數據中心局部電能利用效率測算方法與實證研究

陳 策 于 賢

(中國移動通信集團河北有限公司,石家莊)

0 引言

當前,數據中心蓬勃發展,建設數量和規模逐年擴大。截至2020年,我國在用數據中心機架總規模達到400萬架,與此同時,數據中心能耗問題也日益凸顯。根據相關測試研究,一般建筑的能耗基本為100 W/m2[1],而數據中心的能耗是商業建筑的10倍左右,某些大型數據中心能耗可高達3 000 W/m2[2]。因此,如何降低數據中心能耗成了當前關注的焦點問題[3]。

節能降耗的前提是先對數據中心的能耗進行評估[4]。對于數據中心的能效測評,電能利用效率(power usage effectiveness,PUE)是當前普遍用于衡量數據中心能效水平的基本指標[5]。PUE主要反映了整個數據中心的用能效率,但不能反映數據中心不同分區的電能利用效率,由此引入局部電能利用效率(partial PUE,pPUE)的概念,但對于pPUE的計算方法還相對模糊,尤其是不同能耗的分攤問題仍存在值得探討的地方。

基于此,本文將PUE的能耗構成引申到pPUE的測算,通過建立分區內IT設備、空調末端、電源損耗、冷源系統和其他系統用電量的分攤模型,形成數據中心pPUE的測算方法,最后選取數據中心典型機房進行pPUE測算和實證研究,進一步驗證其可實踐性和可操作性。

1 pPUE能耗構成

根據PUE的計算方法,數據中心的能耗主要由4個部分組成：IT設備能耗、空調制冷系統能耗、供電系統能耗及照明等其他能耗[6-7]。

pPUE作為PUE概念的延伸和推廣,用于單個或部分機房、區域的能效評價。在pPUE計算過程中,數據中心的某個模塊機房或某個模塊機房內的某幾列機柜均可作為1個pPUE計量分區。分區內能耗若可以獨立計量,則分別統計各部分能耗;若無法獨立計量,則需進行能耗合理分攤。

依據相關分析,分區內能耗構成包括分區內IT設備能耗M1、分區內空調末端分攤能耗M2、分區內冷源系統分攤能耗M3、分區內供配電系統分攤能耗M4、分區內其他系統分攤能耗M5。則pPUE計算公式如下：

(1)

式中p為局部電能利用效率(pPUE)。

2 pPUE測算方法

2.1 分區內IT設備能耗M1

M1計算公式如下：

(2)

式中n為IT設備數量;PITi為數據中心分區內單個IT設備能耗,kW。

2.2 分區內空調末端分攤能耗M2

對于常規數據中心,每個機房配備1個電力電池室為IT設備供電,機房和電力電池室分別有獨立的空調區,一般每個空調區能耗可以單獨計量。在計算分區內空調末端能耗時,可根據分區內IT設備能耗占比進行分攤。

因為電源損耗也是分區內能耗的一部分,所以既需要對機房空調區能耗進行分攤,又需要對電力電池室空調區能耗進行分攤。一般情況下,數據中心單個機房的邊界比較清晰,較容易獲取各項計算參數,如計算某機房部分機柜分攤能耗,則以該部分機柜IT設備能耗與所屬機房的IT設備能耗比值作為分攤系數,其他情況可以此邏輯作為參照進行核算,計算公式如下：

(3)

式中PAC為機房空調區能耗與電力電池室空調區能耗之和,kW·h;PIT為分區所屬機房IT設備能耗,kW·h。

2.3 分區內冷源系統分攤能耗M3

對于采用水冷空調系統的數據中心,根據分區內供冷量與冷源制冷量的比值進行冷源系統能耗分攤[8],其中分區內供冷量依據冷水支管路流量及溫差進行計算[9]。在工程實踐中,主管路流量、溫度等參數較容易獲取,但支管路因流量計和溫度計配置數量及位置限制,一定程度上獲取計算參數的難度較大。

結合現場實際,一般機房冷負荷可以根據IT功率等參數進行計算。冷源系統制冷量可以根據熱量公式進行計算。冷源系統冷水機組、冷水循環泵、冷卻水泵和冷卻塔能耗可以直接獲取。

因此,參照制冷能效比的定義,引入單位制冷量能耗的概念,即在核算時間范圍內冷源系統設備消耗的電能與單位時間內制冷量之比。則分區內冷源系統分攤能耗為分區內冷負荷與冷源系統單位制冷量能耗的乘積,計算公式如下：

M3=QZ(KWC+KH+KP+KT)

(4)

式中QZ為分區內冷負荷,kW;KWC為冷水機組單位制冷量能耗,kW·h/kW;KH為冷水循環泵單位制冷量能耗,kW·h/kW;KP為冷卻水泵單位制冷量能耗,kW·h/kW;KT為冷卻塔單位制冷量能耗,kW·h/kW。

