数据中心研究：关键性能指标、电能使用效率PUE和EEUE

1、【HVAC数据中心研究（4）:关键性能指标、电能使用效率 PUE 和 EEUE0引言世界能源委员会 1995年对能源效率的定义为：减少提供同等能源服务的能源投入。对于能耗居高不下的数 据中心，研究提高能源效率具有深远的社会效益和经济效 益。除了能源效率之外，数据中心还有多项其他性能指标， 按照国际标准组织ISO的定义统称为关键性能指标，或称为 关键绩效指标，研究这些指标对于数据中心同样具有十分重 要的意义。在已经颁布的数据中心性能指标中最常见的是电 能使用效率PUE在我国，PUE但是数据中心研究、设计、 设备制造、建设和运维人员最为熟悉的数据中心能源效率指 标，也是政府评价数据中心工程性能的主

2、要指标。除了 PUE 之外，2007年以后还由台了多项性能指标，虽然知名度远不及PUE但是在评定数据中心的性能方面也有一定的参考价 值，值得关注和研究。 PUE在国际上一直是众说纷纭、莫衷 一是的一项指标，2015年ASHRA公开宣布，ASHRA标准今 后不再采用PUES一指标，并于2016年下半年颁布了 ASHRAE 90.4标准，提由了新的能源效率；绿色网格组织（ TGG也 相继推由了新的能源性能指标。对PUE和数据中心性能指标的讨论一直是国际数据中心界的热门议题。鉴于性能指标对 于数据中心的重要性、国内与国际在这方面存在的差距，以及在采用PUE指标过程中存在的问题，有必要对数据中心的 各

3、项性能指标，尤其是对 PUE进行深入地研究和讨论。1 性能指标ISO给由的关键性能指标的定义为：表示资源使用 效率值或是给定系统的效率。数据中心的性能指标从2007年开始受到了世界各国的高度重视，相继推由了数十个性能 指标。2015年之后，数据中心性能指标由现了较大变化，一 系列新的性能指标相继被推由，再度引发了国际数据中心界 对数据中心的性能指标，尤其是对能源效率的关注，并展开 了广泛的讨论。2 PUE2.1 PUE和衍生效率的定义和计算方法2.1.1电能使用效率 PUETGG口 ASHRA聆由的PUE的定义相同：数据中心总能耗Et与IT设备能耗之比。GB/T32910.32016给由的EE

4、UE勺定义为：数据中心总电能 消耗与信息设备电能消耗之间的比值。其定义与PUE相同，不同的是把国际上通用的 PUE (powerusage effectiveness ) 改成了 EEUE (electricenergy usage effectiveness)。国内IT界和暖通空调界不少专业人士对于这一变更提由了不 同的看法，根据 Malone等人最初对PUE的定义，Et应为市 电公用电表所测量的设备总功率，这里的Et就是通常所说的数据中心总的设备耗电量，与 GB/T32910.32016所规定 的Et应为采用电能计量仪表测量的数据中心总电能消耗的 说法相同。笔者曾向 ASHRAET关权威人

5、士咨询过，他们认 为如果要将“ power”用“electricenergy ”来替代，则采用 “electricenergy consumption ” （耗电量）更准确。显 然这一变更不利于国际交流。虽然这只是一个英文缩写词的 变更，但因为涉及到专业术语，值得商榷。ISO给由的PUE的定义略有不同：计算、测量和评估在同一时期数据中心总 能耗与IT设备能耗之比。2.1.2 部分电能使用效率 pPUETGG 和ASHRA聆由的pPUE的定义相同：某区间内数据中心总能 耗与该区间内IT设备能耗之比。区间（zone）或范围（boundary ）可以是实体，如集装箱、房间、模块或建筑 物，也可以是逻

