不同制冷方式對數(shù)據(jù)中心PUE值影響分析

（1.北京節(jié)能環(huán)保中心；2.中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 引言

近年來，數(shù)據(jù)中心數(shù)量高速增長，伴隨增長的還有高能耗，相關調研結果顯示，2019 年，全球IDC 電力消耗總量占全球電力總消耗量的3%。我國數(shù)據(jù)中心2018 全年耗電量達到1609 億千瓦時，占中國全社會用電量的2.35%，超過上海市2018 年全社會用電量（1567 億千瓦時），而且數(shù)據(jù)中心耗電量還以每年約10%的速度增長，預計到2023 年，全國數(shù)據(jù)中心年耗電量將達到2668億千瓦時。

PUE（Power Usage Effectiveness）是當前業(yè)內(nèi)評價數(shù)據(jù)中心能源利用效率的一個重要指標。

隨著技術進步，我國數(shù)據(jù)中心PUE值不斷下降，PUE 值大于2.0 的數(shù)據(jù)中心從2012 年的34.6%下降到2019 年的2%，但依然有85%的數(shù)據(jù)中心的PUE值在1.5～2.0 之間。以2019 年為例，全國數(shù)據(jù)中心消耗了兩座三峽水電站的電能，其中只有一座三峽水電站的電能真正用在IT 服務器上，而另外一座三峽水電站的電能用在了服務器輔助設施上，其中空調系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總耗電量的40%。

2 不同制冷方式數(shù)據(jù)中心PUE檢測情況

根據(jù)2020 年北京市節(jié)能監(jiān)測工作安排，北京節(jié)能環(huán)保中心組織相關專業(yè)機構對數(shù)據(jù)中心運行方式、典型工況能效水平進行統(tǒng)計實測，深入挖掘數(shù)據(jù)中心節(jié)能潛力。本文選取10個典型情況進行分析。

10 個數(shù)據(jù)中心設計負載91769kW，機架數(shù)19772 個，年用電量4.49 億kW·h。其中，IT設備總用電量3.32億kW·h，主要耗電量的分布情況如圖1所示。

圖1 10個數(shù)據(jù)中心能耗分布示意圖

10 個數(shù)據(jù)中心全年平均PUE 能效監(jiān)測結果見表1。

表1 數(shù)據(jù)中心節(jié)能監(jiān)測PUE結果

3 結果分析

3.1 不同制冷方式對數(shù)據(jù)中心PUE 影響分析

對10 個典型數(shù)據(jù)中心全年平均PUE進行分析，PUE最高值為1.878，最低值為1.113。其中3 個水冷型數(shù)據(jù)中心單位年平均PUE小于1.4（北京市地方標準《數(shù)據(jù)中心能源效率限額》（DB11/T1139-2019）規(guī)定的限定值），最低為1.113；5個風冷和水冷配合使用的數(shù)據(jù)中心年PUE 在1.4-1.5；2個風冷型的數(shù)據(jù)中心年平均PUE大于1.6。不同制冷方式數(shù)據(jù)中心PUE分布如圖2所示。

圖2 10個典型數(shù)據(jù)中心年平均PUE

3.2 數(shù)據(jù)中心PUE 與空調系統(tǒng)綜合制冷性能系數(shù)（SCOP）關系分析

理想狀態(tài)下，數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)綜合制冷性能系數(shù)（SCOP）為IT 設備能耗與制冷系統(tǒng)的能耗的比值。將10 個數(shù)據(jù)中心年平均PUE和SCOP進行對比發(fā)現(xiàn)，兩者之間呈現(xiàn)很大程度相關性，數(shù)據(jù)中心SCOP越高，對應PUE值越低（見圖3）。

圖3 10個數(shù)據(jù)中心的年平均PUE和年平均SCOP關系圖

假定某一數(shù)據(jù)中心IT 設備年耗電量為5000 萬kW·h，除制冷系統(tǒng)外的其他基礎設施（應急、照明、辦公、配電損耗等）年耗電量為700 萬kW·h。通過改變不同制冷方式，調整數(shù)據(jù)中心的SCOP 值，數(shù)據(jù)中心的PUE值模擬結果見表2。

表2 PUE值隨SCOP值變化模擬結果

根據(jù)模擬結果繪制某數(shù)據(jù)中心SCOP與PUE的關系見圖4。

圖4 某數(shù)據(jù)中心年平均PUE和SCOP模擬結果

模擬計算結果表明，隨著SCOP 值增大，PUE 值下降，但SCOP 的影響程度逐漸減弱，因此，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)設備能效選型要充分考慮系統(tǒng)實用性和經(jīng)濟性。

4 結語

文章對實際運行數(shù)據(jù)中心的制冷方式和PUE相關性分析得出結論。

①制冷方式對數(shù)據(jù)中心PUE 值影響很大，自然冷源利用程度越高，數(shù)據(jù)中心PUE值越低，水冷型數(shù)據(jù)中心在對自然冷源的利用上明顯高于風冷型數(shù)據(jù)中心。

②數(shù)據(jù)中心PUE 和SCOP 兩者之間呈現(xiàn)很大程度相關性，數(shù)據(jù)中心SCOP 越高，對應PUE值越低；隨著SCOP值增大，其對PUE影響程度逐漸減弱。