基于PUE的通信机房能效评测方法研究.pdf

Telecom Power Technology 96 Aug.10,2023,Vol.40 No.15 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期电源与节能技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.15.031基于 PUE 的通信机房能效评测方法研究张 威1，黄立丽2（1.辽宁邮电规划设计院有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.中国联合网络通信有限公司沈阳市分公司，辽宁 沈阳 110000）摘要：新时代发展背景下，通信机房能效应当以电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值作为主要衡量标准，注重能耗与效率的优化革新，充分承担数字经济绿色发展的重要使命。PUE 值是衡量通信机房能源消耗情况和评测机房能效功率标准的重要指标。简要阐述通信机房中 PUE 的定义和计算公式，初步分析基于 PUE 的通信机房能源消耗分布与共享系统的测量与分摊计算，然后提出了基于 PUE 的通信机房能效评测技术和方法。关键词：通信机房；PUE；能效评测Research on Energy Efficiency Evaluation Method for Communication Room Based on PUEZHANG Wei1,HUANG Lili2(1.Liaoning Post and Telecommunications Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Shenyang 110000,China;2.China United Network Communications Co.,Ltd.,Shenyang Branch,Shenyang 110000,China)Abstract:In the context of the development of the new era,the energy efficiency of communication rooms should be mainly measured by the Power Usage Effectiveness(PUE)value,focusing on optimizing and innovating energy consumption and efficiency,and fully undertaking the important mission of green development of the digital economy.The PUE value is an important indicator for measuring the energy consumption of communication equipment rooms and evaluating the energy efficiency and power standards of equipment rooms.This article briefly explains the definition and calculation formula of PUE in communication room,preliminarily analyzes the measurement and allocation calculation of energy consumption distribution and sharing system in communication room based on PUE,and proposes energy efficiency evaluation technology and method for communication room based on PUE.Keywords:communication room;Power Usage Effectiveness(PUE);energy efficiency evaluation1 通信机房中 PUE 的定义和计算公式1.1 PUE 的定义电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）是评价能源利用效率的指标。随着时代的发展和进步，节能减排、绿色发展已经成为当下电子信息领域发展的基本趋势。PUE 值是通信机房消耗的总能源与信息技术（Information Technology，IT）设备消耗能源的比值。当 PUE 值无限接近于 1 时，代表该通信机房能源消耗总量较低，满足绿色高质量发展的基本要求1。关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见指出，鼓励重点行业利用绿色数据中心等新型基础设施实现节能降耗，新建大型、超大型数据中心 PUE 不超过 1.3，到 2025 年，数据中心电能利用效率普遍不超过 1.52。因此，行业从业人员应当重视 PUE 值的重要作用，积极建设绿色机房3。1.2 PUE 值计算公式PUE 值的计算公式为 PUE=PTotal/PIT（1）式中：PTotal为通信机房的总电能消耗；PIT为通信机房 IT 设备电能消耗。通信机房总电能消耗为 IT 设备的电能消耗、空调制冷系统的电能消耗、供配电系统的电能消耗以及辅助系统的电能消耗的总和4。在通信机房 PUE 值测量过程中，工作人员应当根据不同设备分别设置测量点再进行分摊计算，如图1 所示。通信机房的计量仪表一般无法拆卸，往往存在 PUE 值检测区域边界不清的问题。工作人员应当注重工作区域与行政区域电能消耗的详细划分，注重辅助区域电能消耗测量值的融入，结合通信机房的实际情况和所在楼宇的用电情况，科学准确地设置测量点，有效提高 PUE 值的采集准确性。1.3 基于 PUE 值的能效评价指标PUE 值是当下评价通信机房能源效率最基本和最有效的指标之一。