0 引言
數(shù)據(jù)中心近十年來如雨后春筍般拔地而起，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問題也越來越引人注目。如何界定綠色數(shù)據(jù)中心?國際上尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前比較通行的評價指標(biāo)是PUE ( Power Usage Effectiveness，電能使用效率)，PUE是一個比率，無量綱，取值大于1,PUE值越小越好，國內(nèi)已建成的數(shù)據(jù)中心大多在2. 5以上，歐美國家在2左右。
1 PUE定義
PUE概念最早由Christian Belady提出，并由業(yè)內(nèi)頗具影響力的綠色網(wǎng)格組織TGG (The Green Grid)發(fā)展和完善，TGG在2007年給出的定義是:
筆者把TFP劃分為ITEP和非IT設(shè)備功率NITEP(Non-IT Equipment Power)，非IT設(shè)備可以理解為基礎(chǔ)設(shè)施，于是該公式可以改寫為:
從公式來看，要降低PUE，只能減小非IT設(shè)備耗電量和增大IT設(shè)備耗電量，但是非IT設(shè)備與IT設(shè)備耗電量是有關(guān)聯(lián)的，不是獨(dú)立的變量，在數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)營的情況下，一般兩者同升同降，但不是簡單的線性關(guān)系。實(shí)際運(yùn)用中，往往不會改變IT設(shè)備，只有通過采取節(jié)能措施降低非IT設(shè)備的耗電量來降低PUE，這是一般的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營管理人員或合同能源管理提供商能做的。
2 PUE提出的目的
數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備本身及部署的功率密度值突飛猛進(jìn)，數(shù)據(jù)中心的耗電量白然就會水漲船高，運(yùn)營成本費(fèi)用中，電費(fèi)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他運(yùn)營費(fèi)用，這引起了人們的廣泛關(guān)注并著手研究這個課題。在綠色節(jié)能大潮的引領(lǐng)下，節(jié)能減排勢在必行，初步研究發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的用電量比IT設(shè)備本身用電量大1倍甚至2倍以上�；A(chǔ)設(shè)施是為IT設(shè)備服務(wù)的，這有點(diǎn)喧賓奪主的味道。PUE提出的目的就是要降低基礎(chǔ)設(shè)施的費(fèi)用成本，這也是一般運(yùn)營管理人員能夠做的。
3 PUE的動態(tài)變化
我們知道，無論是IT設(shè)備還是非IT設(shè)備，這些負(fù)荷耗用的電功率隨著時間的變化而變化，這種變化是無序的。它既受季節(jié)變化的影響，也與其他因素有關(guān)。如，數(shù)據(jù)中心前年增加了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，要求照明燈一直開著;去年又對新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將傳統(tǒng)的新風(fēng)機(jī)換成全熱交換器;今年剛剛發(fā)生的某個事件導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的訪問量暴增;精密空調(diào)的壓縮機(jī)、加濕器、再熱器等等需要經(jīng)常自動啟停;UPS在逆變和自動旁路工作模式之間自動切換等等，這些因素都會導(dǎo)致PUE每時每刻都在變化。所以我們研究PUE,不能僅看某個時刻的靜態(tài)PUE值，還要看它每天、每月或者每年的PUE值，進(jìn)行“環(huán)比”和“同比”，研究它的動態(tài)變化趨勢。
4 PUE特指電能使用效率
PUE (Power Usage Effectiveness)是電能使用效率而不是能源使用效率EUE ( Energy UsageEffectiveness )。能源的概念很廣，有可再生的和不可再生的，這些能源和電能之間的換算很難，TGG組織建議采用換算因子進(jìn)行換算，筆者認(rèn)為不太可取，我們的目的是節(jié)能減排，增加可再生的清潔能源的使用，由于技術(shù)水平上的差異，各個國家在不同時期的換算因子也應(yīng)該是不同的，很難統(tǒng)一。所以，筆者建議:鼓勵數(shù)據(jù)中心因地制宜地利用太陽能、風(fēng)能、水能、空氣能(作為冷源使用)、天然冷卻水源、熱電聯(lián)產(chǎn)中的副產(chǎn)品熱能、冶金化工等行業(yè)的廢熱等等，這些能源不在PUE的計算之列。
5 PUE是相對于IT設(shè)備而言的，它也是評價基礎(chǔ)設(shè)施電能使用效率的指標(biāo)
