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什么是数据机房的能效指标(PUE)?

时间:2020-04-03 08:53:43  

PUE

  Power Usage Effectiveness的简写,是评价数据中心能源效率的指标,是数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源的比值。 PUE = 数据中心总能耗/IT设备能耗,其中数据中心总能耗包括IT设备能耗和制冷、配电等系统的能耗,其值大于1,越接近1表明非IT设备耗能越少,即能效水平越好。

中文名     电源使用效率
外文名     PUE
全称      Power Usage Effectiveness
注音      评价数据中心能源效率的指标
公式      PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗

作用

   随着电子信息系统机房IT设备高密度的集成化,解决设备散热及机房散热量日渐趋高的现象开始受到了各界强烈关注。而根据研究显示,IT/电信相关的碳排放已经成为最大的温室气体排放源之一,由此一年产生的碳排放为8.6亿吨,且该领域的排放势头还在随着全球对计算、数据存储和通信技术需求的增长快速上升。即使人们大力提高设备、机房结构等装置和数据中心的能效,到2020年,全球IT相关碳排放也将达到15.4亿吨。所以越来越多的人开始关注绿色机房的建设。 PUE(PowerUsageEffectiveness,电源使用效率)值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。
   PUE 值是指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比。PUE值越接近于1,表示一个数据中心的绿色化程度越高。当前,国外先进的数据中心机房PUE值通常小于2,而我国的大多数数据中心的PUE值在2-3之间。所以国内机房内芯片级主设备1W的功耗会导致总体耗电量达到2-3W,而国外机房内芯片级主设备1W的功耗只会导致总体耗电量为2W以下。

   机房建设前期的设计和规划就把节能、环保考虑到,并在设计和规划的过程中达到机房的使用要求的前提下,把机房的PUE值作为机房的设计和规划要求。用户对PUE值的要求,机房设计满足并说明从几方面可以把机房的设计达到用户的要求。 根据统计数据显示,数据中心的冷却占机房总功耗的40%左右。机房中的冷却主要是由机房空调负责,所以降低机房空调的耗电量可以有效的降低机房的PUE值。
   由于现代电子信息系统机房中的空调负荷主要来自于计算机主机设备、外部辅助设备的发热量,其中服务器、存储、网络等主设备占到设备散热量的80%。所以随着服务器集成密度的持续增高,服务器机柜设备区就成为了机房内主要的热岛区域。服务器设备热密度越来越大。机房下送风空调系统是将抗静电活动地板下空间作为空调系统的送风静压箱,空调机组由通风地板向机柜、设备等热负荷送风。可是当冷风从高密度机柜前面的地板出风口送出的冷风至机柜中部时,冷风已经被服务器全部吸收,所以若机柜上半部分没有足够的冷量,就会导致机柜上半部分的设备无法正常运行。 近年来机房服务器类负荷的最高散热量已攀升至每机柜20KW以上,原有地板下送风机房精密空调系统理想送风状况下的机房单位面积最大供冷量为4KW/㎡(更大供冷量所配置的空调机组送风量也相应增大,其送风风压足以把地板给吹起来),已无法满足其需求。
   上述的问题解决:机房在设计中采用静电地板高度的提升,地板出风口的通风率的提高,封闭机柜冷通道,以及用风道上送风和地板下送风结合制冷等方式进行解决。机房空调的冷量不浪费,有效地利用可以很大地提高空调的利用率。在实现机房制冷的前提下,空调运行也可以节能。通过空调系统一系列的优化,可以降低整个机房的PUE值。 然而,空调本身的耗电量是最主要的。所以解决空调自身的耗电量是降低空调能耗成本的关键。机房中采用传统的风冷制冷方式是最耗电的运行方式。在大的IDC中基本上都采用水冷式的机房空调系统,比风冷系统节能20%左右。 但是,我们也可以通过新的空调技术实现比水冷空调再节能30%以上的空调系统(非电空调)。 非电空调俗称溴化锂空调、吸收式制冷机、燃气空调等,其工作原理是通过采用天然气、城市煤气、发电废热、工业废热、工业废水、太阳能、沼气等任何能产生80℃以上的热能为动力、以溴化锂为冷媒进行热交换,从而降低空调循环水温度,达到制冷目的;但“非电”只是空调本身的制冷不直接用电来运作,而支持空调运作的后方机组,比如风机、水泵、冷却塔都是需要耗电的。 但相对于直接用电来制冷和制热,非电空调对电力的消耗非常小。所以这种非电技术的意思是,我们无法杜绝用电,但是可以做到大幅度节约用电。
   非电空调制冷原理:就是利用溴化锂溶液实现的,即水和溴化锂的二介介质,由于沸点不同而且具有吸水性的原理,当加热溴化锂溶液时,水被蒸发,蒸发的水流入蒸发器内蒸发吸热,然后蒸汽被冷凝,再次与溴化锂混合成为溶液。这些过程中,它被热源加热,然后通过蒸发将需要冷却的一端冷却了,同时冷凝的热量通过室外的冷却塔冷却或送到室内制热等。这样就实现了用热制冷。
   所谓非电技术,就是采用直接由热能来制冷的原理。传统意义上的电空调,要完成制冷效果,必须由热能到机械能、由机械能到电能、再由电能回到机械能,最后才能到冷能,这其中5次能量转换过程都将排出一定数量的二氧化碳。因此,从理论上来说非电空调不仅节约了能源,还有效地减少了空调制冷过程中4倍的碳排放。 机房建设中空调系统通过最新的技术,我们可以把空调的能耗占整个机房总能耗的比值控制在15%左右。这样整个机房的PUE值就可以控制在2以下。
   数据中心的UPS电源占机房总功耗的5%左右。而UPS自身的功率占UPS的7%左右。而且机房建设的等级越高需要UPS的数量就越多。比如:一个国标C级的机房配置一台400KVAUPS就可以满足要求,若这个机房中的负载没有变化,只是等级从C级变成A级,则UPS就会从一台400KVA变成四台400KVA的UPS。所以解决UPS的自身功耗也是非常重要的。如果机房供电的电源质量非常好,UPS的工作方式就可以采用后备式的方式。正常工作市电通过UPS的旁路直接给负载进行供电,UPS处于备份状态。市电停电以后,直接转换成UPS电池供电模式。通过这样的方式可以节约所有UPS的自身功耗的电量。
   最后,PUE无论怎样变化,都是大于1的乘数因子。要做到最佳节能,降低服务器等IT设备的功耗,才是最有效的方法。比如1W的IT设备需要总功耗电量为1.6W。当降低服务器设备功耗为0.8的时候,数据中心总功耗立即降为0.8×1.6=1.28。IT设备降低了0.2,而总耗电量降低了 0.32。这就是乘数因子效应。

