數(shù)據(jù)中心PUE值剖析案例研究

婁潔良

（中國電信上海公司信息網(wǎng)絡(luò)部，上海200085）

0 引 言

綠色節(jié)能是數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢，為了衡量數(shù)據(jù)中心的能源有效利用率，2007年2月非贏利的第三方機(jī)構(gòu)綠色網(wǎng)格組織（GREEN GRID）提出了PUE（Power Usage Effectiveness）值的概念，并在業(yè)界予以推廣。

PUE值被定義為：PUE＝數(shù)據(jù)中心總功率／IT總功率。這是一個(gè)大于1的數(shù)值，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心總功率一方面包含了IT設(shè)備正常運(yùn)行消耗的功率，另一方面還包含了為支持IT設(shè)備的正常運(yùn)行，機(jī)房所配置的基礎(chǔ)設(shè)施消耗的功率。PUE越低，意味著數(shù)據(jù)中心的節(jié)能效果越好。

從這個(gè)定義看，PUE的提出基于下列思路：IT設(shè)備的節(jié)能問題由設(shè)備廠商來解決。作為數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營方，主要考慮機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施層面的節(jié)能問題，即在不改變IT設(shè)備情況下，提高電能使用效率。

盡管從PUE的定義看，功率是某一時(shí)間點(diǎn)的概念，即PUE值只是某一特定工況下的能效指標(biāo)，但業(yè)界普遍采用一段時(shí)間內(nèi)的總電量和IT設(shè)備的耗電量之比來計(jì)算PUE值，可以近似等同于動(dòng)態(tài)PUE值的算術(shù)平均，不失為一種務(wù)實(shí)可操作的方法。

1 對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE值的剖析案例

上海地區(qū)某大型高等級(jí)數(shù)據(jù)中心（IDC）投產(chǎn)于2009年，建成后客戶托管的服務(wù)器數(shù)量不斷增加，但通過檢測，其每月的平均PUE值一直徘徊在2．0以上，在同等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心中相對(duì)偏高。為查明原因，在3月份筆者每天對(duì)數(shù)據(jù)中心各用電設(shè)備進(jìn)行用電量測量，通過縮小用電量測量顆粒度，劃小核算單元方法對(duì)大樓的耗電量構(gòu)成進(jìn)行分析，從而得出了若干結(jié)論和啟示。

1．1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房及基礎(chǔ)設(shè)施狀況

（1）數(shù)據(jù)中心主樓共四層，地下一層為變電所、油機(jī)房及消防鋼瓶間，一層為UPS室，二層三層共四個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房，其中南北兩側(cè)各兩個(gè)，每個(gè)機(jī)房面積均在1100 m2左右。兩個(gè)北側(cè)機(jī)房為常規(guī)機(jī)架布局，機(jī)架按“面對(duì)面，背靠備”方式排列；兩個(gè)南側(cè)機(jī)房均為VIP包房布局，機(jī)架按大客戶要求安裝在各自包房內(nèi)，包房間相互隔離。

（2）對(duì)北側(cè)機(jī)房供電的為12臺(tái)400 kVA UPS，組成6個(gè)系統(tǒng)；對(duì)南側(cè)機(jī)房供電的為16臺(tái)300 kVA UPS，組成8個(gè)系統(tǒng)。

（3）四個(gè)機(jī)房內(nèi)用于制冷的均為分體式風(fēng)冷空調(diào)，每個(gè)北側(cè)機(jī)房設(shè)置16臺(tái)，每個(gè)南側(cè)機(jī)房設(shè)置22臺(tái)，每個(gè)機(jī)房均采用架空地板下送風(fēng)方式。

1．2 PUE值的測試與統(tǒng)計(jì)

通過一個(gè)月的測試，統(tǒng)計(jì)匯總得到用電數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對(duì)表1數(shù)據(jù)的分析，可以計(jì)算出數(shù)據(jù)中心3月份的平均PUE值為2．031，而大樓內(nèi)電能損耗的構(gòu)成及各耗能主體對(duì)大樓PUE值的貢獻(xiàn)，如表2所示。

表1 3月份大樓各用電設(shè)備耗電量統(tǒng)計(jì)表

表2 3月份大樓電能損耗構(gòu)成及耗能主體對(duì)PUE值貢獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)表1和表2數(shù)據(jù)的分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）除去IT設(shè)備用電，空調(diào)用電和UPS損耗在數(shù)據(jù)中心的電能構(gòu)成中占比居前，兩者之和占總能耗的44．88%，對(duì)PUE值的貢獻(xiàn)已達(dá)0．912，難怪該數(shù)據(jù)中心的PUE值一直高于2．0。

