【HVAC】大数据中心研究(4)：关键性能指标、电能使用效率PUE和EEUE

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1、实用标准文档【HVAC数据中心研究（4）:关键性能指标、电能使用效率 PUE 和 EEUE0 引言世界能源委员会 1995 年对能源效率的定义为: 减少提供同等能源服务的能源投入。对于能耗居高不下的数 据中心，研究提高能源效率具有深远的社会效益和经济效益。 除了能源效率之外，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。在已经颁布的数据中心性能指标中最常见的是电能使 用效率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

2、评价数据中心工程性能的主要指标。除了 PUE之外，2007 年以后还出台了多项性能指标， 虽然知名度远不及 PUE， 但是在评定数据中心的性能方面也有一定的参考价值，值得 关注和研究。PUE在国际上一直是众说纷纭、莫衷一是的一一 项指标，2015年ASHRA公开宣布，ASHRA标准今后不再采 用PUE这一指标，并于 2016年下半年颁布了 ASHRAE 90.4 标准，提出了新的能源效率；绿色网格组织（ TGG也相继 推出了新的能源性能指标。对 PUE和数据中心性能指标的讨 论一直是国际数据中心界的热门议题。鉴于性能指标对于数 据中心的重要性、国内与国际在这方面存在的差距，以及在 采用PUE指

3、标过程中存在的问题，有必要对数据中心的各项 性能指标，尤其是对 PUE进行深入地研究和讨论。1 性 能指标 ISO 给出的关键性能指标的定义为：表示资源使用效 率值或是给定系统的效率。数据中心的性能指标从 2007 年 开始受到了世界各国的高度重视，相继推出了数十个性能指 标。 2015 年之后，数据中心性能指标出现了较大变化，一系 列新的性能指标相继被推出，再度引发了国际数据中心界对 数据中心的性能指标，尤其是对能源效率的关注，并展开了 广泛的讨论。 2 PUE2.1 PUE 和衍生效率的定义和计算 方法2.1.1 电能使用效率 PUETGG口 ASHRA给出的PUE的 定义相同：数据中心总

4、能耗 Et 与 IT 设备能耗之比。GB/T32910.3 2016给出的EEUE的定义为：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相同，不同的是把国际上通用的P U(E powerusage effectiveness )改成了 E E U E( electricenergy usage effectiveness)。国内 IT 界和暖通空调界不少专业人士对于这一变更提出了不 同的看法，根据 Malone等人最初对PUE的定义，Et应为市 电公用电表所测量的设备总功率，这里的 Et 就是通常所说 的数据中心总的设备耗电量，与GB/T32910.3 2016所规定的 E

5、t 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。笔者曾向 ASHRA有关权威人士咨询过，他们认 为如果要将“ power”用“ electricenergy ”来替代，则采 用“ electricenergy consumption ”（耗电量）更准确。显 然这一变更不利于国际交流。虽然这只是一个英文缩写词的 变更，但因为涉及到专业术语，值得商榷。 ISO 给出的 PUE 的定义略有不同：计算、测量和评估在同一时期数据中心总 能耗与 IT 设备能耗之比。 2.1.2 部分电能使用效率 pPUETGG 和ASHRA给出的pPUE的定义相同：某区间内数据中心总能 耗与该区间内IT设备

6、能耗之比。区间（zone）或范围（boundary ）可以是实体，如集装箱、房间、模块或建筑 物，也可以是逻辑上的边界，如设备，或对数据中心有意义 的边界。ISO给出的pPUE的定义有所不同：某子系统内数据 中心总能耗与 IT 设备总能耗之比。这里的“子系统”是指 数据中心中某一部分耗能的基础设施组件，而且其能源效率 是需要统计的，目前数据中心中典型的子系统是配电系统、 网络设备和供冷系统。 2.1.3 设计电能使用效率 dPUEASHRA之所以在其标准中去除了PUE指标，其中一个主要原因是ASHRA认为PUE不适合在数据中心设计阶段使用。 为此ISO给出了设计电能使用效率 dPUE其定义为：