得出方法

  1. 在设施的电表中测量电能的使用。如果数据中心是在混合使用的设施或办公楼里,只需要测量仪表中供给数据中心的电量。如果数据中心没有一个单独的电表,就须估计非数据中心所消耗的电量,然后从方程式中减掉这一部分。
  2. 在电源转换、交换和调节完成之后,测量IT设备的负荷。据绿色网格所述,最有用的测量点是在计算机房配电单元(PDU)的输出端。这种测量表示的是传送到数据中心服务器机架的总电量。根据正常运行时间协会(Uptime Institute),典型数据中心的电源使用效率平均为2.5。就是电表中每2.5瓦的电能,只有1瓦的电能用于IT负荷。正常运行时间协会估计大多数设施如果使用最有效的设备和采取最佳做法,其电源使用效率可达到1.6。

PUE的缺陷

   PUE是评估和跟踪数据中心电源利用率的一种手段,通过这个指标可以帮助我们了解设施改进的效果,但我们很快陷入了PUE极限运动大赛,可以说,很多厂商宣称的PUE数值是不可信的,因为没有一家厂商能提供如何获取这些数值或如何测量的详细信息,因此PUE已经成了一个被操纵的数字。 几乎每个人都知道,PUE的定义非常简单,它等于输送给数据中心的功率除以IT设备真实使用的功率的值。
   PUE=输送给数据中心的总功率/IT负载功率
   PUE如果等于1.0是最佳状态,这意味着所有输入功率全部被IT设备使用,也就没有制冷,没有照明,甚至没有布线,因为它们总是会消耗掉一部分电力的,从技术上来说这是不可能的,大多数传统数据中心的PUE值介于2.5至3.5之间,但新建造的数据中心和集装箱结构数据中心的PUE通常号称低于1.1,如果真是这样那就非常完美了。
   那么是什么使PUE的数值变得如此低呢?很简单,减少分子或增加分母可以使PUE变得更小,PUE的值越小越好,因此近来出现了人为操纵的迹象,例如,有人选择了最佳的测量时机,选择户外很冷,照明系统全部关闭,用户几乎不在线时测量,甚至关闭冗余制冷系统才进行测量,这种时候测得的PUE值当然会很低,但它的确已经远远偏离了事实。 从前面给出的等式可以得知,数据中心输入总功率越小,PUE可能越好,不知道是怎么测量IT负载功率的,如果是读取的UPS输出功率,那么还得加上PDU(配电装置)的传输损耗,布线损耗,机柜风扇用电等,这样才能让等式中的分母变大,使PUE变得更小,如果数据中心的供电是建筑物内其它功能设施共享,如办公室,会议室,餐厅和大堂,或共享空调系统制冷机房或冷却塔,如果不能独立测量,那需要精确估算数据中心输入功率,这对计算PUE是至关重要的。

 
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