基于PUE 的通信機房能效評測方法研究

張 威，黃立麗

（1.遼寧郵電規劃設計院有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.中國聯合網絡通信有限公司沈陽市分公司，遼寧 沈陽 110000）

1 通信機房中PUE 的定義和計算公式

1.1 PUE 的定義

1.2 PUE 值計算公式

PUE 值的計算公式為

式中：PTotal為通信機房的總電能消耗；PIT為通信機房IT 設備電能消耗。通信機房總電能消耗為IT 設備的電能消耗、空調制冷系統的電能消耗、供配電系統的電能消耗以及輔助系統的電能消耗的總和[4]。

在通信機房PUE 值測量過程中，工作人員應當根據不同設備分別設置測量點再進行分攤計算，如圖1 所示。通信機房的計量儀表一般無法拆卸，往往存在PUE 值檢測區域邊界不清的問題。工作人員應當注重工作區域與行政區域電能消耗的詳細劃分，注重輔助區域電能消耗測量值的融入，結合通信機房的實際情況和所在樓宇的用電情況，科學準確地設置測量點，有效提高PUE 值的采集準確性。

圖1 通信機房計算PUE 值的測量點

1.3 基于PUE 值的能效評價指標

PUE 值是當下評價通信機房能源效率最基本和最有效的指標之一。PUE 值為1 代表著通信機房的能效為100%，即所有能耗都用于IT 設備的運行消耗，而PUE 值越大證明通信機房用于其他基礎設施部分的能耗越多[5]。依據PUE值評測的通信機房效率評級，如表1 所示。

表1 依據PUE 值確定的通信機房效率評級

PUE 數值評價指標衍生出了2 個新的指標，即制冷負載系數（Cooling Load Factor，CLF）和供電負載系數（Power Load Factor，PLF）。CLF 包括通信機房中冷卻塔、冷卻器、機房空調以及關鍵泵等基礎設施消耗的功率與IT 設備電能消耗的比值。PLF 包括開關設備、不間斷電源、配電專職等電能消耗與IT設備電能消耗的比值。CLF 與PLF 是對PUE 數值的補充與深化，有助于通信機房電能消耗評價的進一步細化提升。

2 基于PUE 的通信機房能源消耗分布

根據通信機房的能源消耗分布，PUE 值的計算公式可以改寫為

基于水利工程建設所處環境較為復雜，如果遇到軟土地基，就會增加施工難度系數，一旦地基處理不當，還會給整體工程建設質量構成威脅?；诖?，本文首先簡要論述了落實軟土地基處理技術的實際意義及關鍵施工技術，并結合實際工程案例，提出了切實可行的質量控制策略，旨在為業內人士提供有價值的參考意見。

一般情況下，IT 設備的電能消耗最高，普遍占據總電能消耗的50%左右，其次是制冷系統和供配電系統，而輔助系統的能耗占比基本處于5%以內。

2.1 供配電系統的能耗

供配電系統的能耗一般由不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統、高壓配電設備、變壓器設備、配電柜、線纜傳輸、電池、并機柜以及機架PDU 等部分組成。一般情況下的通信機房多采取UPS 的供配電方式進行供電。電網電壓通過UPS 整流器和逆變器供給負載，在配電過程中經歷由交流電變為直流電再變為交流電的轉化過程。在這一供電模式下，電能的每一次轉化都會產生一定的電能損耗。通信機房中的電纜損耗、內部變壓設備損耗以及電能變化冗余損耗等環節是供配電系統電能消耗的主要因素[6]。為解決這一問題，可以采取市電直供技術或通信機房體量縮小轉化的方式提高能效。市電直供技術是在供配電系統中放棄UPS 系統，采取由市電直供的方式進行通信機房的供配電，從而降低PUE 值測算中的總能耗。通信機房體量轉化是將大型通信機房轉變為小型通信機房，如騰訊T-BLOCK，從而減少變壓器設備、機房內線纜傳輸設備的使用能耗，有效減少通信機房總能耗。

2.2 制冷系統的能耗

制冷系統是通信機房中電能消耗的重要版塊。在機器運行和設備運轉的過程中，通信機房內的IT設備和供電系統等設施會產生大量熱量，而熱量過高會導致設備運轉問題或設備機能損傷，因此通信機房內需要大量的制冷系統，以保障通信機房內各設備的運行處于良好穩定的環境。通信機房內的制冷系統以空調設備、冷源設備以及新風系統為主。