7、由数据 中心设计目标确定的预期 PUE数据中心的能源效率可以根 据以下条件在设计阶段加以预测：1）用户增长情况和期望值；2）能耗增加或减少的时间表。dPUE表示由设计人员定 义的以最佳运行模式为基础的能耗目标，应考虑到由于数据 中心所处地理位置不同而导致的气象参数（室外干球温度和 湿度）的变化。 2.1.4 期间电能使用效率 iPUEISO 给出的 期间电能使用效率iPUE的定义为：在指定时间测得的 PUE 非全年值。 2.1.5 电能使用效率实测值 EEUE-RGB/T32910.3 2016给出的EEUE-R的定义为：根据数据中心各组成部分 电能消耗测量值直接得出的数据中心电能使用效率。使

8、用EEUE-R时应采用EEUE-Ra方式标明，其中a用以表明EEUE-R 的覆盖时间周期，可以是年、月、周。 2.1.6 电能使用效 率修正值 EEUE-XGB/T32910.3 2016给出的EEUE-X的定义 为：考虑采用的制冷技术、负荷使用率、数据中心等级、所 处地域气候环境不同产生的差异，而用于调整电能使用率实 测值以补偿其系统差异的数值。 2.1.7 采用不同能源的 PUE 计算方法数据中心通常采用的能源为电力，当采用其他能源 时，计算PUE时需要采用能源转换系数加以修正。不同能源 的转换系数修正是评估数据中心的一次能源使用量或燃料 消耗量的一种方法，其目的是确保数据中心购买的不同形

9、式 的能源 （如电、 天然气、 冷水） 可以进行公平地比较。 例如， 如果一个数据中心购买当地公用事业公司提供的冷水，而另 一个数据中心采用由电力生产的冷水，这就需要有一个系数 能使得所使用的能源在相同的单位下进行比较，这个系数被 称为能源转换系数，它是一个用来反映数据中心总的燃料消 耗的系数。当数据中心除采用市电外，还使用一部分其他能 源时，就需要对这种能源进行修正。 2.1.8 PUE 和 EEUE计算方法的比较如果仅从定义来看，PUE和EEUE勺计算方法十分简单，且完全相同。但是当考虑到计算条件的不同，需 要对电能使用效率进行修正时，2种效率的计算方法则有所 不同。1） PUE已考虑到使

10、用不同能源时的影响，并给出了修 正值和计算方法； GB/T329 1 0.3 20 1 6 未包括可再生能源利 用率，按照计划这一部分将在 GB/T3291 0.4 可再生能源利 用率中说明。2）PUE还有若干衍生能源效率指标可供参考， 其中ISO提出的dPUE弥补了传统PUE的不足；EEUE则有类 似于 iPUE 的指标 EEUE-Ra 3） EEUE分级（见表 1） 与 PUE 分级（见表2）不同。表1 EEUE分级要求表2 PUE分级4） EEUE同时考虑了安全等级、 所处气候环境、空调制冷形式和 IT设备负荷使用率的影响。ASHRA最初给出了 19个气候区 的PUE最大限值，由于 PU

11、E已从ASHRA标准中去除，所以 目前的PUE未考虑气候的影响；ISO在计算dPUE时，要求考 虑气候的影响，但是如何考虑未加说明；PUE也未考虑空调制冷形式和负荷使用率的影响，其中 IT 设备负荷率的影响 较大，应加以考虑。2.2 PUE 和EEUE的测量位置和测量 方法 2.2.1 PUE 的测量位置和测量方法根据 IT 设备测点 位置的不同，PUE被分成3个类别，即PUE1初级（提供能源 性能数据的基本评价）、PUE2中级（提供能源性能数据的中 级评价）、PUE3高级（提供能源性能数据的高级评价）。PUE1 初级：在UPS设备输出端测量IT负载，可以通过 UPS前面板、UPS输出的电能表

