降低数据中心PUE值的方法研究

许文民

摘 要：我国目前碳（年）排放量已达8.6×108 t。随着企业数据存储技术及通信技术的不断发展，笔者预测，即使通过提高相关电气设备的运行效率、改善机房结构来提升数据中心能效，到2020年全球IT相关碳排放量也会突破15.4×108 t的大关。在此背景下，有效降低数据中心PUE值成为本文研究论述的重点。

关键词：数据中心；能源消耗；PUE值；设备能耗

中图分类号：TP308 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.110

文章编号：2095-6835（2016）20-0110-02

相关研究资料表明，数据中心能源消耗在2006年占据美国总发电量的1.5%以上，且这一数据所占比例每年上增约30%.到了2011年，我国数据中心能源消耗总量已是2006年的一倍。GDS万国数据资料统计结果显示，我国数据中心每年消耗的电量已接近一个三峡大坝的年总发电量，而经过系统研究发现，目前总量最大的温室排放气体之一就是IT/电信相关设施的碳排放量。对此，本文主要围绕这一现状进行分析。

1 关于数据中心PUE值的理论概述

Power Usage Effectiveness简称“PUE”，又称电能使用效率。这一指标是衡量企业数据中心节能效益高低的重要参数。通常情况下，企业数据中心总能耗主要包括照明、配电、空调、IT设备、其他相关配套设备能耗等。对于企业数据中心PUE值而言，由于上述不同设备处于连续运行状态，因此能耗值会不断发生变化，特别是随着数据中心室内温度环境的变化，PUE值也会产生相应的变化。对此，本文研究的数据中心PUE参数值是一个经过加权的平均PUE参数值。

由于PUE值是数据中心消耗的全部能源与IT负载消耗的能源之间的比值，因此PUE参数值与企业数据中心内部基础设施的运行效率呈负相关，即数据中心设备运行过程中的能源消耗效率越高，PUE值越低；如果数据中心设备运行过程中的能源消耗效率越低，PUE值就越高。具体公式如下：

2 影响数据中心PUE值的因素分析

2.1 数据中心制冷设备能耗

除了IT能耗外，数据中心最大能耗就是制冷设备能耗。在企业数据中心，包括IT设备、空调加湿系统、照明系统、供电系统、配电系统等相关设备，其能耗几乎全部转化为热能。在上述相关设备运行过程中，为了保证企业数据中心IT设备的良好运行，需通过制冷设备产生等量的能量置换上述设备运行过程中产生的热能。除此之外，数据中心的热能需空调系统运行，进行能量置换。因此，数据中心制冷设备的总体能耗取决于室内相关设备的制冷效率和制冷运行方式。

2.2 数据中心供、配电系统能耗

一般而言，企业数据中心的供电与配电系统能耗由配电线路能耗、UPS能耗和变压设备能耗构成。比如，数据中心内部的变压设备在实际运行过程中，其中的交变磁力线经过铁芯会产生涡流损耗和磁滞损耗。当企业变压设备中的负载电流经过绕组时，线圈电阻内形成的负载损耗和漏磁损耗在金属外壳结构构件中就会形成杂散损耗，从而导致数据中心内部的总体能耗不断增加。

这些能耗的形成与变压设备的运行参数、变压设备的结构容量、相关物理运行参数、变压设备负载情况、电网谐波、设备运行环境温度等有关。而数据中心的UPS能耗的形成与线路结构形式、相关转化器件、负载率、散热风机、控制系统等有关。传统的UPS大多通过SCR作为功率转化设备进行逻辑电路控制。通过研究发现，当前企业数据中心大多将大功率、高频率和易于控制的隔离栅双晶体管IGBT当作功率转化设备进行数字智能控制，因此，提高了UPS负载率。而企业数据中心配电线路中的能耗一般与线路截面、输电线路导电性、输电线路中的总体运行负荷、谐波等有关。比如，谐波不仅会导致输电线路运行时的能耗不断增加，而且会使企业数据中心内部的变压设备、负载设备、相关输电线路受到严重影响。

2.3 数据中心辅助系统设备能耗

企业数据中心内部的中心照明设备、新风设备和支持区总能耗共同构成了辅助能耗。数据中心辅助设备主要包括测试系统、监控系统、打印系统、消防系统和维修控制系统等，这些系统在运行过程中会产生大量能耗，会对企业数据中心内部相关设备的PUE值产生影响。

3 降低数据中心PUE值的方法分析

本文在研究过程中，通过多因素分析法针对导致企业数据中心PUE值变化的相关影响因素进行了分析。从上述论述过程可以看出，导致数据中心PUE参数值过高的直接原因是数据中心空调系统的电能损耗量过大。因此，在研究时，本文试图将数据中心划分为两大区域，采用4台各10匹的精密空调与3台各16匹的精密空调进行制冷。通过“N+1”模式运行制冷，确保数据中心两个不同区域每日各有一台精密空调制冷运行。经过研究发现，采用上述措施处理后，数据中心PUE值有所降低，但数据中心出现局部过热和局部过冷现象；同时，精密空调制冷设备的运行故障也不断增加。

为了重点解决上述问题，有效降低企业数据中心PUE值，本文再次针对数据中心内部的相关耗能设备进行了全面、系统的分析，最终决定采取以下措施进行处理：①用现代虚拟技术代替数据中心室内相关耗能设备，理论上减少约40台物理服务器，从而将其转移到虚拟服务器中；②对数据中心机房中的能耗设备运行参数进行调整，保证设备散热均匀，同时科学调整刀片服务器与小型机片服务器等发热量较大的设备；③更换通风率较好的地板，使数据中心通风率在原来基础上提升约15%；④对数据中心通风地板位置进行科学调整，将其调整到机房内发热量较大的区域；⑤安装防火板，对数据中心内部的冷风送风通道进行科学引导，从而防止冷气流失；⑥将隔热膜黏贴于玻璃前，尽量避免其与数据中心外部环境进行热交换。

除此之外，还要对数据中心内部空调系统的相关运行参数进行科学调整，适当减小数据中心内部空调制冷系统中的冷负载。与此同时，对数据中心室内空调系统相关运行模式进行调整，采用2台空调系统间歇性运行，通过对数据中心进行分区，对其调控操作。

经过上述措施处理后，为了分析评估此次整改措施实施的有效性，于2015年对某企业数据中心内部的相关数据进行了记录，如表1所示。

总而言之，降低数据中心PUE值是企业数据中心节能的基础。由于企业数据中心节能运行管理是一个非常系统、复杂的工程。因此，需在具体实施过程中，通过技术及管理方式的不断优化，有效降低企业数据中心的PUE值。实践证明，上述降低数据中心内部PUE值的方法可行，可为企业节省大量的经济投入，从而保证企业能够创造出巨大的经济效益和社会效益。

4 结束语

综上所述，能效管理在企业数据中心内部PUE值控制过程中具有重要意义。通过科学管理，能够使企业数据中心内部的相关IT设备在最优环境与状态下进行科学运行，从而有效避免了资源浪费情况的出现。笔者认为，对于一般的中小数据中心而言，为了能够不断降低数据中心内部的PUE值，企业可放弃自建而采用IDC。由于IDC在运营与规划设计阶段综合考虑了企业的运行成本及节能效益，因此可通过完备的基础设施和科学的运行管理维护团队为IDC的高效运行奠定坚实基础。

参考文献

[1]邵正忠.基于PUE的通信机房能效评测方法研究[J].通信电源技术，2011，28（06）：30-33.

[2]娄洁良.数据中心PUE值剖析案例研究[J].通信电源技术，2012，29（05）：53-55.