（2）忽略機(jī)房前級(jí)的變配電系統(tǒng)損耗，以南側(cè)及北側(cè)機(jī)房為單元分別計(jì)算機(jī)房級(jí)的PUE值，可以得到：北側(cè)機(jī)房的PUE值為1．726，其中空調(diào)對(duì)PUE值的貢獻(xiàn)為0．594；南側(cè)機(jī)房的PUE值為2．476，其中空調(diào)對(duì)PUE值的貢獻(xiàn)為1．2。所以，正是由于南側(cè)機(jī)房空調(diào)的高耗能，推高了南側(cè)機(jī)房的PUE值，也因?yàn)槟蟼?cè)機(jī)房的高PUE值，推高了整個(gè)數(shù)據(jù)中心的PUE值。

（3）3月份為北側(cè)機(jī)房供電的UPS設(shè)備平均工作效率為88．3%，為南側(cè)機(jī)房供電的UPS設(shè)備平均工作效率為78．3%，都低于甚至遠(yuǎn)低于眾多UPS設(shè)備廠家宣傳的90%以上的數(shù)值。

（4）3月份變壓器的平均工作效率為98．5%，應(yīng)在正常的波動(dòng)范圍之內(nèi)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)供電線路損耗、機(jī)房照明用電及公用區(qū)域用電也都在正常的波動(dòng)范圍之內(nèi)。

1．3 高PUE值形成的原因

為了進(jìn)一步查明推高數(shù)據(jù)中心PUE值的關(guān)鍵因素，筆者通過機(jī)房的實(shí)地調(diào)查，證實(shí)了南側(cè)機(jī)房空調(diào)能耗大及UPS效率低的原因。

（1）南側(cè)機(jī)房規(guī)劃時(shí)因VIP客戶有個(gè)性化的平面布局要求，采用包房方式，同時(shí)為了能回風(fēng)通暢，包房間以通透的隔柵分隔。但由于不同包房間機(jī)架排列疏密各異，從機(jī)房整體看，機(jī)架排列未能形成冷熱通道，往往一包房機(jī)架排出的熱量為相鄰包房機(jī)架吸入。從機(jī)架的種類看，既有數(shù)據(jù)中心運(yùn)營者提供的機(jī)架，也有客戶自帶的機(jī)架，不同的機(jī)架進(jìn)風(fēng)方式各異，前進(jìn)風(fēng)下進(jìn)風(fēng)并存。正是上述兩個(gè)原因造成了機(jī)房內(nèi)氣流組織紊亂，空調(diào)須將整個(gè)機(jī)房環(huán)境溫度降下來才能冷卻IT設(shè)備，從而大大增加了空調(diào)的能耗。另一方面，查驗(yàn)?zāi)蟼?cè)機(jī)房的幾十臺(tái)空調(diào)，也未實(shí)行組網(wǎng)群控的運(yùn)行功能。由于機(jī)房面積大，氣流組織復(fù)雜，必然會(huì)在空調(diào)間產(chǎn)生競爭運(yùn)行，增加冗余機(jī)組不必要的運(yùn)行時(shí)間。

（2）從UPS負(fù)載率來看，為北側(cè)機(jī)房供電的UPS設(shè)備負(fù)載率基本維持在單機(jī)容量的30%左右，而為南側(cè)機(jī)房供電的UPS設(shè)備負(fù)載率極低，8套UPS的負(fù)載率及對(duì)應(yīng)的工作效率如表3所示。

表3 為南側(cè)機(jī)房供電的UPS負(fù)載率及效率統(tǒng)計(jì)表

從測得的數(shù)據(jù)看，UPS工作效率與其負(fù)載率有很大的關(guān)聯(lián)度，特別是在輕載即負(fù)載低于10%時(shí)，工作效率明顯降低。

2 從案例中得到的啟示

從此次對(duì)數(shù)據(jù)中心PUE值剖析的案例中，得到以下啟示：

（1）上海地區(qū)大型的數(shù)據(jù)中心，當(dāng)采用集中設(shè)置的水冷冷水機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，正常情況下春季的PUE值一般都在1．70以下。而案例中的數(shù)據(jù)中心，由于采用了風(fēng)冷專用空調(diào)機(jī)組制冷，盡管北側(cè)機(jī)房采用了地板下送風(fēng)方式，機(jī)架間也形成了冷熱通道，氣流組織較為通暢，但PUE值仍達(dá)到了1．726，此值計(jì)算時(shí)還未將變配電的損耗及公用區(qū)域用電等計(jì)算在內(nèi)。由此也印證了在機(jī)房面積達(dá)到數(shù)千平方米以上規(guī)模時(shí)，采用集中冷源的冷水空調(diào)系統(tǒng)要比分體式風(fēng)冷空調(diào)節(jié)能。

