数据中心局部电能利用效率测算方法与实证研究

陈 策 于 贤

(中国移动通信集团河北有限公司,石家庄)

0 引言

当前,数据中心蓬勃发展,建设数量和规模逐年扩大。截至2020年,我国在用数据中心机架总规模达到400万架,与此同时,数据中心能耗问题也日益凸显。根据相关测试研究,一般建筑的能耗基本为100 W/m2[1],而数据中心的能耗是商业建筑的10倍左右,某些大型数据中心能耗可高达3 000 W/m2[2]。因此,如何降低数据中心能耗成了当前关注的焦点问题[3]。

节能降耗的前提是先对数据中心的能耗进行评估[4]。对于数据中心的能效测评,电能利用效率(power usage effectiveness,PUE)是当前普遍用于衡量数据中心能效水平的基本指标[5]。PUE主要反映了整个数据中心的用能效率,但不能反映数据中心不同分区的电能利用效率,由此引入局部电能利用效率(partial PUE,pPUE)的概念,但对于pPUE的计算方法还相对模糊,尤其是不同能耗的分摊问题仍存在值得探讨的地方。

基于此,本文将PUE的能耗构成引申到pPUE的测算,通过建立分区内IT设备、空调末端、电源损耗、冷源系统和其他系统用电量的分摊模型,形成数据中心pPUE的测算方法,最后选取数据中心典型机房进行pPUE测算和实证研究,进一步验证其可实践性和可操作性。

1 pPUE能耗构成

根据PUE的计算方法,数据中心的能耗主要由4个部分组成：IT设备能耗、空调制冷系统能耗、供电系统能耗及照明等其他能耗[6-7]。

pPUE作为PUE概念的延伸和推广,用于单个或部分机房、区域的能效评价。在pPUE计算过程中,数据中心的某个模块机房或某个模块机房内的某几列机柜均可作为1个pPUE计量分区。分区内能耗若可以独立计量,则分别统计各部分能耗;若无法独立计量,则需进行能耗合理分摊。

依据相关分析,分区内能耗构成包括分区内IT设备能耗M1、分区内空调末端分摊能耗M2、分区内冷源系统分摊能耗M3、分区内供配电系统分摊能耗M4、分区内其他系统分摊能耗M5。则pPUE计算公式如下：

(1)

式中p为局部电能利用效率(pPUE)。

2 pPUE测算方法

2.1 分区内IT设备能耗M1

M1计算公式如下：

(2)

式中n为IT设备数量;PITi为数据中心分区内单个IT设备能耗,kW。

2.2 分区内空调末端分摊能耗M2

对于常规数据中心,每个机房配备1个电力电池室为IT设备供电,机房和电力电池室分别有独立的空调区,一般每个空调区能耗可以单独计量。在计算分区内空调末端能耗时,可根据分区内IT设备能耗占比进行分摊。

因为电源损耗也是分区内能耗的一部分,所以既需要对机房空调区能耗进行分摊,又需要对电力电池室空调区能耗进行分摊。一般情况下,数据中心单个机房的边界比较清晰,较容易获取各项计算参数,如计算某机房部分机柜分摊能耗,则以该部分机柜IT设备能耗与所属机房的IT设备能耗比值作为分摊系数,其他情况可以此逻辑作为参照进行核算,计算公式如下：

(3)

式中PAC为机房空调区能耗与电力电池室空调区能耗之和,kW·h;PIT为分区所属机房IT设备能耗,kW·h。

2.3 分区内冷源系统分摊能耗M3

对于采用水冷空调系统的数据中心,根据分区内供冷量与冷源制冷量的比值进行冷源系统能耗分摊[8],其中分区内供冷量依据冷水支管路流量及温差进行计算[9]。在工程实践中,主管路流量、温度等参数较容易获取,但支管路因流量计和温度计配置数量及位置限制,一定程度上获取计算参数的难度较大。

结合现场实际,一般机房冷负荷可以根据IT功率等参数进行计算。冷源系统制冷量可以根据热量公式进行计算。冷源系统冷水机组、冷水循环泵、冷却水泵和冷却塔能耗可以直接获取。

因此,参照制冷能效比的定义,引入单位制冷量能耗的概念,即在核算时间范围内冷源系统设备消耗的电能与单位时间内制冷量之比。则分区内冷源系统分摊能耗为分区内冷负荷与冷源系统单位制冷量能耗的乘积,计算公式如下：

M3=QZ(KWC+KH+KP+KT)

(4)

式中QZ为分区内冷负荷,kW;KWC为冷水机组单位制冷量能耗,kW·h/kW;KH为冷水循环泵单位制冷量能耗,kW·h/kW;KP为冷却水泵单位制冷量能耗,kW·h/kW;KT为冷却塔单位制冷量能耗,kW·h/kW。