12、以及公共 UPS输出总线的单一电表（对 于多个UPS模块而言）读取。在数据中心供电、散热、调节 温度的电气和制冷设备的供电电网入口处测量进入数据中 心的总能量。基本监控要求每月至少采集一次电能数据，测 量过程中通常需要一些人工参与。PUE2中级：通常在数据中心配电单元前面板或配电单元变压器二次侧的电能表读取， 也可以进行单独的支路测量。从数据中心的电网入口处测量 总能量，按照中等标准的检测要求进行能耗测量，要求每天 至少采集一次电能数据。与初级相比，人工参与较少，以电 子形式采集数据为主，可以实时记录数据，预判未来的趋势 走向。PUE3高级：通过监控带电能表的机架配电单元（即机 架式电源插座）

13、或 IT 设备，测量数据中心每台 IT 设备的负 载（应该扣除非 IT 负载）。在数据中心供电的电网入口处测 量总能量，按照高标准的检测要求进行能耗测量，要求至少 每隔 15min 采集一次电能数据。在采集和记录数据时不应该 有人工参与，通过自动化系统实时采集数据，并支持数据的 广泛存储和趋势分析。所面临的挑战是以简单的方式采集数 据，满足各种要求，最终获取数据中心的各种能量数据。对 于初级和中级测量流程，建议在一天的相同时间段测量，数 据中心的负载尽量与上次测量时保持一致，进行每周对比时， 测量时间应保持不变 （例如每周周三） 。 2.2.2 EEUE 的测 量位置和测量方法 EEUE的测量

14、位置见图1。图 1 数据中心电能消耗测量点1） Et测量位置在变压器低压侧，即A点；2）当PDU无隔离变压器时，EIT测量位置在UPS俞出端，即B点；3）当PDU 带隔离变压器时，EIT测量位置在PDU俞出端，即C点；4） 大型数据中心宜对各主要系统的耗电量分别计量， 即 E1， E2， E3点；5）柴油发电机馈电回路的电能应计入Et，即A1点；6）当采用机柜风扇辅助降温时，EIT 测量位置应为 IT 负载供电回路，即D点；7）当EIT测量位置为UPS输出端供电 回路，且UPS负载还包括UPS供电制冷、泵时，制冷、泵的 能耗应从 EIT 中扣除， 即扣除 B1 和 B2 点测得的电量。 2.2

15、.3 PUE和 EEUE的测量位置和测量方法的差异1）PUE的Et测量位置在电网俞入端、变电站之前。而GB/T32910.32016 规定EEUE的Et测量位置在变压器低压侧。数据中心的建设有2种模式：数据中心建筑单独设置，变电站自用，大型和 超大型数据中心一般采用这种模式；数据中心置于建筑物 的某一部分，变电站共用，一般为小型或中型数据中心。由 于供电局的收费都包括了变压器的损失，所以为了准确计算 EEUE对于前一种模式，Et测量位置应该在变压器的高压侧。2）按照 2.2.2 节第 6条，在计算 EIT 时，应减去机柜风机 的能耗。应该指出的是，机柜风机不是辅助降温设备，起到 降温作用的是来

16、自空调设备的冷空气，降温的设备为空调换 热器，机柜风机只是起到辅助传俞冷风的作用，因此机柜风机不应作为辅助降温设备而计算其能耗。在 GB/T32910.3 征 求意见时就有人提出：机柜风机的能耗很难测量，所以在实 际工程中，计算 PUE时，EIT均不会减去机柜风机的能耗。 在美国，计算PUE时，机柜风机的能耗包括在EIT中。3）PUE的测点明显多于 GB/T32910.3 2016规定的EEUE的测点。 2.3 PUE 存在的问题 1 ）最近两年国内外对以往所宣传的 PUE水平进行了澄清。我国PUE的真实水平也缺乏权威调查结果。 GB/T32910.3 2016 根据国内实际状况，将一级节能 型数据中心的EEUE放宽到1.01.6，其上限已经超过了国 家有关部委提出的绿色数据中心PUE应低于1.5的要求，而二级比较节能型数据中心的EEUE规定为1.61.8，应该说这样的规定比较符合