6、辑上的边界，如设备，或对数据中心有意义 的边界。ISO给由的pPUE的定义有所不同：某子系统内数据 中心总能耗与IT设备总能耗之比。这里的“子系统”是指 数据中心中某一部分耗能的基础设施组件，而且其能源效率 是需要统计的，目前数据中心中典型的子系统是配电系统、 网络设备和供冷系统。2.1.3设计电能使用效率dPUEASHRAE所以在其标准中去除了 PUE指标，其中一个主 要原因是ASHRAF为PUE适合在数据中心设计阶段使用。 为此ISO给由了设计电能使用效率 dPUE具定义为：由数据 中心设计目标确定的预期 PUE数据中心的能源效率可以根 据以下条件在设计阶段加以预测：1）用户增长情况和期望

7、值；2）能耗增加或减少的时间表。dPUEg示由设计人员定 义的以最佳运行模式为基础的能耗目标，应考虑到由于数据 中心所处地理位置不同而导致的气象参数（室外干球温度和湿度）的变化。2.1.4 期间电能使用效率iPUEISO给由的 期间电能使用效率iPUE的定义为：在指定时间测得的 PUE 非全年值。2.1.5 电能使用效率实测值EEUE-RGB/T32910.T2016给由的EEUE-R勺定义为：根据数 据中心各组成部分电能消耗测量值直接得由的数据中心电 能使用效率。使用 EEUE-R寸应采用EEUE-Ra方式标明，其 中a用以表明EEUE-R的覆盖时间周期，可以是年、月、周。2.1.6电能使用

8、效率修正值 EEUE-XGB/T32910.3-2016给由的EEUE-X的定义为：考虑采用的制冷技术、负荷使用率、 数据中心等级、所处地域气候环境不同产生的差异，而用于 调整电能使用率实测值以补偿其系统差异的数值。2.1.7采用不同能源的PUE计算方法数据中心通常采用的能源为电 力，当采用其他能源时，计算PUE时需要采用能源转换系数加以修正。不同能源的转换系数修正是评估数据中心的一次 能源使用量或燃料消耗量的一种方法，其目的是确保数据中 心购买的不同形式的能源（如电、天然气、冷水）可以进行 公平地比较。例如，如果一个数据中心购买当地公用事业公 司提供的冷水，而另一个数据中心采用由电力生产的冷

9、水， 这就需要有一个系数能使得所使用的能源在相同的单位下 进行比较，这个系数被称为能源转换系数，它是一个用来反 映数据中心总的燃料消耗的系数。当数据中心除采用市电 外，还使用一部分其他能源时，就需要对这种能源进行修正。2.1.8 PUE 和EEUE+算方法的比较如果仅从定义来看， PUE和EEUE勺计算方法十分简单， 且完全相同。但是当考虑 到计算条件的不同，需要对电能使用效率进行修正时，2种 效率的计算方法则有所不同。1） PUE已考虑到使用不同能源 时的影响，并给由了修正值和计算方法；GB/T32910.3 2016未包括可再生能源利用率，按照计划这一部分将在GB/T32910.4可再生能

10、源利用率中说明。 2） PUE还有若 干衍生能源效率指标可供参考，其中ISO提由的dPUE弥补了传统PUE的不足；EEU则有类似于iPUE的指标EEUE-Ra 3） EEU分级（见表1）与PUE分级（见表2）不同。表1 EEUE 分级要求表2 PUE分级4） EEU明时考虑了安全等级、所处 气候环境、空调制冷形式和IT设备负荷使用率的影响。ASHRA最初给生了 19个气候区的PUEt大限值，由于PUE 已从ASHRA标准中去除，所以目前的PUE考虑气候的影响；ISO在计算dPUE时，要求考虑气候的影响，但是如何考 虑未加说明；PUE也未考虑空调制冷形式和负荷使用率的影 响，其中IT设备负荷率的

