基于PUE 的通信機(jī)房能效評測方法研究

張 威，黃立麗

（1.遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司沈陽市分公司，遼寧 沈陽 110000）

1 通信機(jī)房中PUE 的定義和計(jì)算公式

1.1 PUE 的定義

1.2 PUE 值計(jì)算公式

PUE 值的計(jì)算公式為

式中：PTotal為通信機(jī)房的總電能消耗；PIT為通信機(jī)房IT 設(shè)備電能消耗。通信機(jī)房總電能消耗為IT 設(shè)備的電能消耗、空調(diào)制冷系統(tǒng)的電能消耗、供配電系統(tǒng)的電能消耗以及輔助系統(tǒng)的電能消耗的總和[4]。

在通信機(jī)房PUE 值測量過程中，工作人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同設(shè)備分別設(shè)置測量點(diǎn)再進(jìn)行分?jǐn)傆?jì)算，如圖1 所示。通信機(jī)房的計(jì)量儀表一般無法拆卸，往往存在PUE 值檢測區(qū)域邊界不清的問題。工作人員應(yīng)當(dāng)注重工作區(qū)域與行政區(qū)域電能消耗的詳細(xì)劃分，注重輔助區(qū)域電能消耗測量值的融入，結(jié)合通信機(jī)房的實(shí)際情況和所在樓宇的用電情況，科學(xué)準(zhǔn)確地設(shè)置測量點(diǎn)，有效提高PUE 值的采集準(zhǔn)確性。

圖1 通信機(jī)房計(jì)算PUE 值的測量點(diǎn)

1.3 基于PUE 值的能效評價指標(biāo)

PUE 值是當(dāng)下評價通信機(jī)房能源效率最基本和最有效的指標(biāo)之一。PUE 值為1 代表著通信機(jī)房的能效為100%，即所有能耗都用于IT 設(shè)備的運(yùn)行消耗，而PUE 值越大證明通信機(jī)房用于其他基礎(chǔ)設(shè)施部分的能耗越多[5]。依據(jù)PUE值評測的通信機(jī)房效率評級，如表1 所示。

表1 依據(jù)PUE 值確定的通信機(jī)房效率評級

PUE 數(shù)值評價指標(biāo)衍生出了2 個新的指標(biāo)，即制冷負(fù)載系數(shù)（Cooling Load Factor，CLF）和供電負(fù)載系數(shù)（Power Load Factor，PLF）。CLF 包括通信機(jī)房中冷卻塔、冷卻器、機(jī)房空調(diào)以及關(guān)鍵泵等基礎(chǔ)設(shè)施消耗的功率與IT 設(shè)備電能消耗的比值。PLF 包括開關(guān)設(shè)備、不間斷電源、配電專職等電能消耗與IT設(shè)備電能消耗的比值。CLF 與PLF 是對PUE 數(shù)值的補(bǔ)充與深化，有助于通信機(jī)房電能消耗評價的進(jìn)一步細(xì)化提升。

2 基于PUE 的通信機(jī)房能源消耗分布

根據(jù)通信機(jī)房的能源消耗分布，PUE 值的計(jì)算公式可以改寫為

基于水利工程建設(shè)所處環(huán)境較為復(fù)雜，如果遇到軟土地基，就會增加施工難度系數(shù)，一旦地基處理不當(dāng)，還會給整體工程建設(shè)質(zhì)量構(gòu)成威脅?；诖耍疚氖紫群喴撌隽寺鋵?shí)軟土地基處理技術(shù)的實(shí)際意義及關(guān)鍵施工技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際工程案例，提出了切實(shí)可行的質(zhì)量控制策略，旨在為業(yè)內(nèi)人士提供有價值的參考意見。

一般情況下，IT 設(shè)備的電能消耗最高，普遍占據(jù)總電能消耗的50%左右，其次是制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)，而輔助系統(tǒng)的能耗占比基本處于5%以內(nèi)。

