数据中心PUE解析

尹晓竹

摘要 本文介绍了数据中心和PUE的基本概念，并对PUE数值及相关因素进行了分析和解读。PUE可作为节能技术衡量工具，是一个逐步调整的过程。所有降低PUE的措施，其代价必将在项目全成本中得以体现。正确理解PUE的涵义，选择节能高效与成本合理的平衡点，是数据中心建设者应考虑的问题。

关键词数据中心PUE

中图分类号：C37 文献标识码： A

1PUE简介

数据中心

数据中心是实现数据信息的集中处理、存储、传输、交换、管理等业务的服务平台。从物理层次看，数据中心主要由IT设备、配电系统和空调系统3部分构成。IT设备是实现数据中心功能的核心部分，配电和空调系统则用以保障IT设备系统的正常运行。其中，配电系统用于直流、交流转换，并确保为IT设备提供可靠、高质量的电源；空调系统保障IT设备在正常的温度和湿度下工作。

绿色数据中心是在传统的數据中心架构基础上，通过先进的技术和方案以达到最高能效以及最低的环境影响。若要达到绿色数据中心的标准，除了要应用高效节能的IT设备外，通过一系列节能措施降低空调系统和配电系统的能耗也极为关键。业内常用PUE（Power Usage Effectiveness）作为数据中心的能效指标来评价数据中心是否高效。

PUE定义

PUE:能量使用效率Power Usage Effectiveness

PUE

IT设备能耗包括所有相关的IT设备的负荷，如计算设备、存储设备、网络设备，也包括辅助设备如KVM转换器、监视器和工作站等。 全部设备能耗包括以下所有支持IT设备运行的设备能耗：

(1)供配电、照明设备，如发电机、变压器、开关柜、配电箱、列头柜、UPS、电池、灯具等。 (2)空调设备，如冷水机组、机房精密空调、直接蒸发制冷设备、新风空调设备、水泵和冷却塔等。 (3)计算设备、网络设备、存储设备。 PUE的数值越小，说明机房的节能效果越好。目前国内外已建成的机房的PUE数值大致在1.4～2.2之间。对于IT企业来讲，只有建设低能耗的机房，才能更好地满足不断增长的计算、传输和存储的需求，才能降低能耗成本，减少整个企业的建设成本和运行成本，使企业保持竞争力，以迎接更多的商业需求和挑战。

PUE因素组成

其中：CLF —制冷能效因子Cooling Load Factor

代表单位功率IT负载上消耗的制冷用电量

PLF —电力能效因子Power Load Factor

代表单位功率IT负载上供电系统的损耗

PUE是一个趋向于1的值，越接近1，说明数据中心全部电量基本全部供应给IT设备，此数据中心电能利用率最高。

PUE影响因素分析图如下：（见WORD附件图）

2、PUE的确定方法

方法一：已知数据中心基础设施耗电量（包含空调、电源损耗、机房照明等用电），IT设备耗电量，可利用公式，计算出PUE值。

方法二：设定目标PUE值，可计算出IT设备与基础设施耗电量所占比例关系，根据确定的IT设备耗电量，可确定空调耗电量、电源损耗量、其他用电量。从而采取各种措施向目标值靠近。

如：设定目标PUE=1.5，含义为，每输入1.5KW的总电量，可支持1KW 的IT设备。用于每1KW IT设备所消耗的空调、电力损耗、建筑照明等基础设施电量为0.5KW。

