心機房各個組成部分或各分系統的用能效率，由此引入局部電能利用效率的概念，以考察數據中心局部區域或分系統的用能效率。

? ? 局部電能利用效率（partial PUE，pPUE）作為數據中心PUE概念的延伸和推廣，可應用于數據中心機房局部區域的分析評價。具體需要將數據中心的總能耗劃分為多個小部分：制冷設備能耗（Cooling Load）、供配電設備能耗（PowerLoad）、IT設備能耗（IT Load）和其他設備能耗（Other Load）。在采用pPUE指標進行數據中心能效評測時，首先根據需要從數據中心中劃分出不同的分區（也稱Zone，見圖2-2）。一個多層數據中心建筑中的一個機房，或者一個集裝箱數據中心的集裝箱模塊，都可以作為一個Zone。

? ? 一個典型的數據中心可按涉及的分系統能耗統計計算，主要包括冷源系統和供配電系統及其他輔助系統耗電量；也可按不同功能區域進行能耗統計計算，如圖2-2中Zone1和Zone2可分別代表不同樓層的數據機房或同一樓層不同房間數據機房。

? ? 根據圖2-2的區域劃分，Zone1和Zone2的局部PUE指標pPUE1和pPUE2按下式計算。

圖2-2中將數據中心機房劃分為Zone1和Zone2兩個部分，并分別對這兩個區域進行局部PUE的計算，所以數據中心機房整體PUE與劃分的這兩個區域的關系為：

? ? 需要指出的是，對圖2-2中的數據中心機房來講，當暖通空調系統采用分布式的風冷直膨系統時，各個區域的制冷設備相互獨立，每個區域的空調只負責該區域的制冷需求，此時計算較為簡單，可將每個區域看成一個獨立的機房，分別獨立計算其各個系統的能耗，從而計算機房整體PUE。對于采用了集中式冷凍水型精密空調系統的數據機房，由于各區域空調的冷源統一由制冷站制冷主機提供，甚至部分場合還需要為民用空調提供制冷需求，因此在劃分區域進行局部PUE計算時，需將制冷主機提供至各區域的制冷量區分開來。

? ? 在對運行中的數據中心進行PUE測算時，可通過測量輸送至各區域冷凍水供水管路上的流量和供回水管路上的溫差來間接得出，或者測量該區域各末端空調的供回水流量和溫差累計得出，再根據冷機提供的總冷量得出由制冷主機提供的制冷量在制冷主機總冷量中所占的比例，并按此比例進行制冷主機及其他相關設備（如水泵、冷卻塔、水處理設備等）的折算。局部PUE計算分區示意如圖2-3所示。

配電系統損耗為N0=200（電能轉換）MW·h+100（UPS損耗）MW·h。

Zone1制冷系統損耗為200MW·h，其所支撐的IT設備功耗為1 500MW·h。

Zone2制冷系統損耗為200MW·h，其所支撐的IT設備功耗為500MW·h。

局部PUE計算如下。

? ? 局部PUE用于反映數據中心的部分設備或區域的能效情況，其數值可能大于或小于整體PUE。要提高整個數據中心的能源效率，一般要提升pPUE值較大的部分設備或區域的能效。局部PUE適用于基于集裝箱或其他模塊化單元構建的模塊化數據中心，或者由多個建筑和機房構成的較大型數據中心的局部能效評估。

3. CLF/PLF

? ? 制冷/供電負載系數分別是CLF（Cooling LoadFactor，制冷負載系數）和PLF（Power LoadFactor，供電負載系數）。CLF定義為數據中心中制冷設備耗電與IT設備耗電的比值；PLF定義為數據中心中供配電系統耗電與IT設備耗電的比值。CLF和PLF可以看作PUE的補充和深化，通過分別計算這兩個指標，可以進一步深入分析制冷系統和供配電系統的能源效率。

4. RER

? ? RER（Renewable Energy Ratio，可再生能源利用率）定義為可再生能源供電量與數據中心總耗電量的比值。

? ? 除了上述四大指標，數據中心還有其他可參考的能效指標，如綠色網格（The Green Grid，TGG）組織提出的碳利用效率（Carbon UsageEfficiency，CUE）和碳排放因子（CarbonEmission Factor，CEF）指標，但考慮到我國的實際國情，這些標準在我國的應用尚需時日。

? ? 可再生能源對環境無害或危害極小，而且資源分布廣泛，適宜就地開發利用。與可再生能源相對的是煤、石油、天然氣等化石燃料及核能。

水利用效率（WUE）

1. WUE的基本定義

? ? 隨著數據中心規模擴大及建筑體量的增大，冷水系統方案得到越來越多的應用。隨之而來的是大量水資源的消耗及循環水的凈化處理問題。同時，若采用蒸發冷卻方案，其對清潔水的要求也越來越高。從能源利用的綜合角度來看，單純地靠PUE指標難以全面準確地評估數據中心的能耗水平，為全面合理地評價綠色數據中心工程，TGG在2009年首次提出并引入針對水利用效率評價的WUE（Water UseageEffectiveness）指標。水利用效率作為評價數據中心用水狀況的指標，定義為數據中心水資源的全年消耗量與數據中心IT設備全年耗電量的比值，單位為L/kW·h。