2.1 供配電系統(tǒng)的能耗

供配電系統(tǒng)的能耗一般由不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)、高壓配電設(shè)備、變壓器設(shè)備、配電柜、線纜傳輸、電池、并機(jī)柜以及機(jī)架PDU 等部分組成。一般情況下的通信機(jī)房多采取UPS 的供配電方式進(jìn)行供電。電網(wǎng)電壓通過UPS 整流器和逆變器供給負(fù)載，在配電過程中經(jīng)歷由交流電變?yōu)橹绷麟娫僮優(yōu)榻涣麟姷霓D(zhuǎn)化過程。在這一供電模式下，電能的每一次轉(zhuǎn)化都會產(chǎn)生一定的電能損耗。通信機(jī)房中的電纜損耗、內(nèi)部變壓設(shè)備損耗以及電能變化冗余損耗等環(huán)節(jié)是供配電系統(tǒng)電能消耗的主要因素[6]。為解決這一問題，可以采取市電直供技術(shù)或通信機(jī)房體量縮小轉(zhuǎn)化的方式提高能效。市電直供技術(shù)是在供配電系統(tǒng)中放棄UPS 系統(tǒng)，采取由市電直供的方式進(jìn)行通信機(jī)房的供配電，從而降低PUE 值測算中的總能耗。通信機(jī)房體量轉(zhuǎn)化是將大型通信機(jī)房轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒屯ㄐ艡C(jī)房，如騰訊T-BLOCK，從而減少變壓器設(shè)備、機(jī)房內(nèi)線纜傳輸設(shè)備的使用能耗，有效減少通信機(jī)房總能耗。

2.2 制冷系統(tǒng)的能耗

制冷系統(tǒng)是通信機(jī)房中電能消耗的重要版塊。在機(jī)器運(yùn)行和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，通信機(jī)房內(nèi)的IT設(shè)備和供電系統(tǒng)等設(shè)施會產(chǎn)生大量熱量，而熱量過高會導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)問題或設(shè)備機(jī)能損傷，因此通信機(jī)房內(nèi)需要大量的制冷系統(tǒng)，以保障通信機(jī)房內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行處于良好穩(wěn)定的環(huán)境。通信機(jī)房內(nèi)的制冷系統(tǒng)以空調(diào)設(shè)備、冷源設(shè)備以及新風(fēng)系統(tǒng)為主。

空調(diào)制冷設(shè)備主要包括機(jī)房專用空調(diào)、濕度調(diào)節(jié)設(shè)備等；冷源設(shè)備主要包括冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵、電動閥門、水處理設(shè)備等；新風(fēng)系統(tǒng)主要包括新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)等。

制冷系統(tǒng)是降低通信機(jī)房PUE 值的主要途徑。通信機(jī)房的節(jié)能措施基本圍繞降低制冷系統(tǒng)的能耗展開，可以采用自然冷卻技術(shù)或可再生能源制冷驅(qū)動技術(shù)等手段減少制冷系統(tǒng)能耗。自然冷卻技術(shù)指根據(jù)通信機(jī)房選址的氣候條件采取相應(yīng)技術(shù)，充分利用自然資源，如引入室外冷空氣配合制冷、機(jī)房選址建設(shè)于常年寒冷地區(qū)等方式輔助進(jìn)行制冷工作，有效減少機(jī)械制冷的比重，從而大幅降低制冷系統(tǒng)能耗?？稍偕茉粗评潋?qū)動技術(shù)指將太陽能、風(fēng)能等可再生能源應(yīng)用到制冷系統(tǒng)能源消耗，運(yùn)用可再生能源實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的驅(qū)動，從而有效減少電能在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高制冷系統(tǒng)能效。

2.3 輔助系統(tǒng)的能耗

通信機(jī)房中的能耗組成不僅包括工作設(shè)施的能耗，還包括其他輔助設(shè)施的電能消耗，主要包括照明設(shè)備、安保防護(hù)設(shè)備、消防滅火設(shè)備、通信機(jī)房傳感器設(shè)備、機(jī)房中心管理系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等部分的電能消耗。輔助系統(tǒng)是通信機(jī)房工作運(yùn)行過程中不可或缺的組成部分，是保障通信機(jī)房工作安全的重要支撐，一般情況下難以在輔助系統(tǒng)層面落實(shí)有效的節(jié)能措施，更加需要新興技術(shù)的應(yīng)用。例如，大部分通信機(jī)房采用發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）智能照明系統(tǒng)，顯著提高了照明系統(tǒng)的能源利用率。

3 通信機(jī)房中共享系統(tǒng)的測量與分?jǐn)?/h2>

通信機(jī)房共享系統(tǒng)局部能耗（pPUE）測算，應(yīng)當(dāng)立足于通信機(jī)房總能耗進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)分區(qū)不同可以表示為C1或C2（制冷設(shè)備能耗）、P1或P2（供配電設(shè)備能耗）等，進(jìn)行測量與分?jǐn)傆?jì)算。

3.1 供配電系統(tǒng)的測量與分?jǐn)?/h3>

供配電系統(tǒng)的電能損耗基于UPS 系統(tǒng)的影響，主要包括空載損耗和帶載損耗兩個組成部分。在進(jìn)行測量和分?jǐn)傆?jì)算時，工作人員應(yīng)當(dāng)基于通信機(jī)房的實(shí)際使用情況進(jìn)行區(qū)分計(jì)算。