使用此PUE确定方法需要注意：PUE值越小，代表IT设备能耗占比越大，当PUE=1是，代表数据中心耗电全部为IT设备耗电，而不消耗其他电能。

3、PUE数值分析

3.1 PUE与IT设备能耗占比的关系

如上图所示：

每一个PUE值都对应一个IT与基础设施耗电量比例关系，IT设备占比越大，PUE值越低

要降低PUE，增加IT设备耗电占比，降低基础设施耗电占比，将尽量多的电量用于IT设备，减少空调、电源、建筑照明等能耗。

极限值是全部的电量用于IT设备，特殊设计，通常条件下无法达到。

3.2 PUE不同数值能耗分布示意及分析

（1）专业机构所列数据中心能耗比例（资料来源：EYP Missions Critical Facilities Inc.）

根据比例关系推导出PUE=1.8/1.5/1.25几个典型PUE能耗比例分配如下：

PUE=1.8为绿色数据中心的最低标准

PUE=1.5为我们希望达到的绿色数据中心PUE值

分析：电力损失至少也要7%，空调制冷+通风耗电合计25%，必须采用冬季自然冷却方式减少制冷耗电时间。

PUE≤1.4

大型数据中心整体采用常规方法已经很难达到，以PUE=1.4为例

分析：此种按比例分配已经显得不合理，电力损失6%，难以达到。空调系统21%，必须综合考虑自然冷却利用方式，包括水侧自然冷却、风侧自然冷却、末端靠近负荷侧等，并且增加自然冷却使用时间。

PUE=1.25

大型数据中心整体采用常规方法做不到，以PUE=1.25为例

分析：达到此比例分配，可采用行间制冷或背板冷门，空调通风加湿减至最低，空调制冷占15%，采用自然冷却减少制冷耗电时间。自然冷却方式需要考虑更为极端。

4、PUE与其他因素关系

4.1PUE与IT能效

大型数据中心总耗电量大，评价数据中心节能的关键指标应该首先是IT设备的能效，其次是PUE值。我们建设数据中心，希望的是高产出低成本，每KW IT设备，处理能力越高越好，总耗电量越少越好。因此，评价数据中心能效应该包含两个指标：

IT能效PPW=最大运算能力/计算主机运行功耗：

SCCE=最大运算能力*实际运行CPU占用率/超算中心系统运行功耗：

数据的传输流量(吞吐量)级： 兆(106)字节/秒/Watt

图示：两指标体现了不同数据中心能效

分析

Ⅰ象限，IT设备能效高，PUE高，可通过节能改造降低PUE值

Ⅱ象限，IT设备能效低，PUE高，产出低，能耗高，不好

Ⅲ象限，IT设备能效低，PUE低，因为产出低，虽然能耗低，但也不好

Ⅳ象限，IT设备能效高，PUE低，是理想的绿色数据中心。我们的目标！

结论

不能单纯追求PUE值低,IT的高能效应该是考虑的首要因素，数据中心核心是IT,IT处理能力代表数据中心水平，基础设施均为IT服务的，因此IT能效低的数据中心不是好的数据中心。我们建设的数据中心应是IT能效高，PUE值低的数据中心。

4.2 PUE与总能耗/IT能耗/IT负载率

大型数据中心基地通常具有规模大，面积大，总耗电量大，IT设备耗电量大的特点。

(1)图示

(2)分析:

Ⅰ象限，总能耗高，IT设备能耗高，满负载，PUE高。可通过节能改造降低基础设施耗电，降低基础设施耗电占比，降低PUE值

Ⅱ象限，总能耗低，IT设备能耗低，部分负载，PUE高。在建设初期，可能出现这种情况，负荷率低，但基础设施按全部IT设备设计及运转，使得基础设施耗电占比大，PUE值高。需要通过模块化建设思路，提高IT负载率、提高基础设施利用率、降低PUE值。随负载提高，模块化灵活扩容。

Ⅲ象限，总能耗低，IT设备能耗低，部分负载，PUE低。在建设初期，可能出现这种情况，负荷率低，基础设施耗电也低，采用了模块化概念，PUE值低，用能比例相对理想。随负载率增加，进行模块化扩容，保证PUE相对低值。分期建设，在IT设备未满情况下，采用模块化设计理念，在发展过程中，是理想的绿色数据中心。

Ⅳ象限，终期目标：总能耗高，IT设备能耗高，满负载，PUE低。在IT全部满载情况下，是理想的绿色数据中心。

(3)结论:

大型数据中心基地，通常是规模大，面积大，一定是高运营能力，IT耗电量大，总耗电量大。

在满载的情况下，可以采取节能措施，降低基础设施耗电占比，从而降低PUE值。

但建设初期，可能会出现部分负载情况，如果按全部基础设施到位，全部开启，势必PUE值高，达不到节能目的。因此在部分负荷时，要引入“模块化”建设概念，使得IT设备与基础设施耗电同比增长，PUE值不变甚至降低。保证单位模组内，IT负载率高，PUE值低。