11、影响较大，应加以考虑。2.2 PUE 和EEUE勺测量位置和测量方法 2.2.1 PUE的测量位置和测量方法根据IT设备测点位置的不同，PU酸分成3个类别， 即PUE1初级（提供能源性能数据的基本评价）、PUE2中级（提 供能源性能数据的中级评价）、PUE3高级（提供能源性能数 据的高级评价）0PUE1初级：在UPS设备输由端测量IT负载, 可以通过UPS前面板、UPS输由的电能表以及公共 UPS输由 总线的单一电表（对于多个 UPS莫块而言）读取。在数据中 心供电、散热、调节温度的电气和制冷设备的供电电网入口 处测量进入数据中心的总能量。基本监控要求每月至少采集一次电能数据，测量过程中通常需

12、要一些人工参与。PUE2中级：通常在数据中心配电单元前面板或配电单元变压器二次 侧的电能表读取，也可以进行单独的支路测量。从数据中心 的电网入口处测量总能量，按照中等标准的检测要求进行能 耗测量，要求每天至少采集一次电能数据。与初级相比，人工参与较少，以电子形式采集数据为主， 可以实时记录数据， 预判未来的趋势走向。PUE3高级：通过监控带电能表的机架 配电单元（即机架式电源插座）或 IT设备，测量数据中心 每台IT设备的负载（应该扣除非 IT负载）。在数据中心供 电的电网入口处测量总能量，按照高标准的检测要求进行能 耗测量，要求至少每隔 15min采集一次电能数据。在采集和 记录数据时不应该

13、有人工参与，通过自动化系统实时采集数 据，并支持数据的广泛存储和趋势分析。所面临的挑战是以 简单的方式采集数据，满足各种要求，最终获取数据中心的 各种能量数据。对于初级和中级测量流程，建议在一天的相 同时间段测量，数据中心的负载尽量与上次测量时保持一致，进行每周对比时，测量时间应保持不变（例如每周周三）。2.2.2 EEUE 的测量位置和测量方法 EEUE勺测量位置见图图1数据中心电能消耗测量点1） Et测量位置在变压器低压侧，即 A点；2）当PDU无隔离 变压器时，EIT测量位置在UPS俞由端，即B点；3）当PDU 带隔离变压器时，EIT测量位置在PDU俞由端，即C点；4） 大型数据中心宜对

14、各主要系统的耗电量分别计量，即E1, E2,E3点；5）柴油发电机馈电回路的电能应计入Et,即A1点；6）当采用机柜风扇辅助降温时，EIT测量位置应为IT负载供电回路，即D点；7）当EIT测量位置为UPS输由端供电 回路，且UPS负载还包括UPS供电制冷、泵时，制冷、泵的 能耗应从EIT中扣除，即扣除B1和B2点测得的电量。2.2.3 PUE和EEUE勺测量位置和测量方法的差异1） PUE的Et测量位置在电网输入端、变电站之前。而 GB/T32910.32016规 定EEUE勺Et测量位置在变压器低压侧。数据中心的建设有 2种模式：数据中心建筑单独设置，变电站自用，大型和 超大型数据中心一般采

15、用这种模式；数据中心置于建筑物的某一部分，变电站共用，一般为小型或中型数据中心。由 于供电局的收费都包括了变压器的损失，所以为了准确计算 EEUE对于前一种模式，Et测量位置应该在变压器的高压侧。2）按照2.2.2节第6条，在计算EIT时，应减去机柜风机 的能耗。应该指由的是，机柜风机不是辅助降温设备，起到 降温作用的是来自空调设备的冷空气，降温的设备为空调换热器，机柜风机只是起到辅助传输冷风的作用，因此机柜风 机不应作为辅助降温设备而计算其能耗。在GB/T32910.3征求意见时就有人提生：机柜风机的能耗很难测量，所以在实 际工程中，计算 PUE时，EIT均不会减去机柜风机的能耗。在美国，计