空調制冷設備主要包括機房專用空調、濕度調節設備等；冷源設備主要包括冷水機組、冷卻塔、水泵、電動閥門、水處理設備等；新風系統主要包括新風預處理系統和送風系統等。

制冷系統是降低通信機房PUE 值的主要途徑。通信機房的節能措施基本圍繞降低制冷系統的能耗展開，可以采用自然冷卻技術或可再生能源制冷驅動技術等手段減少制冷系統能耗。自然冷卻技術指根據通信機房選址的氣候條件采取相應技術，充分利用自然資源，如引入室外冷空氣配合制冷、機房選址建設于常年寒冷地區等方式輔助進行制冷工作，有效減少機械制冷的比重，從而大幅降低制冷系統能耗?？稍偕茉粗评潋寗蛹夹g指將太陽能、風能等可再生能源應用到制冷系統能源消耗，運用可再生能源實現制冷系統的驅動，從而有效減少電能在制冷系統中的應用，提高制冷系統能效。

2.3 輔助系統的能耗

通信機房中的能耗組成不僅包括工作設施的能耗，還包括其他輔助設施的電能消耗，主要包括照明設備、安保防護設備、消防滅火設備、通信機房傳感器設備、機房中心管理系統以及監控系統等部分的電能消耗。輔助系統是通信機房工作運行過程中不可或缺的組成部分，是保障通信機房工作安全的重要支撐，一般情況下難以在輔助系統層面落實有效的節能措施，更加需要新興技術的應用。例如，大部分通信機房采用發光二極管（Light Emitting Diode，LED）智能照明系統，顯著提高了照明系統的能源利用率。

3 通信機房中共享系統的測量與分攤

通信機房共享系統局部能耗（pPUE）測算，應當立足于通信機房總能耗進行區域劃分，根據分區不同可以表示為C1或C2（制冷設備能耗）、P1或P2（供配電設備能耗）等，進行測量與分攤計算。

3.1 供配電系統的測量與分攤

供配電系統的電能損耗基于UPS 系統的影響，主要包括空載損耗和帶載損耗兩個組成部分。在進行測量和分攤計算時，工作人員應當基于通信機房的實際使用情況進行區分計算。

空載損耗指UPS 中變壓器、邏輯板、通信卡、電容等設備運行的損耗。只要UPS 系統處于開機運行狀態，空載損耗就始終存在。UPS 空載損耗分攤計算公式為

式中：PU空為UPS 系統的空載損耗；P設1和P設2為不同分區下設計的供配電系統滿載功率。

帶載損耗是指UPS 在運行負載后所產生的損耗。帶載損耗與空載損耗呈現包含關系。所增加損耗部分主要指UPS 系統中半導體電力電子器件的通態與開關損耗，具體分攤計算公式為

式中：PU帶和PU空為UPS 的帶載損耗和空載損耗；P實1和P實2為不同分區下供配電系統的實際運行功率。

3.2 制冷系統的測量與分攤

制冷系統能耗是通信機房主要的電能消耗部分。機房冷源系統分攤能耗為冷源系統總能耗和單個機房冷量的乘積與整個冷源系統供冷量的比值。在分攤計算過程中，應當基于Q=CmΔt熱能公式中水流量與供水溫差的乘積與冷量成正比的理論進行分攤計算，具體公式為

式中：PC分和PC總為冷源系統的分攤能耗和總能耗；V分和V總實冷凍水的分水流量和總水流量；Δt分和Δt總為冷凍水的分供回水溫差和總供回水溫差。

在測算通信機房的制冷系統能耗時，應當首先利用智能電表測量冷源系統的總能耗，其次運用溫度計和流量計測量總分區域的水流量和溫度數據，最后利用公式進行PUE 值的數據測算。

3.3 輔助系統的測量與分攤

輔助系統由于施工困難以及測算難度的制約，往往只能測量能耗總量，難以進行局部的精準分攤測算。但是，由于輔助系統的普適性和共享性，在進行輔助系統局部PUE 值測算時，可以采用簡單的面積法進行分攤計算。例如，通信機房輔助系統中照明系統能耗的分攤計算公式為