空載損耗指UPS 中變壓器、邏輯板、通信卡、電容等設(shè)備運(yùn)行的損耗。只要UPS 系統(tǒng)處于開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，空載損耗就始終存在。UPS 空載損耗分?jǐn)傆?jì)算公式為

式中：PU空為UPS 系統(tǒng)的空載損耗；P設(shè)1和P設(shè)2為不同分區(qū)下設(shè)計(jì)的供配電系統(tǒng)滿載功率。

帶載損耗是指UPS 在運(yùn)行負(fù)載后所產(chǎn)生的損耗。帶載損耗與空載損耗呈現(xiàn)包含關(guān)系。所增加損耗部分主要指UPS 系統(tǒng)中半導(dǎo)體電力電子器件的通態(tài)與開關(guān)損耗，具體分?jǐn)傆?jì)算公式為

式中：PU帶和PU空為UPS 的帶載損耗和空載損耗；P實(shí)1和P實(shí)2為不同分區(qū)下供配電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行功率。

3.2 制冷系統(tǒng)的測量與分?jǐn)?/h3>

制冷系統(tǒng)能耗是通信機(jī)房主要的電能消耗部分。機(jī)房冷源系統(tǒng)分?jǐn)偰芎臑槔湓聪到y(tǒng)總能耗和單個機(jī)房冷量的乘積與整個冷源系統(tǒng)供冷量的比值。在分?jǐn)傆?jì)算過程中，應(yīng)當(dāng)基于Q=CmΔt熱能公式中水流量與供水溫差的乘積與冷量成正比的理論進(jìn)行分?jǐn)傆?jì)算，具體公式為

式中：PC分和PC總為冷源系統(tǒng)的分?jǐn)偰芎暮涂偰芎?；V分和V總實(shí)冷凍水的分水流量和總水流量；Δt分和Δt總為冷凍水的分供回水溫差和總供回水溫差。

在測算通信機(jī)房的制冷系統(tǒng)能耗時，應(yīng)當(dāng)首先利用智能電表測量冷源系統(tǒng)的總能耗，其次運(yùn)用溫度計(jì)和流量計(jì)測量總分區(qū)域的水流量和溫度數(shù)據(jù)，最后利用公式進(jìn)行PUE 值的數(shù)據(jù)測算。

3.3 輔助系統(tǒng)的測量與分?jǐn)?/h3>

輔助系統(tǒng)由于施工困難以及測算難度的制約，往往只能測量能耗總量，難以進(jìn)行局部的精準(zhǔn)分?jǐn)倻y算。但是，由于輔助系統(tǒng)的普適性和共享性，在進(jìn)行輔助系統(tǒng)局部PUE 值測算時，可以采用簡單的面積法進(jìn)行分?jǐn)傆?jì)算。例如，通信機(jī)房輔助系統(tǒng)中照明系統(tǒng)能耗的分?jǐn)傆?jì)算公式為

式中：PL分和PL總為照明系統(tǒng)的分?jǐn)偰芰肯暮涂偰芰肯?；S分和S總為分?jǐn)傉彰髅娣e和總照明面積。

4 基于PUE 的通信機(jī)房能效評測技術(shù)

4.1 通信機(jī)房PUE 值測量方法

綠色發(fā)展時代背景下，將PUE 值作為通信機(jī)房的標(biāo)準(zhǔn)能效指標(biāo)已經(jīng)成為當(dāng)下行業(yè)領(lǐng)域廣泛認(rèn)可的評價標(biāo)準(zhǔn)。在具體測量過程中如何開展通信機(jī)房PUE測量，如何處理測量過程中的應(yīng)用實(shí)踐問題，是一線從業(yè)人員需要探索和落實(shí)的工作要點(diǎn)。工作人員可以3 方面開展通信機(jī)房PUE 值的測量評測。第一，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的通信機(jī)房子系統(tǒng)分類，主要包括IT 負(fù)載、物理基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)載、不在通信機(jī)房電能消耗計(jì)算范圍內(nèi)的負(fù)載3 個版塊。其中，IT 負(fù)載主要包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、災(zāi)難恢復(fù)負(fù)載以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營中心內(nèi)的IT 設(shè)備；物理基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)載主要包括供配電系統(tǒng)設(shè)施、制冷系統(tǒng)設(shè)施；不在通信機(jī)房電能消耗計(jì)算范圍內(nèi)的負(fù)載主要包括預(yù)備能源系統(tǒng)、個人辦公區(qū)域負(fù)載等。第二，對于某通信機(jī)房能耗無法被直接測量的子系統(tǒng)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行子系統(tǒng)功率的估量，從而盡可能貼合子系統(tǒng)能耗真實(shí)數(shù)據(jù)，如冷水機(jī)組的共享能源損耗。第三，對于受制于技術(shù)水平制約無法進(jìn)行PUE 值測量的通信機(jī)房子系統(tǒng)，可以采取標(biāo)準(zhǔn)化方法估計(jì)子系統(tǒng)能耗，如配電單元的能源損耗等。