对于分区内冷负荷QZ,根据分区内IT设备能耗占比,对机房及其对应的电力电池室冷负荷之和进行分摊,计算公式如下：

(5)

式中Qj为分区所属机房的冷负荷,kW;Qd为分区所属电力电池室的冷负荷,kW。

Qj主要包括IT设备散热量、机房外墙等围护结构传热量、外窗太阳辐射及照明冷负荷。其中IT设备散热量数值基本等同于IT设备负载功率;机房外墙等围护结构传热量、外窗太阳辐射及照明冷负荷,原则上需通过负荷软件进行计算,但因其占比较小,从操作便捷角度考虑可按机房面积进行估算,结合设计经验,一般取100 W/m2。根据该项目所在地区和实际运行情况,本文暂取100 W/m2。

Qd主要包括电源设备散热量,机房外墙等围护结构传热量,外窗太阳辐射,人员、照明及电池发热量等冷负荷。不间断电源(UPS)、高压直流(HVDC)、开关电源等电源设备冷负荷为电源设备散热量;机房外墙等围护结构传热量、外窗太阳辐射、人员及照明冷负荷同上,本文暂取100 W/m2;电池发热量原则上按不同电池组合的发热系数进行计算,但因其占比较小,从操作便捷角度考虑并结合设计经验,暂取50 W/m2。

对于单位制冷量能耗,根据冷水机组的热能守恒定律公式,冷却水系统的散热量等于冷水系统的制冷量与压缩机做功的散热量之和。因此,冷水系统制冷量和冷却水系统散热量是不相等的,应分别进行计算。

依据热量公式,冷水系统制冷量计算公式如下：

(6)

式中QC为冷水系统制冷量,kW;cp为水的比定压热容,kJ/(kg·℃);ρ为水的密度,kg/m3;q为水流量,m3/h;ΔtC为冷水温差,℃。

依据热量公式,冷却水系统散热量计算公式如下：

(7)

式中QW为冷却水系统散热量,kW;ΔtW为冷却水温差,℃。

冷水机组、冷水循环泵、冷却水泵、冷却塔单位制冷量能耗计算公式见式(8)～(11)。

(8)

(9)

(10)

(11)

式(8)～(11)中PWC为冷水机组能耗,kW·h;PH为冷水循环泵能耗,kW·h;PP为冷却水泵能耗,kW·h;PT为冷却塔能耗,kW·h。

2.4 分区内供配电系统分摊能耗M4

供配电系统设备类型较多,理论上的电能损耗计算过程烦琐,可操作性较低。同时,大型数据中心供配电设备基本均为冗余配置,包括3N(N为数据中心满负荷运行时的设备数量)、2N、N+1等不同结构。在计算分区内电源电能损耗时,可根据分区内IT设备能耗占比对电力电池室内供配电设备损耗之和进行分摊。

(12)

式中Pe为电力电池室供配电设备电能损耗,kW·h。

从工程实际出发,采用直接读取供配电设备输入、输出电能的方式,输入电能和输出电能的差值即为供配电设备电能损耗,计算公式如下：

Pe=Pin-Pout

(13)

式中Pin为设备输入电能,kW·h;Pout为设备输出电能,kW·h。

对于UPS、HVDC、开关电源等供电设备,输入电能可从出线柜读取,输出电能从列头柜读取;对于变压器,输入电能从高压出线柜读取,输出电能从变压器出线柜读取。

2.5 分区内其他消耗电能装置和设备的分摊能耗M5

数据中心中其他消耗电能的基础设施包括照明、安防、消防等装置和设备,该部分能耗占比较小,根据分区内IT设备能耗占比分摊即可,计算公式如下：

(14)

式中Pq为分区所属机房其他耗电设施能耗,kW·h。

3 pPUE实证研究

国内某大型数据中心规划机架8 000架,建设2栋机房楼,均采用集中式水冷空调系统,每栋机房楼配备3台单台制冷量为8 790 kW的冷水机组。选取A机房楼302机房和B机房楼302机房进行pPUE实证研究,数据截取时间为2022年7月15日00：00—24：00,机房现状见表1。

从表1可知,2个机房负荷接近,机房楼冷源形式、机房面积相同,分别计算2个机房的pPUE,验证pPUE计算方法的可行性,进一步分析2种类型空调的能耗特性。

1) 分区内IT设备能耗M1。

因该实例分区选取1个机房,根据式(2),M1=PIT,即分区IT设备能耗等于分区所属机房IT设备能耗,则M1A为14 384.4 kW·h,M1B为13 794.0 kW·h(下标A、B分别表示A302、B302机房,下文同)。

