✦ 数据中心能耗结构 ✦

数据中心一般由所在地电网或专用的发电设施提供电力供应，经过变、配电等环节处理后，为数据中心的用电设备提供电源。目前，数据中心耗电量占全球耗电总量的1%。2011年，美国数据中心的耗电量已达1000亿度，占全美总耗电量的2.5%，中国也达到了2.4%。资源环境问题已成为数据中心发展的瓶颈。

    数据中心的能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。

    典型数据中心能耗构成如图所示。其中，数据中心能耗比重最大的部分为IT设备，其次为制冷系统设备、供配电系统设备及其他消耗电能的数据中心设施。

1. IT设备

    IT设备包括数据中心的计算、存储、网络等不同类型的设备，用于承载在数据中心中运行的应用系统，并为用户提供信息处理和存储、通信等服务，同时支撑数据中心的监控管理和运行维护。

    IT设备的具体类型如下。

    （1）服务器类：如机架式、刀片式（含机框）或塔式等不同形式服务器。

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

    （3）网络类：包括交换机、路由器，以及防火墙、VPN、负载均衡等各类专用网络设备。

    （4）IT支撑类：主要包括用于运行维护的KVM、监控管理等附属设备。

2. 制冷设备

    数据中心制冷设备是为保证IT设备运行所需温、湿度环境而建立的配套设施，主要包括以下类型。

（1）机房内所使用的空调设备，包括机房专用空调、行间精密空调、湿度调节设备等。

（2）提供冷源的设备，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，还包括送风风扇、回风风扇、风阀等。

3. 供配电系统

    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，并保证供电的安全性和可靠性。供配电系统通常由变压器、配电柜、发电机、UPS、HVDC、电池、机柜配电单元等设备组成。

4. 其他设施

    数据中心其他消耗电能的基础设施，包括照明设备、安防设备、灭火、防水、传感器及相关数据中心建筑的管理系统等。

   数据中心性能评价指标有很多，在已经颁布的性能指标中最常见的是电能利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）。在我国，PUE不但是数据中心研究、设计、设备制造、建设和运维人员最为熟悉的数据中心能源效率指标，也是政府评价数据中心工程性能的主要指标。

    除了能源效率，数据中心还有多项其他性能指标，按照国际标准组织ISO的定义统称为关键性能指标，或者称为关键绩效指标，研究这些指标对于数据中心同样具有十分重要的意义。

    2007年，绿色网格组织（The Green Grid，TGG）制定了数据中心能效比指标PUE，即电源利用效率。其基本计算方法为:

PUE=数据中心总能耗/IT设备总能耗  

PUE =Total Facility Power/IT Equipment Power

    TGG和ASHRAE给出的PUE的定义相同：数据中心总能耗Et与IT设备总能耗Ei之比。而《数据中心　资源利用第3部分：电能能效要求和测量方法》（GB/T 32910.3—2016）将PUE的概念引申为EEUE：数据中心总电能消耗与信息设备电能消耗之间的比值。其定义与PUE定义相同，不同的是把国际上通用的PUE（Power UsageEffectiveness）改成了EEUE（Electric Energy Usage Effectiveness）。根据Malone等最初对PUE的定义，Et应为市电公用电表所测量的设备总功率，即通常所说的数据中心总的设备耗电量，与GB/T 32910.3—2016规定的Et应为采用电能计量仪表测量的数据中心总电能消耗的说法相同。

    数据中心机房的PUE实际上反映用户总输入电能中到底有多少电能真正被馈送到IT设备上。PUE值越大，表示用于确保IT设备安全运行所配套的，由UPS供电系统、空调系统、输入/输出供配电系统及照明系统等所组成的动力和环境保障基础设施所消耗的电功耗就越大。

    PUE指标还可以根据考察范围和对象细化为不同的分项指标。

（1）数据中心基础设施效率（Data Center Infrastructure Efficiency，DCIE）：PUE指标的倒数，反映数据中心IT设备能耗在数据中心总能耗中的占比。

（2）局部PUE（partial PUE，pPUE）：数据中心PUE概念的延伸，用于对数据中心的局部区域或设备的能效进行评估和分析。

（3）制冷负载系数（Cooling Load Factor，CLF）：数据中心中制冷设备耗电与IT设备耗电的比值。

（4）供配电负载系数（Power Load Factor，PLF）：数据中心中供配电系统耗电与IT设备耗电的比值。

（5）其他负载系数（Other Load Factor，OLF）：数据中心除IT负载、制冷设备及供配电设备之外的系统或设备损耗（如监控、安防）与IT设备耗电的比值。