從PUE公式來看，減小NITEP和增大ITEP都會實(shí)現(xiàn)PUE的降低，這里筆者把基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)稱為非IT設(shè)備，便于研究和理解這兩個對立面之間的關(guān)系，下面分三種情況進(jìn)行討論:
a.非IT設(shè)備一次性建設(shè)，IT設(shè)備分期部署，這是現(xiàn)實(shí)中較常見的模式，隨著IT設(shè)備的逐漸部署，ITEP也逐漸增大，PUE應(yīng)該呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。
b.非IT設(shè)備和IT設(shè)備同步分期建設(shè)與部署，PUE值在一定范圍內(nèi)波動，并很有可能略有降低。
c.據(jù)中心建設(shè)的常見模式，這給在漫長的運(yùn)營周期內(nèi)改善PUE水平提供了很好的條件。我們可以持續(xù)地逐步改進(jìn)PUE水平，并進(jìn)行“環(huán)比”和“同比”，我們所能做的主要是采取措施降低NITEP。非IT設(shè)備是為IT設(shè)備服務(wù)的，在保持IT設(shè)備不變的情況下去減小NITEP，這就是PUE提出的主旨。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的用電量減小了，數(shù)據(jù)中心的電能使用效率也就提高了。
PUE是相對于IT設(shè)備而言的，如第a種情況所述，在非IT設(shè)備數(shù)量不變的情況下，IT設(shè)備開啟一臺與開啟兩臺相比，PUE值相差較大，要維持PUE值在理想的水平，運(yùn)營管理人員應(yīng)按需開啟非IT設(shè)備，避免不必要的浪費(fèi)。所以我們在數(shù)據(jù)中心日常管理過程中，需要時刻掌控PUE的變化趨勢，分析判斷這種變化的原因.以便做出正確的決策。
6 PUE必須是在數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)營時測量才有效
從上文中我們知道，PUE是動態(tài)變化的，無論是在數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期的試運(yùn)行階段(這個階段通常IT設(shè)備僅開啟少數(shù)的幾臺)，還是在建成后的正式運(yùn)營階段，或者是在突發(fā)故障應(yīng)急運(yùn)行階段(如非IT設(shè)備總電源開關(guān)故障)，其PUE值都是不一樣的，甚至可能差別很大。舉一個極端的例子，若采用市電直接對IT設(shè)備供電，關(guān)掉其他非IT設(shè)備，這時PUE值近似等于I，但我們不能說該數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)異，也許這種狀況只能維持Ss就有服務(wù)器死機(jī)或宕機(jī)了。所以，必須在數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)營時測量的PUE才是有效的。
7 同一數(shù)據(jù)中心不同時期的PUE值比較更有意義，不同數(shù)據(jù)中心PUE值比較意義不大
所有軟硬件配置都相同的數(shù)據(jù)中心，地域不同PUE值可能也不同，所以不同地域的數(shù)據(jù)中心的PUE值比較意義不大。但是，在規(guī)劃設(shè)計時，PUE可以提供一些有益的指導(dǎo)，如指導(dǎo)我們進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的選址和設(shè)備的選型;一旦數(shù)據(jù)中心建成投人正常運(yùn)營后，我們應(yīng)監(jiān)測PUE的變化，并將每周、每天甚至是每天不同班次的PUE值進(jìn)行比較，這樣也有利于促進(jìn)人們養(yǎng)成人走關(guān)燈關(guān)門、多風(fēng)涼爽的天氣采用自然通風(fēng)而少開新風(fēng)機(jī)、盡量少進(jìn)出機(jī)房等良好的機(jī)房用電習(xí)慣，日積月累，節(jié)約的電能是可觀的。
對數(shù)據(jù)中心建筑本身的維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔熱保溫的節(jié)能改造，對機(jī)房內(nèi)IT設(shè)備進(jìn)行分類布局、提高部署密度、優(yōu)化氣流組織等改進(jìn)措施，調(diào)整數(shù)據(jù)中心所有設(shè)備低負(fù)荷全用模式為部分設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)行和部分整機(jī)待命備用模式，調(diào)整精密空調(diào)設(shè)定的送回風(fēng)溫度和相對濕度允許波.動范圍，改干冷器為水冷冷凝器，改直接蒸發(fā)式制冷為冷水機(jī)組供冷，改多臺小型冷水機(jī)組為少數(shù)幾臺大型離心式冷水機(jī)組，部分季節(jié)采用天然冷源給數(shù)據(jù)中心供冷，這些措施對降低PUE值是有幫助的，雖然這些措施需要增加費(fèi)用，有的措施甚至還會大幅增加費(fèi)用，但經(jīng)過綜合評估從長遠(yuǎn)來看還是值得的。在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營管理過程中，我們不但要用好現(xiàn)有的技術(shù)手段，還要不斷學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的最新技術(shù)并應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排改進(jìn)中來。