對于分區內冷負荷QZ,根據分區內IT設備能耗占比,對機房及其對應的電力電池室冷負荷之和進行分攤,計算公式如下：

(5)

式中Qj為分區所屬機房的冷負荷,kW;Qd為分區所屬電力電池室的冷負荷,kW。

Qj主要包括IT設備散熱量、機房外墻等圍護結構傳熱量、外窗太陽輻射及照明冷負荷。其中IT設備散熱量數值基本等同于IT設備負載功率;機房外墻等圍護結構傳熱量、外窗太陽輻射及照明冷負荷,原則上需通過負荷軟件進行計算,但因其占比較小,從操作便捷角度考慮可按機房面積進行估算,結合設計經驗,一般取100 W/m2。根據該項目所在地區和實際運行情況,本文暫取100 W/m2。

Qd主要包括電源設備散熱量,機房外墻等圍護結構傳熱量,外窗太陽輻射,人員、照明及電池發熱量等冷負荷。不間斷電源(UPS)、高壓直流(HVDC)、開關電源等電源設備冷負荷為電源設備散熱量;機房外墻等圍護結構傳熱量、外窗太陽輻射、人員及照明冷負荷同上,本文暫取100 W/m2;電池發熱量原則上按不同電池組合的發熱系數進行計算,但因其占比較小,從操作便捷角度考慮并結合設計經驗,暫取50 W/m2。

對于單位制冷量能耗,根據冷水機組的熱能守恒定律公式,冷卻水系統的散熱量等于冷水系統的制冷量與壓縮機做功的散熱量之和。因此,冷水系統制冷量和冷卻水系統散熱量是不相等的,應分別進行計算。

依據熱量公式,冷水系統制冷量計算公式如下：

(6)

式中QC為冷水系統制冷量,kW;cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃);ρ為水的密度,kg/m3;q為水流量,m3/h;ΔtC為冷水溫差,℃。

依據熱量公式,冷卻水系統散熱量計算公式如下：

(7)

式中QW為冷卻水系統散熱量,kW;ΔtW為冷卻水溫差,℃。

冷水機組、冷水循環泵、冷卻水泵、冷卻塔單位制冷量能耗計算公式見式(8)～(11)。

(8)

(9)

(10)

(11)

式(8)～(11)中PWC為冷水機組能耗,kW·h;PH為冷水循環泵能耗,kW·h;PP為冷卻水泵能耗,kW·h;PT為冷卻塔能耗,kW·h。

2.4 分區內供配電系統分攤能耗M4

供配電系統設備類型較多,理論上的電能損耗計算過程煩瑣,可操作性較低。同時,大型數據中心供配電設備基本均為冗余配置,包括3N(N為數據中心滿負荷運行時的設備數量)、2N、N+1等不同結構。在計算分區內電源電能損耗時,可根據分區內IT設備能耗占比對電力電池室內供配電設備損耗之和進行分攤。

(12)

式中Pe為電力電池室供配電設備電能損耗,kW·h。

從工程實際出發,采用直接讀取供配電設備輸入、輸出電能的方式,輸入電能和輸出電能的差值即為供配電設備電能損耗,計算公式如下：

Pe=Pin-Pout

(13)

式中Pin為設備輸入電能,kW·h;Pout為設備輸出電能,kW·h。

對于UPS、HVDC、開關電源等供電設備,輸入電能可從出線柜讀取,輸出電能從列頭柜讀取;對于變壓器,輸入電能從高壓出線柜讀取,輸出電能從變壓器出線柜讀取。

2.5 分區內其他消耗電能裝置和設備的分攤能耗M5

數據中心中其他消耗電能的基礎設施包括照明、安防、消防等裝置和設備,該部分能耗占比較小,根據分區內IT設備能耗占比分攤即可,計算公式如下：

(14)

式中Pq為分區所屬機房其他耗電設施能耗,kW·h。

3 pPUE實證研究

國內某大型數據中心規劃機架8 000架,建設2棟機房樓,均采用集中式水冷空調系統,每棟機房樓配備3臺單臺制冷量為8 790 kW的冷水機組。選取A機房樓302機房和B機房樓302機房進行pPUE實證研究,數據截取時間為2022年7月15日00：00—24：00,機房現狀見表1。

從表1可知,2個機房負荷接近,機房樓冷源形式、機房面積相同,分別計算2個機房的pPUE,驗證pPUE計算方法的可行性,進一步分析2種類型空調的能耗特性。

1) 分區內IT設備能耗M1。

因該實例分區選取1個機房,根據式(2),M1=PIT,即分區IT設備能耗等于分區所屬機房IT設備能耗,則M1A為14 384.4 kW·h,M1B為13 794.0 kW·h(下標A、B分別表示A302、B302機房,下文同)。