16、算PUE时，机柜风机的能耗包括在EIT中。3）PUE的测点明显多于 GB/T32910.3 2016规定的EEUE勺测 点。2.3 PUE 存在的问题1）最近两年国内外对以往所宣 传的PUEK平进行了澄清。我国 PUE的真实水平也缺乏权威 调查结果。GB/T32910.32016根据国内实际状况，将一级 节能型数据中心的 EEUEM宽到1.01.6,其上限已经超过 了国家有关部委提由的绿色数据中心PUE应低于1.5的要求，而二级比较节能型数据中心的EEUEB定为1.61.8,应该说这样的规定比较符合国情。2）数据中心总能耗 Et的测量位置直接影响到 PUE的大小，因此应根据数据中心建筑 物市电

17、变压器所承担的荷载组成来决定其测量位置。3）应考虑不同负荷率的影响。当负荷率低于30%寸，不间断电源UPS的效率会急剧下降，PUE值相应上升。对于租赁式数据 中心，由于用户的进入很难一步到位，所以数据中心开始运 行后，在最初的一段时间内负荷率会较低，如果采用设计 PUE也就是满负荷时的 PUE评价或验收数据中心是不合 理的。4）数据中心的PUE低并非说明其碳排放也低。完全 采用市电的数据中心与部分采用可再生能源（太阳能发电、风电等），以及以燃气冷热电三联供系统作为能源的数据中 心相比，显然碳排放指标更高。数据中心的碳排放问题已经 引起国际上广泛地关注，碳使用效率CUE已经成为数据中心重要的关键

18、性能指标，国内对此的关注度还有待加强。5）GB/T32910.32016规定，在计算 EIT时，应减去机柜风机 的耗能。关于机柜风机的能耗是否应属于IT设备的能耗，目前国内外有不同的看法，其中主流观点是服务器风机的能 耗应属于IT设备的能耗，其原因有二：一是服务器风机是 用户提供的IT设备中的一个组成部分，自然属于 IT设备; 二是由于目前服务器所采用的风机基本上均为无刷直流电 动机驱动的风机（即所谓 EC电机），风机的风量和功率随负 荷变化而改变，因此很难测量风机的能耗。由于数据中心风 机的设置对PUE的大小影响很大，需要认真分析。从实际使 用和节能的角度由发，有人提由将服务器中的风机取消，

19、而 由空调风机取代。由于大风机的效率明显高于小风机，且初 投资也可以减少，因此这种替代方法被认为是一个好主意， 不过这是一个值得深入研究的课题。6）国内相关标准有待进一步完善。GB/T32910.32016数据中心资源利用第 3 部分：电能能效要求和测量方法的发布，极大地弥补了国 内标准在数据中心电能能效方面的不足；同时，GB/T32910.3 2016标准颁布后，也引起了国内学术界和工 程界的热议。作为一个推荐性的国家标准如何与已经颁布执 行的强制性行业标准 YD51932014互联网数据中心（IDC） 工程设计规范相互协调？在标准更新或升级时，包括内容 相似的国际标准ISOIEC 3013

20、4-2-2016 在内的国外相关标准 中有哪些内容值得借鉴和参考？标准在升级为强制性国家 标准之前相关机构能否组织就其内容进行广泛的学术讨论？都是值得考虑的重要课题。ASHRA在发布 ASHRAE90.4标准时就说明，数据中心的标准建立在可持续发展的基础 上，随着科学技术的高速发展，标准也需要不断更新和创新。7） PUE的讨论已经相当多，事实上作为大数据中心的投资方 和运营方，更关心的还是数据中心的运行费用，尤其是电费 和水费。目前在数据中心关键性能指标中尚缺乏一个经济性 指标，使得数据中心，尤其是大型数据中心和超大型数据中 心的经济性无法体现。2.4 PUE 的比较不同数据中心的 PUE值不