（6）可再生能源利用率（Renewable Energy Ratio，RER）：用于衡量数据中心利用可再生能源的情况，以促进太阳能、风能、水能等可再生、无碳排放或极少碳排放的能源利用。在一般情况下，RER是指在自然界中可以循环再生的能源，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危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。与可再生能源相对的是煤、石油、天然气等化石燃料及核能。

   其中，PUE与DCIE及CLF、PLF和OLF之间的关系为:

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

1. DCIE

    DCIE指标可通过下式计算。 

2. pPUE

    PUE指标作为一个整体概念，考察的是整个数据中心机房的用能效率，当一个大型数据中心有多个机房或多个功能分区时，想要考察某个具体机房或某个独立系统的用能情况或用户关心某个分系统用能状况时，PUE指标就具有一定的局限性，不能反映数据中心机房各个组成部分或各分系统的用能效率，由此引入局部电能利用效率的概念，以考察数据中心局部区域或分系统的用能效率。

    局部电能利用效率（partial 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评价。具体需要将数据中心的总能耗划分为多个小部分：制冷设备能耗（Cooling Load）、供配电设备能耗（PowerLoad）、IT设备能耗（IT Load）和其他设备能耗（Other Load）。在采用pPUE指标进行数据中心能效评测时，首先根据需要从数据中心中划分出不同的分区（也称Zone，见图2-2）。一个多层数据中心建筑中的一个机房，或者一个集装箱数据中心的集装箱模块，都可以作为一个Zone。

    一个典型的数据中心可按涉及的分系统能耗统计计算，主要包括冷源系统和供配电系统及其他辅助系统耗电量；也可按不同功能区域进行能耗统计计算，如图2-2中Zone1和Zone2可分别代表不同楼层的数据机房或同一楼层不同房间数据机房。

    根据图2-2的区域划分，Zone1和Zone2的局部PUE指标pPUE1和pPUE2按下式计算。

图2-2中将数据中心机房划分为Zone1和Zone2两个部分，并分别对这两个区域进行局部PUE的计算，所以数据中心机房整体PUE与划分的这两个区域的关系为：

    需要指出的是，对图2-2中的数据中心机房来讲，当暖通空调系统采用分布式的风冷直膨系统时，各个区域的制冷设备相互独立，每个区域的空调只负责该区域的制冷需求，此时计算较为简单，可将每个区域看成一个独立的机房，分别独立计算其各个系统的能耗，从而计算机房整体PUE。对于采用了集中式冷冻水型精密空调系统的数据机房，由于各区域空调的冷源统一由制冷站制冷主机提供，甚至部分场合还需要为民用空调提供制冷需求，因此在划分区域进行局部PUE计算时，需将制冷主机提供至各区域的制冷量区分开来。

    在对运行中的数据中心进行PUE测算时，可通过测量输送至各区域冷冻水供水管路上的流量和供回水管路上的温差来间接得出，或者测量该区域各末端空调的供回水流量和温差累计得出，再根据冷机提供的总冷量得出由制冷主机提供的制冷量在制冷主机总冷量中所占的比例，并按此比例进行制冷主机及其他相关设备（如水泵、冷却塔、水处理设备等）的折算。局部PUE计算分区示意如图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，其所支撑的IT设备功耗为1500MW·h。

Zone2制冷系统损耗为200MW·h，其所支撑的IT设备功耗为500MW·h。

局部PUE计算如下。

    局部PUE用于反映数据中心的部分设备或区域的能效情况，其数值可能大于或小于整体PUE。要提高整个数据中心的能源效率，一般要提升pPUE值较大的部分设备或区域的能效。局部PUE适用于基于集装箱或其他模块化单元构建的模块化数据中心，或者由多个建筑和机房构成的较大型数据中心的局部能效评估。

3. CLF/PLF

    制冷/供电负载系数分别是CLF（Cooling LoadFactor，制冷负载系数）和PLF（Power LoadFactor，供电负载系数）。CLF定义为数据中心中制冷设备耗电与IT设备耗电的比值；PLF定义为数据中心中供配电系统耗电与IT设备耗电的比值。CLF和PLF可以看作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源效率。

4. RER

    RER（Renewable Energy Ratio，可再生能源利用率）定义为可再生能源供电量与数据中心总耗电量的比值。

    除了上述四大指标，数据中心还有其他可参考的能效指标，如绿色网格（The Green Grid，TGG）组织提出的碳利用效率（Carbon UsageEfficiency，CUE）和碳排放因子（CarbonEmission Factor，CEF）指标，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危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。与可再生能源相对的是煤、石油、天然气等化石燃料及核能。