表1 機房現狀

2) 分區內空調末端分攤能耗M2。

根據式(3),分區內空調末端分攤能耗為機房及其對應的電力電池室空調區能耗之和。

A302機房配備256臺重力熱管型背板空調,目前開啟232臺,機房環境溫度為22 ℃左右,從低壓配電柜讀取M2A為667.44 kW·h。

B302機房配備7臺冷水型機房專用空調,六用一備。機房采用封閉冷通道、吊頂上送風形式,機房溫度為22 ℃左右,從低壓配電柜讀取M2B為1 560.00 kW·h。

3) 分區內冷源系統分攤能耗M3。

機房冷負荷Qj為機房IT功率與其他冷負荷估算值之和。對于A302機房,根據上述分析,機房IT功率為599.35 kW,其他冷負荷暫時按照機房面積進行估算,為52.40 kW,計算得到QjA為651.75 kW;B302機房同上,機房IT功率為574.75 kW,其他冷負荷為52.40 kW,計算得到QjB為627.15 kW。

所屬電力電池室冷負荷Qd為電源設備散熱量、電池發熱量估算值與其他冷負荷估算值之和。根據式(12)測得一定時間內電源設備電能損耗M4A為717.41 kW·h,M4B為1 157.20 kW·h,計算得到單位時間內A電力電池室電源設備散熱量為30.0 kW,B電力電池室電源設備散熱量為48.0 kW。電池發熱量估算值與其他冷負荷暫時按照面積進行估算,均為49.5 kW,最終算得QdA為79.5 kW,QdB為97.5 kW。

根據式(5),計算得到分區內冷負荷QZA為731.25 kW,QZB為724.65 kW。

讀取制冷設備對應的配電柜運行能耗數據,結果見表2。

表2 制冷設備能耗 kW·h

獲取系統制冷設備運行參數,依據式(6)、(7)計算冷水系統制冷量和冷卻水系統散熱量,結果見表3。

表3 制冷設備運行參數

依據式(8)～(11)計算冷水機組、冷水循環泵、冷卻水泵、冷卻塔的單位制冷量能耗,結果見表4。

表4 制冷設備單位制冷量能耗 kW·h/kW

依據式(4)計算得到M3A為2 881.68 kW·h,M3B為3 035.32 kW·h。

4) 分區內供配電系統分攤能耗M4。

依據式(13)測得時間周期內A302電源設備電能損耗為717.41 kW·h,B302電源設備電能損耗為1 157.20 kW·h。依據式(12)計算得到M4A為717.41 kW·h,M4B為1 157.20 kW·h。

A302機房配備6臺UPS,3N冗余架構,UPS負載率均高于20%,處于該型號UPS經濟運行區間,因此電源損耗相對較小。B302機房配備8臺HVDC,2N冗余架構,每臺HVDC負載率為20%左右,未處于該型號HVDC經濟運行區間,因為負載率較低,電源損耗相對較大。

5) 分區內其他消耗電能裝置和設備的分攤能耗M5。

其他消耗電能裝置主要為照明設備,直接獲取分區內照明設備能耗,則M5A為122.13 kW·h,M5B為129.23 kW·h。

根據上述計算數據,由式(1)最終求得A302和B302機房的pPUE值(見表5)。

經對比發現,A302機房pPUE明顯低于B302機房,主要原因在于A302機房M2、M4能耗明顯低于B302機房。

表5 pPUE值、pPUE因子及能耗占比

相關研究通過對比不同類型空調能耗數據,得出重力熱管型背板空調相對于冷水型機房專用空調,理論上可節能57%～69%[10]。經過計算,在機房負荷M1基本相同的前提下,A302空調能耗比B302空調能耗低57.24%,因此A302機房實測空調數據與相關理論基本一致。電源損耗差異主要在于2個機房采用不同類型、不同冗余方式的電源設備,且A302機房電源設備負載率較高,基本運行在經濟區間,損耗較低。B302機房為客戶定制機房,電源設備冗余程度較高,負載率較低,未進入經濟運行區間,損耗較高。

進一步分析現場情況,A機房樓啟用16個機房,13個機房均采用重力熱管型背板空調。B機房樓啟用14個機房,均為客戶定制機房,冗余程度較高,11個機房采用冷水型機房專用空調。通過讀取6月的能耗數據,A機房樓PUE為1.34,B機房樓PUE為1.47,一定程度上說明機房pPUE與機房樓PUE數值基本吻合,也說明pPUE算法具有較好的可實踐性和可操作性。

4 結束語

針對某些場景下數據中心不同分區PUE的測算需求,通過建立不同能耗的分攤模型,最終形成pPUE的測算方法,選取負荷率接近的2個機房進行實證研究,一定程度上證明了pPUE算法具有較好的可實踐性和可操作性,為數據中心能耗指標監測和完善提供參考和依據。同時,為了提高算法的可操作性,根據當前數據中心現狀,較小部分能耗采用估算法,建議數據中心在建設中增加末端流量計和供回水溫度測量點,可以更精確地計量末端實時供冷量,用以攤銷冷源耗電量。