8 PUE相關(guān)物理量的測量必須在同一時刻或同一時間段內(nèi)進(jìn)行
PUE是通過計算總設(shè)施功率TFP (Total FacilityPower)和IT設(shè)備功率ITEP (IT Equipment Power)的比值得來的，但總設(shè)施功率TFP和IT設(shè)備功率ITEP的測量必須在同一時刻或同一時間段內(nèi)進(jìn)行。實(shí)際應(yīng)用中，PUE值可以通過自動化儀表或者軟件直接讀出，通過實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)中心每一路輸入有功電功率，按一定的頻率同步采集信號并分別計算總設(shè)施功率TFP和IT設(shè)備功率ITEP算術(shù)和后的比值，實(shí)時顯示出來，可以查詢或同時顯示日PUE、周PUE,月PUE、年P(guān)UE等等，也可以自定義時段進(jìn)行查詢或顯示PU變化趨勢圖表，這些時段的PUE是通過把對應(yīng)時間區(qū)段內(nèi)采集到的離散數(shù)據(jù)先求和再求比值得出的。
總設(shè)施功率TFP和IT設(shè)備功率ITEP計量的是有功電功率，單位為kW，如果采用普通電度表計量，可以用電度表在該時段始末時刻讀數(shù)的差值除以該時段時間，就得出了該時段的加權(quán)平均有功電功率。
我們常聽說的某某數(shù)據(jù)中心報告的PUE達(dá)到多少多少，實(shí)際上可能是其在某個時刻出現(xiàn)的最小值，不具有代表性，并不能說明其PUE的真實(shí)水平，僅能用于該數(shù)據(jù)中心PUE的實(shí)時監(jiān)測比較，要和其他同類數(shù)據(jù)中心PUE比較，筆者認(rèn)為至少是用年平均PUE才能說明一些問題。
9 PUE的比較不考慮經(jīng)濟(jì)因素。僅僅是技術(shù)上的比較
這一點(diǎn)很容易理解，雖然PUE是一個比率，但是分子分母都不是貨幣單位，降低PUE值并不是為了省錢。在規(guī)劃設(shè)計時力求降低PUE值，其結(jié)果往往是一次性建設(shè)成本的大幅提高，同時帶來預(yù)期用電量的減少;在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營過程中采取措施降低PUE值也會產(chǎn)生一些改造費(fèi)用，同時也會帶來改造完畢后用電量不同程度的減少。這一增一減，降低了PUE值，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。
10 數(shù)據(jù)中心邊界不同得出的PUE值不同
對于一個新建的僅使用電能的獨(dú)立數(shù)據(jù)中心建筑，數(shù)據(jù)中心的用電設(shè)備基本可以分成兩類，IT設(shè)備和非IT設(shè)備，識別這兩類設(shè)備也很容易，不同的人計算出來的PUE也一致。但是，這種數(shù)據(jù)中心往往只有極少數(shù)，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心所在建筑是多用途的，供給它的能源也是多種多樣的，數(shù)據(jù)中心僅分?jǐn)偭似渲械囊徊糠�。哪些電�?或折算成電能)應(yīng)該計算在列，哪些不應(yīng)計算在列，計算在列的究竟分?jǐn)偠嗌俦壤�，不同的人有不同的見解，這也使計算數(shù)據(jù)中心的PUE變得異常復(fù)雜，得出的結(jié)果自然也會大相徑庭。
對于這種邊界模糊的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)該制定統(tǒng)一的PUE計算原則，識別數(shù)據(jù)中心所有相關(guān)設(shè)備，明確哪些是應(yīng)計算在列的數(shù)據(jù)中心設(shè)備，哪些是不應(yīng)計算在列的非數(shù)據(jù)中心設(shè)備，哪些計算在列的數(shù)據(jù)中心設(shè)備是IT設(shè)備，哪些是非IT設(shè)備，對于非IT設(shè)備還要明確是數(shù)據(jù)中心獨(dú)用還是共用，共用的要明確分?jǐn)偙壤�，這些原則未必是最合理的，但是，只要我們始終如一秉承這些原則，就可以正確評估各種節(jié)能改進(jìn)措施是否合理，指導(dǎo)我們不斷調(diào)整改進(jìn)節(jié)能方案以進(jìn)一步降低PUE值，達(dá)到節(jié)能減排的目的。