1. WUE的基本定义

    随着数据中心规模扩大及建筑体量的增大，冷水系统方案得到越来越多的应用。随之而来的是大量水资源的消耗及循环水的净化处理问题。同时，若采用蒸发冷却方案，其对清洁水的要求也越来越高。从能源利用的综合角度来看，单纯地靠PUE指标难以全面准确地评估数据中心的能耗水平，为全面合理地评价绿色数据中心工程，TGG在2009年首次提出并引入针对水利用效率评价的WUE（Water UseageEffectiveness）指标。水利用效率作为评价数据中心用水状况的指标，定义为数据中心水资源的全年消耗量与数据中心IT设备全年耗电量的比值，单位为L/kW·h。

WUE=数据中心水资源的全年消耗量/数据中心IT设备全年耗电量

    目前，可采用水蒸发冷却的方法来促使制冷空调系统效率的提升，尤其在环境干燥的地区。但与此同时，PUE指标的降低也带来了水资源消耗的升高。对于采用冷水方案的工程，PUE与WUE存在一定的负相关性。这也决定了在实践应用中需要进行权衡，找到两者之间合理的平衡区间。与此对应的是，如今很多大型数据中心工程都选址在北方等气候寒冷、干燥的地区，水资源短缺也是需要考虑的重要问题。

    以往人们对数据中心资源消耗的关注点往往集中在其电力消耗或燃料消耗上，认为一个数据中心只要电力指标优良，就可以认定为其为绿色数据中心；但近几十年来，全球承受着旷日持久的系统性干旱，并且随着人口的增长，工业规模的扩大，水资源消耗变得越来越紧迫，全球水资源缺乏的现状不会改变。

    因此，面对水资源日趋匮乏的态势，业内也逐渐将目光转移到数据中心的水资源消耗上来；根据Uptime Institute的调查数据，数据中心平均规模大约为1MW，每年消耗的水量为26600～30400m³。

    数据中心使用水的主要目的是散热，即利用水作为载冷工质持续带走IT设备热量。最常见的为冷冻水系统和冷却水系统，在这些系统中，冷水流经计算机机房的制冷单元；风扇吹过冷冻水散热盘管，向IT设备提供冷空气；然后水流回冷却装置中被重新冷却。冷却水系统依靠冷却塔利用水的蒸发来散发热量，利用水与空气流动接触后进行冷热交换带走热量达到蒸发散热降低水温的目的。

    采用传统水冷空调系统的数据中心在运行过程中水资源的消耗主要来源于冷却塔（尤其是开式冷却塔）的运行。通常一个1MW的数据中心通过冷却塔每小时泵送约230m³的冷凝水，会有1%～2%的水被蒸发、作为细水雾被风吹走。每年大约会消耗25400m³的水。

    另外，冷凝水被重复蒸发并排放到大气中，会携带矿物质、灰尘及其他污染物。这些水必须被定期处理。上述规模的数据中心每年通过排放或补水大约会消耗5000m³的水。

  总体来讲，使用传统水冷方式的1MW数据中心，每年用水量大约为30000m³，这些数据并没有将数据中心加湿系统和空调末端泄水的消耗计算在内；另外，随着时间的推移，在水冷设备上，尤其是换热器翅片或换热管上会累积水垢或杂质，在去除这些影响空调运行安全和运行效率的污垢时，常用的方法是用水冲洗并排空，这一过程也消耗了大量的水资源。

2. 数据中心的主要耗水来源

    采用水冷空调系统的数据中心，其耗水主要来源可概括为以下几个方面。

    1）冷却水蒸发采用冷却塔制取低温冷却水时，数据中心的热量主要靠冷却水的蒸发散发到大气环境中（采用干式冷却器的系统主要依靠空气与冷却水的对流换热，但其效率低，占地面积较大，且对气候条件的要求较为苛刻），水蒸发损失为数据中心水资源消耗的主要部分。

    2）冷却水排水通常，数据中心冷却水系统的运行水温为32℃/37℃，该温度较容易滋生细菌，适宜藻类和污垢的生长及在管壁上的附着，并且需要通过冷却水排污来配合控制加药浓度，这一过程也会产生水的消耗。

    3）IT房间加湿用水冬季，尤其是我国北方地区，室外环境相对湿度较低，机房内湿度受此影响需通过加湿系统维持机房内的湿度要求，需要消耗加湿用水。

    4）软化水设备用水冷冻水及加湿水等闭式水系统在运行过程中由于泄漏、排水会造成一定的损失，为保证运行安全及系统压力，需要及时补充软化水，通过软化水设备对市政补水处理后补充到系统中。

    5）设备维护用水系统运行过程中，冲洗、管道压力测试等需要的用水。

    6）柴发系统运行及维护用水此部分为柴发机组排烟净化及机组冷却用水，这部分水资源消耗所占比例较小。此外，季节不同，数据中心各项用水比例会发生明显变化。

     WUE指标目前还没有被广泛用于工业中，并且很少被引用，但水已经成为数据中心十分显著的因素，未来水资源利用效率一定会进入PUE度量工作中。