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本文为湖南大学殷平教授关于数据中心暖通空调研究的系列论文，共6篇。本文为第四篇《暖通空调 数据中心研究 关键性能指标､电能使用效率PUE和EEUE》，由于篇幅限制，将文章分为两部分推送，以下是第一部分。 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(key performance indicators),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不但是数据中心研究､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要指标｡国务院在国发[2015]5号通知､工信部在[2013]48号通知中均将我国绿色数据中心的PUE定位在1.5以下｡ 2014年7月,北京市人民政府办公厅发布了《北京市新增产业的禁止和限制目录(2014年版)》,其中由北京市经济和信息化委员会制定的“关于信息传输软件和信息技术服务业门类”中明确规定:禁止新建和扩建数据中心(PUE值在1.5以下的云计算数据中心除外)｡ 这些规定不但为国内专业人士熟知,而且引起了国际上的广泛关注,多家海外IT媒体作为重要新闻给予了报道｡ GB/T 32910.3—2016《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》于2016年8月29日正式发布,2017年3月1日开始实施,引起了广泛关注｡ 除了PUE之外,2007年以后还出台了多项性能指标,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ASHRAE公开宣布,ASHRAE标准今后不再采用PUE这一指标,并于2016年下半年颁布了ASHRAE 90.4标准,提出了新的能源效率;绿色网格组织(TGG)也相继推出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项性能指标,尤其是对PUE进行深入地研究和讨论｡ ISO给出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,相继推出了数十个性能指标｡ 2014年智慧城市群的8个组织､数十家公司,以及多所大学对此前已经发表的数据中心性能指标进行了全面搜索,给出了所能搜索到的各种性能指标的定义和计算方法,并对这些指标进行了分析和讨论｡ 2015年之后,数据中心性能指标出现了较大变化,一系列新的性能指标相继被推出,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｡ PUE 2.1 PUE的发展史 2006年Malone等人提出了PUE的概念｡2007年2月TGG在白皮书《TGG指标:描述数据中心电力效率》中对PUE和DCE(数据中心效率)进行了定义和描述｡ 2007年TGG又推出了白皮书6号《TGG数据中心能源效率:PUE和DCiE》,除了给出PUE的计算方法外,还提出了数据中心基础设施效率DCiE､数据中心生产力DCP､冷负荷系数CLF､电力负荷系数PLF等多项性能指标｡ 尔后,2008年TGG发布的白皮书14号《TGG指标:数据中心基础设施效率详细分析》,2009年发布的白皮书17号《测量数据中心生产力的推荐指标》､白皮书20号《PUE可扩缩性指标和统计分析》､白皮书22号《TGG基础设施指标(PUE/DCiE)的用法和公共报告指南》,2010年发布的白皮书29号《测量一个数据中心再利用能源利益的一项指标》,对PUE进行了进一步诠释｡ 2012年TGG发布的白皮书49号《 ASHRAE9.9技术委员会是国际上著名的数据中心研究机构,目前已出版了13本丛书,发表了多份白皮书,该丛书已成为国际上重要的数据中心参考资料｡ 2008年ASHRAE9.9技术委员会在《数据中心热指南》(第2版)中引进了PUE这一指标,随后在ANSI/ASHRAE/IES Standard90.1-2010中也采用了PUE这一指标｡ 2014年ASHRAE还出版了第11集专辑《 国内2008年全文翻译了《数据中心热指南》(第2版),开始关注和应用PUE｡ 2015年ASHRAE决定将ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1《对于除低层居住建筑节能标准》中的数据中心建筑摘出,专门制定新的国家标准ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.4《数据中心节能标准》,经过多轮讨论并广泛征集意见,于2016年下半年正式出台了90.4标准｡ 该标准指出:由于PUE这一指标以数据中心所测量的用能量为基础,而不是设计计算,所以90.4标准中的设计计算与数据中心实际用能量有差异,因此90.4标准决定放弃PUE,提出了数据中心新的能源效率指标｡ 为了应对ASHRAE的这一举措,PUE的提出者TGG于2016年下半年也推出了3个新的能源效率指标｡ 2016年6月ISO则颁布了PUE的国际标准｡GB/T 32910.3—2016《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》对电能使用效率EEUE的测量､计算方法进行了统一的规定,明确提出了我国数据中心电能能效要求,将数据中心按其电能使用效率值的大小分为节能､较节能､合格､较耗能､高耗能5级｡ 同时,该标准在充分考虑我国国情的基础上,根据数据中心的制冷技术､使用负荷率､安全等级､所处地域的不同,制定了能源效率值调整模型,通过该调整模型可以实现不同数据中心的比较,从而形成全国范围内数据中心能效的统一比对标准｡ 2.2 PUE和衍生效率的定义和计算方法 2.2.1 电能使用效率PUE TGG和ASHRAE给出的PUE的定义相同:数据中心总能耗与IT设备能耗之比,如式(1)所示｡ GB/T 32910.3—2016给出的EEUE的定义为: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(power usage effectiveness)改成了EEUE(electric energy 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出了不同的看法,根据Malone等人最初对PUE的定义, 笔者曾向ASHRAE有关权威人士咨询过,他们认为如果要将“power”用“electricenergy”来替代,则采用“electric energy 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给出的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｡ 2.2.2 部分电能使用效率 TGG和ASHRAE给出的的定义相同:某区间内数据中心总能耗与该区间内IT设备能耗之比,如式(2)所示｡ 区间(zone)或范围(boundary)可以是实体,如集装箱､房间､模块或建筑物,也可以是逻辑上的边界,如设备,或对数据中心有意义的边界｡ ISO给出的
式(4)~(6)中 2.2.3 设计电能使用效率dPUE ASHRAE之所以在其标准中去除了PUE指标,其中一个主要原因是ASHRAE认为PUE不适合在数据中心设计阶段使用｡ 为此ISO给出了设计电能使用效率dPUE,其定义为: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值; 2)能耗增加或减少的时间表｡ dPUE表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。 2.2.4 期间电能使用效率iPUE ISO给出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｡ 2.2.5 电能使用效率实测值EEUE-R GB/T32910.3-2016给出的EEUE-R的定义为:根据数据中心各组成部分电能消耗测量值直接得出的数据中心电能使用效率｡使用EEUE-R时应采用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｡ 2.2.6 电能使用效率修正值EEUE-X GB/T32910.3—2016给出的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｡GB/T32910.3-2016给出了用于EEUE-X计算的EEUE调整值,如表1所示｡
2.2.7 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,PUE应采用下式计算:
表2给出了不同能源的转换系数
例如:某数据中心采用燃气三联供和市电作为能源,如图1所示｡则有
2.2.8 PUE和EEUE计算方法的比较 如果仅从定义来看,PUE和EEUE的计算方法十分简单,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,并给出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提出的dPUE弥补了传统PUE的不足;EEUE则有类似于iPUE的指标EEUE-Ra｡ 3) EEUE分级(见表3)与PUE分级(见表4)不同｡
4) 如表1所示,EEUE同时考虑了安全等级､所处气候环境､空调制冷形式和IT设备负荷使用率的影响｡ ASHRAE最初给出了19个气候区的PUE最大限值,由于PUE已从ASHRAE标准中去除,所以目前的PUE未考虑气候的影响; 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设备负荷率的影响较大,应加以考虑｡ -未完待续- *作者 殷平 湖南大学教授
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