21、应直接进行比较，但是条件相似的数据中心可以从 其他数据中心所提供的测量方法、测试结果，以及数据特性 的差异中获益。为了使 PUE比较结果更加公平，应全面考虑 数据中心设备的使用时间、地理位置、恢复能力、服务器可 用性、基础设施规模等。3其他性能指标3.1ASHRAE90.4ASHRAE90.4-201提由了 2个新的能源效率指标， 即暖通空调负载系数 MLC和供电损失系数 ELC但这2个指 标能否为国际IT界接受，还需待以时日。3.1.1暖通空调 负载系数MLCASHRAE MLC的定义为：暖通空调设备（包括制冷、空调、风机、水泵和冷却相关的所有设备）年总耗电 量与IT设备年耗电量之比。3.1

22、.2 供电损失系数ELCASHRAE 对ELC的定义为：所有的供电设备（包括 UPS变压器、电 源分配单元、布线系统等）的总损失。 3.2 TGG白皮书68 号2016年，TG球白皮书68号中提由了 3个新的能源效率 指标，即PUE比（PUEr）、IT设备热一致性（ITTC）和IT设 备热容错性（ITTR）,统称为绩效指标（PI）。这些指标与PUE 相比，不但定义不容易理解，计算也十分困难，能否被 IT 界接受，还有待时间的考验。3.2.1 PUE比TGG寸PUEr的定义为：预期的 PUE（按TGG勺PUE等级选择）与实测 PUE 之比。3.2.2 IT 设备热一致性ITTCTGG寸ITTC的

23、定义为： IT设备在ASHRAEI荐的环境参数内运行的比例。服务器的 进风温度一般是按 ASHRA规定的1827c设计的，但是企 业也可以按照自己设定的服务器进风温度进行设计，在此进 风温度下，服务器可以安全运行。IT设备热一致性表示符合 ASHRA觊定的服务器进风温度的IT负荷有多少，以及与总的IT负荷相比所占百分比是多少。例如一个IT设备总负荷为500kW的数据中心，其中满足 ASHRA觊定的服务器进风 温度的IT负荷为450kWf则该数据中心的IT设备热一致性 为95%虽然TGGW释说，IT设备热一致性涉及的只是在正 常运行条件下可接受的IT温度，但是IT设备热一致性仍然 是一个很难计算

24、的能源效率，因为必须知道：1）服务器进 风温度的范围，包括 ASHRA觊定的和企业自己规定的进风 温度范围；2)测点位置，需要收集整个数据中心服务器各 点的进风温度，由人工收集或利用数据中心基础设施管理(DCIM)软件来统计。3.2.3 IT 设备热容错性ITTRTGG寸 ITTR的定义为：当冗余制冷设备停机，或由现故障，或正常 维修时，究竟有多少IT设备在ASHRAEt许的或建议的送风 温度32c下送风。按照 TGG勺解释，ITTR涉及的只是在由 现冷却故障和正常维修运行条件下可接受的IT温度，但是ITTR也是一个很难确定的参数。ITTR的目的是当冗余冷却 设备停机，生现冷却故障或在计划维护

25、活动期间，确定 IT 设备在允许的入口温度参数下(<32 C)运行的百分比，以便确定数据中心冷却过程中的中断或计划外维护的性能。 这个参数很难手算，因为它涉及到系统操作，被认为是“计 划外的”条件，如冷却单元的损失。3.3 数据中心平均效率CAD嗷据中心平均效率 CAD盅由麦肯锡公司提由，尔后 又被正常运行时间协会(UI)采用的一种能源效率。CADE!由时自认为是一种优于其他数据中心能源效率的指标。该指 标由于被UI所采用，所以直到目前仍然被数量众多的权威 著作、文献认为是可以采用的数据中心性能指标之一。但是 笔者发现这一性能指标的定义并不严谨，容易被误解。另外 也难以测量和计算。该指标的提由者并未说明IT资产效率如何测量，只是建议ITAE的默认值取5%所以这一指标迄今为止未能得到推广应用。3.4 IT 电能使用效率ITUE和总 电能使用效率 TUE2013