“模块化数据中心”建设理念，基础设施随IT设备规模模块化，能保证单位模块内,IT负载率高，PUE值低；随需求增长，灵活部署，迅速扩容，基础设施与IT设备同比例增长，PUE值保持低位。

4.3 PUE 与功率密度

数据中心发展趋势之一，是功率密度越来越大，每机柜IT设备耗电量越来越大，局部散热越来越大，需要特殊的制冷方式进行冷却。随之带来成本会成级数增加，包括建设成本与土地成本。

（1）图示

（2）分析：

1）在实现IDC同样处理能力要求下

Ⅰ象限，如果面积成本高，适当开发高密机架，达到高运算能力。适当的机柜成本投入，用机柜换面积。一般一线城市IDC策略。

Ⅱ象限，如果面积成本高，需要向高密度发展。

Ⅲ象限，如基地面积足够，面积成本低，没必要在高密度上投入大量成本。用面积换机柜，大面积满足运算能力。可以依比例设置高密机架，作为实验或者满足高端客户特殊需求。比如内蒙基地可以采用此策略。

Ⅳ象限，如果面积便宜，面积成本低，全部设置高密机架，机柜投入成本高，而且总电量需求大，如果外电条件有限，即使使用高密机架，电量配置不足时，面积空置，也是一种浪费。

2）结论

功率密度足够小，每机柜功率小，或者面积足够大，均靠自然冷却降温，不开启空调设备，全部电力输入，减去损耗，全部用于IT设备，PUE值接近1。功率密度大，每机柜功率大，面积很小，小到只有一个机柜大。采用机柜制冷方式，减少了空调通风耗电，PUE也可以比较低。

我们要做的，应该是合理的功率密度，合理的面积，控制PUE值。降低PUE值，付出的成本，应靠提高生产能力来平衡，换句话说，IDC高产，降低PUE是值得的。

5、PUE与成本关系

绿色数据中心的建设，为能源节约和利用做出贡献，但同时也需要建设方付出高昂成本。PUE数值代表了数据中心的工作效率，它绝不仅仅只是一个数值。它测量数据中心如何有效的使用输入电源，将电力消耗转化为实际生产力。我们建设的数据中心应是电能利用率高的数据中心。降低PUE值，付出的成本，应靠提高生产能力来平衡，换句话说，IDC高产，降低PUE是值得的。

采用节能措施投入的成本巨大，很少有企业能够拥有无限的投资资金。企业必须认真考虑，将每一分钱都要用在刀刃上。在考虑数据中心投资建设和运营过程中，能源利用效率的变化必须设定一个基准。在此基准之上，降低PUE，即降低运行成本，计算其需要付出的初投资。当IT设备功率一定时，降低PUE所采用的措施成本是可以计算的，其投资回收期也是可以预估的。

例如：一个IT耗电为20MW的数据中心，应首先确定一個PUE为1.8的建设模型，其基础设施配置、规模，对应投资做为基准。当PUE从1.8降低到1.5，PUE降低0.3，数据中心将可节省6MW电量，以电费为0.7元/kwh计算，将可节省年运行费用为4200万元。如果预订投资回收期2年为目标，那么所有采用的节能措施投资增加8400万为可接受目标。在PUE为1.8的常规数据中心投资基础上，可采用多种节能措施降低PUE，其初投资增长可接受范围为8400万元。如果希望PUE继续降低，如果达到此运行PUE的节能措施，其建设成本在可接受范围内，则可以考虑。如果超出成本范围，则需建设方谨慎决策。

6、结束语

近年来随着IT技术的大发展，越来越多的数据中心在全国各地拔地而起，数据中心高度集成和高耗能的特点，促使节能分析和研究的深度和广度逐步加强，越来越多的节能设计方案得到应用的，越来越多的节能产品得到推广。降低数据中心PUE值、实现数据中心的节能运行，具有重要的现实意义。但需要注意的是，在国内大型数据中心PUE数值有其合理的范围，寻求合理高效的数据中心应该是广大数据中心从业者的追求目标。