對于有使用可再生能源(如太陽能、風(fēng)能等)的數(shù)據(jù)中心，TGG認(rèn)為不應(yīng)計算在列，而且認(rèn)為對PUE沒有影響。對此筆者有不同見解，不管數(shù)據(jù)中心是如何利用這種非電能源的，只要這種能源的利用對節(jié)能減排有利并且確實(shí)降低了數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的用電量，那么就對降低PUE值有貢獻(xiàn)，這與國外某些PUE值超低的數(shù)據(jù)中心充分利用天然的冷源給IT設(shè)備降溫以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是一回事。所以，對于使用某些非電能的數(shù)據(jù)中心，如太陽能、風(fēng)能等可再生能源，可利用的廢熱、余熱，天然的低溫水源和空氣能等等，這些能源雖不計算在列，但是合理利用這些能源可以大大減小數(shù)據(jù)中心的市電用電量，并且很有可能降低PUE值。
11 PUE測量的分類
隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的火熱進(jìn)行，在PUE問世的短短五六年間，PUE得到了廣泛認(rèn)可和不斷發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心的PUE紀(jì)錄在不斷刷新，在賺足媒體目光獲得巨大廣告效應(yīng)的同時，人們開始質(zhì)疑PUE測量的公正性和權(quán)威性。為此，TGG提出數(shù)據(jù)中心PUE的測量分為4類:PUE0, PUE1, PUE2和PUE3，如表1所示。
表1 PUE測量的分類
上述PUE0-3使PUE的測量具有一定的公正性，避免出現(xiàn)模棱兩可的情況。如PUEO中分子分母均采用一年內(nèi)的最大值，PUE1-3中分子分母均為年耗能，從PUE0到PUE3，測量的等級要求越來越高。而且，PUE1-3分子分母均不限于電能，可包括某些非電能源，如數(shù)據(jù)中心的澳化鏗冷水機(jī)組使用的燃?xì)�、柴油、煤炭等燃料需折算在�?nèi)(PUE0用于僅使用電能的數(shù)據(jù)中心)，避免不同數(shù)據(jù)中心使用不同能源產(chǎn)生的計算分歧。對于某些數(shù)據(jù)中心使用天然氣進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的情況，只要數(shù)據(jù)中心對熱和電進(jìn)行合理的綜合利用，減少能源浪費(fèi)，應(yīng)該可以降低PUE值。如果僅利用其電能，仍然采用電冷機(jī)，未利用余熱進(jìn)行制冷，對熱能棄之不用，對PUE是沒有好處的，因為生產(chǎn)同樣的電能，會比專業(yè)熱電廠耗費(fèi)更多的天然氣，這對節(jié)能減排不利。
12 PUE帶給我們的啟示
PUE提出的初衷是希望合理減小數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的耗電量，更多地使用可再生能源，最終目的是節(jié)能減排，而不是一味地追求低PUE值。不同數(shù)據(jù)中心盲目地攀比PUE不可取。正如PUE創(chuàng)始人Christian Belady所說:“我并不在意你的PUE是1. 25還是1. 5，只要你在關(guān)注這個問題，同時又在不
斷取得進(jìn)步就足夠了。”
13 PUE的局限性
我們知道，對于一個現(xiàn)成的數(shù)據(jù)中心，基礎(chǔ)設(shè)施耗電減少IW只能帶來整個數(shù)據(jù)中心節(jié)能m，如果IT設(shè)備耗電減少Iw，整個數(shù)據(jù)中心就可能節(jié)能2 W，甚至更多。但是IT設(shè)備節(jié)能1W對PUE是沒有幫助的，這就是PUE的局限性，它不能衡量數(shù)據(jù)中心整體的電能使用效率。也不能衡量IT設(shè)備本身的電能使用效率，僅僅是衡量基礎(chǔ)設(shè)施的電能使用效率。PUE值低說明大部分電能都用在IT設(shè)備上。我們希望找到一個公認(rèn)的能夠體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心整體或者是體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備電能使用效率的指標(biāo)，這個指標(biāo)應(yīng)該是單位電能的產(chǎn)出，有量綱的，雖然已經(jīng)有許多專家學(xué)者提出了眾多指標(biāo)，但到目前為止還沒有一個能像PUE一樣得到廣泛認(rèn)可。
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本文標(biāo)題：解讀綠色數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)
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