表1 机房现状

2) 分区内空调末端分摊能耗M2。

根据式(3),分区内空调末端分摊能耗为机房及其对应的电力电池室空调区能耗之和。

A302机房配备256台重力热管型背板空调,目前开启232台,机房环境温度为22 ℃左右,从低压配电柜读取M2A为667.44 kW·h。

B302机房配备7台冷水型机房专用空调,六用一备。机房采用封闭冷通道、吊顶上送风形式,机房温度为22 ℃左右,从低压配电柜读取M2B为1 560.00 kW·h。

3) 分区内冷源系统分摊能耗M3。

机房冷负荷Qj为机房IT功率与其他冷负荷估算值之和。对于A302机房,根据上述分析,机房IT功率为599.35 kW,其他冷负荷暂时按照机房面积进行估算,为52.40 kW,计算得到QjA为651.75 kW;B302机房同上,机房IT功率为574.75 kW,其他冷负荷为52.40 kW,计算得到QjB为627.15 kW。

所属电力电池室冷负荷Qd为电源设备散热量、电池发热量估算值与其他冷负荷估算值之和。根据式(12)测得一定时间内电源设备电能损耗M4A为717.41 kW·h,M4B为1 157.20 kW·h,计算得到单位时间内A电力电池室电源设备散热量为30.0 kW,B电力电池室电源设备散热量为48.0 kW。电池发热量估算值与其他冷负荷暂时按照面积进行估算,均为49.5 kW,最终算得QdA为79.5 kW,QdB为97.5 kW。

根据式(5),计算得到分区内冷负荷QZA为731.25 kW,QZB为724.65 kW。

读取制冷设备对应的配电柜运行能耗数据,结果见表2。

表2 制冷设备能耗 kW·h

获取系统制冷设备运行参数,依据式(6)、(7)计算冷水系统制冷量和冷却水系统散热量,结果见表3。

表3 制冷设备运行参数

依据式(8)～(11)计算冷水机组、冷水循环泵、冷却水泵、冷却塔的单位制冷量能耗,结果见表4。

表4 制冷设备单位制冷量能耗 kW·h/kW

依据式(4)计算得到M3A为2 881.68 kW·h,M3B为3 035.32 kW·h。

4) 分区内供配电系统分摊能耗M4。

依据式(13)测得时间周期内A302电源设备电能损耗为717.41 kW·h,B302电源设备电能损耗为1 157.20 kW·h。依据式(12)计算得到M4A为717.41 kW·h,M4B为1 157.20 kW·h。

A302机房配备6台UPS,3N冗余架构,UPS负载率均高于20%,处于该型号UPS经济运行区间,因此电源损耗相对较小。B302机房配备8台HVDC,2N冗余架构,每台HVDC负载率为20%左右,未处于该型号HVDC经济运行区间,因为负载率较低,电源损耗相对较大。

5) 分区内其他消耗电能装置和设备的分摊能耗M5。

其他消耗电能装置主要为照明设备,直接获取分区内照明设备能耗,则M5A为122.13 kW·h,M5B为129.23 kW·h。

根据上述计算数据,由式(1)最终求得A302和B302机房的pPUE值(见表5)。

经对比发现,A302机房pPUE明显低于B302机房,主要原因在于A302机房M2、M4能耗明显低于B302机房。

表5 pPUE值、pPUE因子及能耗占比

相关研究通过对比不同类型空调能耗数据,得出重力热管型背板空调相对于冷水型机房专用空调,理论上可节能57%～69%[10]。经过计算,在机房负荷M1基本相同的前提下,A302空调能耗比B302空调能耗低57.24%,因此A302机房实测空调数据与相关理论基本一致。电源损耗差异主要在于2个机房采用不同类型、不同冗余方式的电源设备,且A302机房电源设备负载率较高,基本运行在经济区间,损耗较低。B302机房为客户定制机房,电源设备冗余程度较高,负载率较低,未进入经济运行区间,损耗较高。

进一步分析现场情况,A机房楼启用16个机房,13个机房均采用重力热管型背板空调。B机房楼启用14个机房,均为客户定制机房,冗余程度较高,11个机房采用冷水型机房专用空调。通过读取6月的能耗数据,A机房楼PUE为1.34,B机房楼PUE为1.47,一定程度上说明机房pPUE与机房楼PUE数值基本吻合,也说明pPUE算法具有较好的可实践性和可操作性。

4 结束语

针对某些场景下数据中心不同分区PUE的测算需求,通过建立不同能耗的分摊模型,最终形成pPUE的测算方法,选取负荷率接近的2个机房进行实证研究,一定程度上证明了pPUE算法具有较好的可实践性和可操作性,为数据中心能耗指标监测和完善提供参考和依据。同时,为了提高算法的可操作性,根据当前数据中心现状,较小部分能耗采用估算法,建议数据中心在建设中增加末端流量计和供回水温度测量点,可以更精确地计量末端实时供冷量,用以摊销冷源耗电量。