WUE=數據中心水資源的全年消耗量/數據中心IT設備全年耗電量

? ? 目前，可采用水蒸發冷卻的方法來促使制冷空調系統效率的提升，尤其在環境干燥的地區。但與此同時，PUE指標的降低也帶來了水資源消耗的升高。對于采用冷水方案的工程，PUE與WUE存在一定的負相關性。這也決定了在實踐應用中需要進行權衡，找到兩者之間合理的平衡區間。與此對應的是，如今很多大型數據中心工程都選址在北方等氣候寒冷、干燥的地區，水資源短缺也是需要考慮的重要問題。

? ? 以往人們對數據中心資源消耗的關注點往往集中在其電力消耗或燃料消耗上，認為一個數據中心只要電力指標優良，就可以認定為其為綠色數據中心；但近幾十年來，全球承受著曠日持久的系統性干旱，并且隨著人口的增長，工業規模的擴大，水資源消耗變得越來越緊迫，全球水資源缺乏的現狀不會改變。

? ? 因此，面對水資源日趨匱乏的態勢，業內也逐漸將目光轉移到數據中心的水資源消耗上來；根據Uptime Institute的調查數據，數據中心平均規模大約為1MW，每年消耗的水量為26 600～30 400m3。

? ? 數據中心使用水的主要目的是散熱，即利用水作為載冷工質持續帶走IT設備熱量。最常見的為冷凍水系統和冷卻水系統，在這些系統中，冷水流經計算機機房的制冷單元；風扇吹過冷凍水散熱盤管，向IT設備提供冷空氣；然后水流回冷卻裝置中被重新冷卻。冷卻水系統依靠冷卻塔利用水的蒸發來散發熱量，利用水與空氣流動接觸后進行冷熱交換帶走熱量達到蒸發散熱降低水溫的目的。

? ? 采用傳統水冷空調系統的數據中心在運行過程中水資源的消耗主要來源于冷卻塔（尤其是開式冷卻塔）的運行。通常一個1MW的數據中心通過冷卻塔每小時泵送約230m3的冷凝水，會有1%～2%的水被蒸發、作為細水霧被風吹走。每年大約會消耗25 400m3的水。

? ? 另外，冷凝水被重復蒸發并排放到大氣中，會攜帶礦物質、灰塵及其他污染物。這些水必須被定期處理。上述規模的數據中心每年通過排放或補水大約會消耗5000m3的水。

? ? 總體來講，使用傳統水冷方式的1MW數據中心，每年用水量大約為30 000m3，這些數據并沒有將數據中心加濕系統和空調末端泄水的消耗計算在內；另外，隨著時間的推移，在水冷設備上，尤其是換熱器翅片或換熱管上會累積水垢或雜質，在去除這些影響空調運行安全和運行效率的污垢時，常用的方法是用水沖洗并排空，這一過程也消耗了大量的水資源。

2. 數據中心的主要耗水來源

? ? 采用水冷空調系統的數據中心，其耗水主要來源可概括為以下幾個方面。

? ? 1）冷卻水蒸發采用冷卻塔制取低溫冷卻水時，數據中心的熱量主要靠冷卻水的蒸發散發到大氣環境中（采用干式冷卻器的系統主要依靠空氣與冷卻水的對流換熱，但其效率低，占地面積較大，且對氣候條件的要求較為苛刻），水蒸發損失為數據中心水資源消耗的主要部分。

? ? 2）冷卻水排水通常，數據中心冷卻水系統的運行水溫為32℃/37℃，該溫度較容易滋生細菌，適宜藻類和污垢的生長及在管壁上的附著，并且需要通過冷卻水排污來配合控制加藥濃度，這一過程也會產生水的消耗。

? ? 3）IT房間加濕用水冬季，尤其是我國北方地區，室外環境相對濕度較低，機房內濕度受此影響需通過加濕系統維持機房內的濕度要求，需要消耗加濕用水。

? ? 4）軟化水設備用水冷凍水及加濕水等閉式水系統在運行過程中由于泄漏、排水會造成一定的損失，為保證運行安全及系統壓力，需要及時補充軟化水，通過軟化水設備對市政補水處理后補充到系統中。

? ? 5）設備維護用水系統運行過程中，沖洗、管道壓力測試等需要的用水。

? ? 6）柴發系統運行及維護用水此部分為柴發機組排煙凈化及機組冷卻用水，這部分水資源消耗所占比例較小。此外，季節不同，數據中心各項用水比例會發生明顯變化。

? ? WUE指標目前還沒有被廣泛用于工業中，并且很少被引用，但水已經成為數據中心十分顯著的因素，未來水資源利用效率一定會進入PUE度量工作中。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的数据中心能耗结构、PUE、WUE的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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