4.2 PUE 值的測量周期和頻率

通信機(jī)房的PUE 數(shù)值容易受到外界多樣化因素的影響和制約，如不同時段的氣候條件、機(jī)房使用頻次以及季節(jié)變化等。在進(jìn)行基于PUE 的通信機(jī)房能效評測時，應(yīng)當(dāng)注重評測數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性，采取固定測量儀表以及定期、長期的能耗測量手段進(jìn)行數(shù)據(jù)評測。只有高頻率、穩(wěn)定周期、多樣化環(huán)境條件的通信機(jī)房能效評測設(shè)計(jì)，才能真正獲取反映通信機(jī)房真實(shí)能效的PUE 數(shù)值。因此，建議通信機(jī)房能效評測采取以下測量周期和頻率。第一，基于不同季節(jié)劃分進(jìn)行年度測量，每年至少測量4 次通信機(jī)房PUE數(shù)據(jù)。具體頻率劃分為選取每個季節(jié)時段中的一個月進(jìn)行數(shù)值測量，保障PUE 數(shù)值囊括不同的氣候條件。第二，每個測量時段的持續(xù)時間應(yīng)當(dāng)不少于3 d。在PUE 數(shù)值測量當(dāng)月的5 號、15 號和25 號進(jìn)行分散測量。第三，每天PUE 數(shù)值測量應(yīng)當(dāng)不少于2 次，在當(dāng)天的通信機(jī)房高速運(yùn)行時段和空閑時段分別進(jìn)行PUE 能效數(shù)值評測。第四，每次測量時間不得少于60 min，保證PUE 數(shù)值測量的穩(wěn)定性，或選取3 次PUE 測量值的平均值數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。第五，明確記錄每次測量的步驟環(huán)節(jié)和測量時間，保障PUE 數(shù)值測量各環(huán)節(jié)以及各階段的同步性和有效性，注重測量周期和測量頻率的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，并將其明確呈現(xiàn)在評測報告中。

4.3 通信機(jī)房PUE 值評比方法

基于PUE 值的通信機(jī)房能效評比方法可以大概分為基準(zhǔn)值比較法和TOP 排名法2 種。

基準(zhǔn)值比較法指通過比較目標(biāo)通信機(jī)房與標(biāo)準(zhǔn)通信機(jī)房的PUE 值大小判斷通信機(jī)房能效水平，包括模型分析法、平均值法和最低值法3 種選取方式。模型分析法指基于通信機(jī)房的實(shí)際情況和當(dāng)?shù)仄毡闇y算結(jié)果進(jìn)行測算數(shù)據(jù)的假定分析；平均值法是將各項(xiàng)條件相似的同一類機(jī)房的數(shù)據(jù)取平均值，參考能效管理中等通信機(jī)房進(jìn)行基準(zhǔn)值的選??；最低值法指將目標(biāo)通信機(jī)房的PUE 值按照大小順序進(jìn)行排列，選取其中最小的PUE 值作為基準(zhǔn)值進(jìn)行評比分析。

TOP 排名法是以PUE 數(shù)值為排列依據(jù)，PUE 數(shù)值較低的機(jī)房能效評測效果好，PUE 數(shù)值較大的通信機(jī)房能效評測差。工作人員可以基于TOP 排名結(jié)果進(jìn)行綠色通信機(jī)房的稱號評比，通過具體獎項(xiàng)作為刺激點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房綠色高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié) 論

在綠色發(fā)展背景下，通信機(jī)房應(yīng)當(dāng)積極落實(shí)節(jié)能減排的基本要求，基于PUE 數(shù)據(jù)充分了解和掌握自身能效水平，從而有效促進(jìn)通信機(jī)房的高質(zhì)量發(fā)展。工作人員應(yīng)當(dāng)實(shí)施通信機(jī)房PUE 值評測，注重評測頻率和評測周期的科學(xué)有效性，利用基準(zhǔn)值或TOP排名法進(jìn)行能效評比，從而了解通信機(jī)房自身節(jié)能水平和能耗問題，助力通信機(jī)房的節(jié)能發(fā)展。