式中：PL分和PL總為照明系統的分攤能量消耗和總能量消耗；S分和S總為分攤照明面積和總照明面積。

4 基于PUE 的通信機房能效評測技術

4.1 通信機房PUE 值測量方法

綠色發展時代背景下，將PUE 值作為通信機房的標準能效指標已經成為當下行業領域廣泛認可的評價標準。在具體測量過程中如何開展通信機房PUE測量，如何處理測量過程中的應用實踐問題，是一線從業人員需要探索和落實的工作要點。工作人員可以3 方面開展通信機房PUE 值的測量評測。第一，建立一套標準的通信機房子系統分類，主要包括IT 負載、物理基礎設施負載、不在通信機房電能消耗計算范圍內的負載3 個版塊。其中，IT 負載主要包括服務器、存儲設備、網絡設備、災難恢復負載以及網絡運營中心內的IT 設備；物理基礎設施負載主要包括供配電系統設施、制冷系統設施；不在通信機房電能消耗計算范圍內的負載主要包括預備能源系統、個人辦公區域負載等。第二，對于某通信機房能耗無法被直接測量的子系統，應用標準化方法進行子系統功率的估量，從而盡可能貼合子系統能耗真實數據，如冷水機組的共享能源損耗。第三，對于受制于技術水平制約無法進行PUE 值測量的通信機房子系統，可以采取標準化方法估計子系統能耗，如配電單元的能源損耗等。

4.2 PUE 值的測量周期和頻率

通信機房的PUE 數值容易受到外界多樣化因素的影響和制約，如不同時段的氣候條件、機房使用頻次以及季節變化等。在進行基于PUE 的通信機房能效評測時，應當注重評測數據的全面性和準確性，采取固定測量儀表以及定期、長期的能耗測量手段進行數據評測。只有高頻率、穩定周期、多樣化環境條件的通信機房能效評測設計，才能真正獲取反映通信機房真實能效的PUE 數值。因此，建議通信機房能效評測采取以下測量周期和頻率。第一，基于不同季節劃分進行年度測量，每年至少測量4 次通信機房PUE數據。具體頻率劃分為選取每個季節時段中的一個月進行數值測量，保障PUE 數值囊括不同的氣候條件。第二，每個測量時段的持續時間應當不少于3 d。在PUE 數值測量當月的5 號、15 號和25 號進行分散測量。第三，每天PUE 數值測量應當不少于2 次，在當天的通信機房高速運行時段和空閑時段分別進行PUE 能效數值評測。第四，每次測量時間不得少于60 min，保證PUE 數值測量的穩定性，或選取3 次PUE 測量值的平均值數據進行記錄。第五，明確記錄每次測量的步驟環節和測量時間，保障PUE 數值測量各環節以及各階段的同步性和有效性，注重測量周期和測量頻率的科學嚴謹，并將其明確呈現在評測報告中。

4.3 通信機房PUE 值評比方法

基于PUE 值的通信機房能效評比方法可以大概分為基準值比較法和TOP 排名法2 種。

基準值比較法指通過比較目標通信機房與標準通信機房的PUE 值大小判斷通信機房能效水平，包括模型分析法、平均值法和最低值法3 種選取方式。模型分析法指基于通信機房的實際情況和當地普遍測算結果進行測算數據的假定分析；平均值法是將各項條件相似的同一類機房的數據取平均值，參考能效管理中等通信機房進行基準值的選取；最低值法指將目標通信機房的PUE 值按照大小順序進行排列，選取其中最小的PUE 值作為基準值進行評比分析。

TOP 排名法是以PUE 數值為排列依據，PUE 數值較低的機房能效評測效果好，PUE 數值較大的通信機房能效評測差。工作人員可以基于TOP 排名結果進行綠色通信機房的稱號評比，通過具體獎項作為刺激點，實現通信機房綠色高質量發展。

5 結 論

在綠色發展背景下，通信機房應當積極落實節能減排的基本要求，基于PUE 數據充分了解和掌握自身能效水平，從而有效促進通信機房的高質量發展。工作人員應當實施通信機房PUE 值評測，注重評測頻率和評測周期的科學有效性，利用基準值或TOP排名法進行能效評比，從而了解通信機房自身節能水平和能耗問題，助力通信機房的節能發展。