數據中心性能評價指標有很多,在已經頒布的性能指標中最常見的是電能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)。在我國,PUE不但是數據中心研究、設計、設備制造、建設和運維人員最為熟悉的數據中心能源效率指標,也是政府評價數據中心工程性能的主要指標。除了能源效率,數據中心還有多項其他性能指標,按照國際標準組織ISO的定義統稱為關鍵性能指標,或者稱為關鍵績效指標,研究這些指標對于數據中心同樣具有十分重要的意義。2007年,綠色網格組織(The Green Grid,TGG)制定了數據中心能效比指標PUE,即電源利用效率。其基本計算方法為
TGG和ASHRAE給出的PUE的定義相同:數據中心總能耗Et與IT設備總能耗Ei之比。而《數據中心 資源利用第3部分:電能能效要求和測量方法》(GB/T 32910.3—2016)將PUE的概念引申為EEUE:數據中心總電能消耗與信息設備電能消耗之間的比值。其定義與PUE定義相同,不同的是把國際上通用的PUE(Power UsageEffectiveness)改成了EEUE(Electric Energy Usage Effectiveness)。根據Malone等最初對PUE的定義,Et應為市電公用電表所測量的設備總功率,即通常所說的數據中心總的設備耗電量,與GB/T 32910.3—2016規定的Et應為采用電能計量儀表測量的數據中心總電能消耗的說法相同。
數據中心機房的PUE實際上反映用戶總輸入電能中到底有多少電能真正被饋送到IT設備上。PUE值越大,表示用于確保IT設備安全運行所配套的,由UPS供電系統、空調系統、輸入/輸出供配電系統及照明系統等所組成的動力和環境保障基礎設施所消耗的電功耗就越大。PUE指標還可以根據考察范圍和對象細化為不同的分項指標。
(1) 數據中心基礎設施效率(Data Center Infrastructure Efficiency,DCIE):PUE指標的倒數,反映數據中心IT設備能耗在數據中心總能耗中的占比。
(2) 局部PUE(partial PUE,pPUE):數據中心PUE概念的延伸,用于對數據中心的局部區域或設備的能效進行評估和分析。
(3) 制冷負載系數(Cooling Load Factor,CLF):數據中心中制冷設備耗電與IT設備耗電的比值。
(4) 供配電負載系數(Power Load Factor,PLF):數據中心中供配電系統耗電與IT設備耗電的比值。
(5) 其他負載系數(Other Load Factor,OLF):數據中心除IT負載、制冷設備及供配電設備之外的系統或設備損耗(如監控、安防)與IT設備耗電的比值。
DCIE指標可通過下式計算。
PUE指標作為一個整體概念,考察的是整個數據中心機房的用能效率,當一個大型數據中心有多個機房或多個功能分區時,想要考察某個具體機房或某個獨立系統的用能情況或用戶關心某個分系統用能狀況時,PUE指標就具有一定的局限性,不能反映數據中心機房各個組成部分或各分系統的用能效率,由此引入局部電能利用效率的概念,以考察數據中心局部區域或分系統的用能效率。局部電能利用效率(partial PUE,pPUE)作為數據中心PUE概念的延伸和推廣,可應用于數據中心機房局部區域的分析評價。具體需要將數據中心的總能耗劃分為多個小部分:制冷設備能耗(Cooling Load)、供配電設備能耗(Power Load)、IT設備能耗(IT Load)和其他設備能耗(Other Load)。在采用pPUE指標進行數據中心能效評測時,首先根據需要從數據中心中劃分出不同的分區(也稱Zone,見圖2-2)。一個多層數據中心建筑中的一個機房,或者一個集裝箱數據中心的集裝箱模塊,都可以作為一個Zone。
圖2-2 局部PUE計算分區示意
一個典型的數據中心可按涉及的分系統能耗統計計算,主要包括冷源系統和供配電系統及其他輔助系統耗電量;也可按不同功能區域進行能耗統計計算,如圖2-2中Zone1和Zone2可分別代表不同樓層的數據機房或同一樓層不同房間數據機房。根據圖2-2的區域劃分,Zone1和Zone2的局部PUE指標pPUE1和pPUE2按下式計算。
圖2-2中將數據中心機房劃分為Zone1和Zone2兩個部分,并分別對這兩個區域進行局部PUE的計算,所以數據中心機房整體PUE與劃分的這兩個區域的關系為
需要指出的是,對圖2-2中的數據中心機房來講,當暖通空調系統采用分布式的風冷直膨系統時,各個區域的制冷設備相互獨立,每個區域的空調只負責該區域的制冷需求,此時計算較為簡單,可將每個區域看成一個獨立的機房,分別獨立計算其各個系統的能耗,從而計算機房整體PUE。對于采用了集中式冷凍水型精密空調系統的數據機房,由于各區域空調的冷源統一由制冷站制冷主機提供,甚至部分場合還需要為民用空調提供制冷需求,因此在劃分區域進行局部PUE計算時,需將制冷主機提供至各區域的制冷量區分開來。在對運行中的數據中心進行PUE測算時,可通過測量輸送至各區域冷凍水供水管路上的流量和供回水管路上的溫差來間接得出,或者測量該區域各末端空調的供回水流量和溫差累計得出,再根據冷機提供的總冷量得出由制冷主機提供的制冷量在制冷主機總冷量中所占的比例,并按此比例進行制冷主機及其他相關設備(如水泵、冷卻塔、水處理設備等)的折算。局部PUE計算分區示意如圖2-3所示。
圖2-3 局部PUE計算分區示意
配電系統損耗為N0=200(電能轉換)MW·h+100(UPS損耗)MW·h。
Zone1制冷系統損耗為200MW·h,其所支撐的IT設備功耗為1 500MW·h。
Zone2制冷系統損耗為200MW·h,其所支撐的IT設備功耗為500MW·h。
局部PUE計算如下。
局部PUE用于反映數據中心的部分設備或區域的能效情況,其數值可能大于或小于整體PUE。要提高整個數據中心的能源效率,一般要提升pPUE值較大的部分設備或區域的能效。局部PUE適用于基于集裝箱或其他模塊化單元構建的模塊化數據中心,或者由多個建筑和機房構成的較大型數據中心的局部能效評估。
制冷/供電負載系數分別是CLF(Cooling Load Factor,制冷負載系數)和PLF(Power Load Factor,供電負載系數)。CLF定義為數據中心中制冷設備耗電與IT設備耗電的比值;PLF定義為數據中心中供配電系統耗電與IT設備耗電的比值。CLF和PLF可以看作PUE的補充和深化,通過分別計算這兩個指標,可以進一步深入分析制冷系統和供配電系統的能源效率。
RER(Renewable Energy Ratio,可再生能源利用率)定義為可再生能源供電量與數據中心總耗電量的比值。除了上述四大指標,數據中心還有其他可參考的能效指標,如綠色網格(TheGreen Grid,TGG)組織提出的碳利用效率(Carbon Usage Efficiency,CUE)和碳排放因子(Carbon Emission Factor,CEF)指標,但考慮到我國的實際國情,這些標準在我國的應用尚需時日。可再生能源對環境無害或危害極小,而且資源分布廣泛,適宜就地開發利用。與可再生能源相對的是煤、石油、天然氣等化石燃料及核能。