数据中心PUE值研究 - 全文

　　目前，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。

　　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/电信目前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。

　　目前，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。可是高密度机柜从机柜前面的地板出风口出风。当冷风送至机柜的中部冷风已经被服务器全部吸收。所以，机柜的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。

　　现在机房服务器类负荷的最高散热量近年来已攀升至每机柜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。还可以在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，有效的利用可以很大的提高空调的利用率。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成本降低空调能耗的关键。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中现在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，我们可以在通过新的空调技术还可以比水冷空调在节能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，但是支持空调运作的后方机组，比如说，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因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，这个机房中的负载没有变化，只是等级从C级变成A级。但是，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无论这样变化，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。