（2）南北機(jī)房的PUE值相差懸殊，與機(jī)房內(nèi)空調(diào)的送回風(fēng)氣流組織是否合理有很大關(guān)系。對(duì)比兩機(jī)房的機(jī)架排列方式，可以看出，采用機(jī)架“面對(duì)面，背靠背”排列，有利于將冷熱氣流隔離，將冷量準(zhǔn)確地送至IT設(shè)備，從而提高制冷的有效性和空調(diào)的能效比。

（3）出于對(duì)安全供電的考慮，在高等級(jí)數(shù)據(jù)中心內(nèi)，UPS冗余度都比較大，另外數(shù)據(jù)中心IDC業(yè)務(wù)發(fā)展也總會(huì)經(jīng)歷負(fù)載逐步上升的過程，所以，UPS設(shè)備經(jīng)常會(huì)處于輕載運(yùn)行狀態(tài)。從現(xiàn)有的行業(yè)規(guī)范看，YD／T1095－2008《通信用不間斷電源要求》規(guī)定UPS設(shè)備滿載時(shí)效率要達(dá)到90%以上，半載時(shí)效率要達(dá)到88%以上，但未對(duì)輕載時(shí)的效率作出規(guī)定。考慮到數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)者在UPS設(shè)備采購時(shí)更要關(guān)注其輕載時(shí)的效率。在本案例中，僅UPS設(shè)備自身的損耗在一個(gè)月內(nèi)就達(dá)到了17萬度，同時(shí)為了對(duì)其降溫，還將花費(fèi)相近數(shù)量的電費(fèi)用于空調(diào)制冷。所以，提高UPS的效率對(duì)降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營費(fèi)用有很大的影響。

（4）該數(shù)據(jù)中心IDC機(jī)架的銷售部門在銷售包房資源時(shí)主要以包房面積及包房內(nèi)最大用電量進(jìn)行定價(jià)，但由于各種原因，未能準(zhǔn)確預(yù)測客戶進(jìn)駐時(shí)包房內(nèi)服務(wù)器用電達(dá)到最大值的時(shí)間，而建設(shè)部門在建設(shè)時(shí)為南側(cè)機(jī)房供電的UPS系統(tǒng)按機(jī)房的終期容量配置，結(jié)果造成在較長時(shí)間內(nèi)按滿容量配置的UPS處于輕載狀態(tài)。在此種情況下，有必要在規(guī)劃初期對(duì)UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)置，當(dāng)負(fù)載逐漸增大時(shí)，適時(shí)增加UPS供電系統(tǒng)模塊，即可滿足需求。另外，隨著模塊化UPS技術(shù)的成熟，在配置UPS設(shè)備時(shí)，可選用模塊化UPS，其中的功率模塊可隨負(fù)載的增減進(jìn)行配置或啟停。通過上述兩種方式，既可降低一次性的建設(shè)投資，又可提高UPS的工作效率，從而減少運(yùn)營費(fèi)用。

（5）在對(duì)機(jī)房進(jìn)行實(shí)地調(diào)查的同時(shí)，維護(hù)人員也在三月上旬開始對(duì)機(jī)房采取了一系列整改措施，主要是：根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)整南側(cè)機(jī)房空調(diào)開啟的臺(tái)數(shù)及位置；關(guān)閉空置的下進(jìn)風(fēng)機(jī)柜下部的擋風(fēng)板；在前進(jìn)風(fēng)機(jī)柜未安裝設(shè)備的空余處安裝擋風(fēng)板。從表4的測試數(shù)據(jù)看，上述措施有一定的效果。雖然由于南側(cè)機(jī)房總體條件未發(fā)生變化，PUE值下降不明顯，但足以證明，注重細(xì)節(jié)是推進(jìn)節(jié)能減排工作的要素之一。

表4 不同時(shí)期大樓PUE值統(tǒng)計(jì)表

（6）有必要為數(shù)據(jù)中心建設(shè)其配套的能耗監(jiān)測系統(tǒng)，以便隨時(shí)掌握數(shù)據(jù)中心內(nèi)的能耗分布。電量的采集顆粒度大小應(yīng)能滿足對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成的準(zhǔn)確分析，以指導(dǎo)數(shù)據(jù)中心節(jié)能措施的實(shí)施重點(diǎn)，并可評(píng)估節(jié)能技術(shù)的有效性和實(shí)用性?？紤]到供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)后就無法停電，也就無法在其帶電線路上或帶電設(shè)備上安裝計(jì)量電表及相應(yīng)的互感器，所以能耗監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)與數(shù)據(jù)中心同步建設(shè)同步投產(chǎn)，以盡早發(fā)揮其效能。

3 結(jié)束語

PUE值作為衡量數(shù)據(jù)中心能源有效利用率的指標(biāo)，有其現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)者和運(yùn)營者，有必要對(duì)其進(jìn)行深入的跟蹤和分析，研究其下降的原因或過高的因素，來指導(dǎo)采取數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施層面的節(jié)能措施，從而有效地提高能源利用率，降低運(yùn)營成本。