PUE 值为 1 代表着通信机房的能效为100%，即所有能耗都用于IT设备的运行消耗，而 PUE 值越大证明通信机房用于其他基础设施部分收稿日期：2023-06-19作者简介：张 威（1979），男，辽宁沈阳人，本科，高级工程师，主要从事通信电源工程设计工作；黄立丽（1978），女，辽宁沈阳人，本科，主要从事维护管理工作。2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 97 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 张 威，等：基于 PUE 的通信机房能 效评测方法研究的能耗越多5。依据PUE值评测的通信机房效率评级，如表 1 所示。PUE 数值评价指标衍生出了 2 个新的指标，即制冷负载系数（Cooling Load Factor，CLF）和供电负载系数（Power Load Factor，PLF）。CLF 包括通信机房中冷却塔、冷却器、机房空调以及关键泵等基础设施消耗的功率与 IT 设备电能消耗的比值。PLF 包括开关设备、不间断电源、配电专职等电能消耗与 IT设备电能消耗的比值。CLF 与 PLF 是对 PUE 数值的补充与深化，有助于通信机房电能消耗评价的进一步细化提升。表 1 依据 PUE 值确定的通信机房效率评级PUETGG 组织评级系统3.0非常低效2.5低效2.0均值1.5高效1.2非常高效2 基于 PUE 的通信机房能源消耗分布根据通信机房的能源消耗分布，PUE 值的计算公式可以改写为 PUE=(PIT+P制冷+P供配电+P辅助)/PIT（2）一般情况下，IT 设备的电能消耗最高，普遍占据总电能消耗的 50%左右，其次是制冷系统和供配电系统，而辅助系统的能耗占比基本处于 5%以内。2.1 供配电系统的能耗供配电系统的能耗一般由不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统、高压配电设备、变压器设备、配电柜、线缆传输、电池、并机柜以及机架 PDU 等部分组成。一般情况下的通信机房多采取 UPS 的供配电方式进行供电。电网电压通过 UPS 整流器和逆变器供给负载，在配电过程中经历由交流电变为直流电再变为交流电的转化过程。在这一供电模式下，电能的每一次转化都会产生一定的电能损耗。通信机房中的电缆损耗、内部变压设备损耗以及电能变化冗余损耗等环节是供配电系统电能消耗的主要因素6。为解决这一问题，可以采取市电直供技术或通信机房体量缩小转化的方式提高能效。市电直供技术是在供配电系统中放弃 UPS 系统，采取由市电直供的方式进行通信机房的供配电，从而降低 PUE 值测算中的总能耗。通信机房体量转化是将大型通信机房转变为小型通信机房，如腾讯 T-BLOCK，从而减少变压器设备、机房内线缆传输设备的使用能耗，有效减少通信机房总能耗。2.2 制冷系统的能耗制冷系统是通信机房中电能消耗的重要版块。在机器运行和设备运转的过程中，通信机房内的 IT设备和供电系统等设施会产生大量热量，而热量过高会导致设备运转问题或设备机能损伤，因此通信机房内需要大量的制冷系统，以保障通信机房内各设备的运行处于良好稳定的环境。通信机房内的制冷系统以空调设备、冷源设备以及新风系统为主。空调制冷设备主要包括机房专用空调、湿度调节设备等；冷源设备主要包括冷水机组、冷却塔、水泵、电动阀门、水处理设备等；新风系统主要包括新风预处理系统和送风系统等。制冷系统是降低通信机房 PUE 值的主要途径。通信机房的节能措施基本围绕降低制冷系统的能耗展开，可以采用自然冷却技术或可再生能源制冷驱动技术等手段减少制冷系统能耗。自然冷却技术指根据通机柜电源DIT 计算负载风扇电池UPS市电AA1油机切换开关配电柜B1 由 UPS 供电的制冷风扇B2 由 UPS 供电的关键泵E1 制冷系统 E2 机房照明系统 E3 辅助系统CB图 1 通信机房计算 PUE 值的测量点 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 98 信机房选址的气候条件采取相应技术，充分利用自然资源，如引入室外冷空气配合制冷、机房选址建设于常年寒冷地区等方式辅助进行制冷工作，有效减少机械制冷的比重，从而大幅降低制冷系统能耗。可再生能源制冷驱动技术指将太阳能、风能等可再生能源应用到制冷系统能源消耗，运用可再生能源实现制冷系统的驱动，从而有效减少电能在制冷系统中的应用，提高制冷系统能效。2.3 辅助系统的能耗通信机房中的能耗组成不仅包括工作设施的能耗，还包括其他辅助设施的电能消耗，主要包括照明设备、安保防护设备、消防灭火设备、通信机房传感器设备、机房中心管理系统以及监控系统等部分的电能消耗。辅助系统是通信机房工作运行过程中不可或缺的组成部分，是保障通信机房工作安全的重要支撑，一般情况下难以在辅助系统层面落实有效的节能措施，更加需要新兴技术的应用。例如，大部分通信机房采用发光二极管（Light Emitting Diode，LED）智能照明系统，显著提高了照明系统的能源利用率。3 通信机房中共享系统的测量与分摊通信机房共享系统局部能耗（pPUE）测算，应当立足于通信机房总能耗进行区域划分，根据分区不同可以表示为 C1或 C2（制冷设备能耗）、P1或 P2（供配电设备能耗）等，进行测量与分摊计算。3.1 供配电系统的测量与分摊供配电系统的电能损耗基于 UPS 系统的影响，主要包括空载损耗和带载损耗两个组成部分。在进行测量和分摊计算时，工作人员应当基于通信机房的实际使用情况进行区分计算。空载损耗指 UPS 中变压器、逻辑板、通信卡、电容等设备运行的损耗。只要 UPS 系统处于开机运行状态，空载损耗就始终存在。UPS 空载损耗分摊计算公式为 PU 空 1=PUP设 1/(P设 1+P设 2)（3）式中：PU 空为 UPS 系统的空载损耗；P设 1和 P设 2为不同分区下设计的供配电系统满载功率。带载损耗是指 UPS 在运行负载后所产生的损耗。带载损耗与空载损耗呈现包含关系。所增加损耗部分主要指 UPS 系统中半导体电力电子器件的通态与开关损耗，具体分摊计算公式为PU 带 1=(PU 带-PU 空)P实 1/(P实 1+P实 2)+PU 空 1（4）式中：PU 带和 PU 空为 UPS 的带载损耗和空载损耗；P实 1和 P实 2为不同分区下供配电系统的实际运行功率。3.2 制冷系统的测量与分摊制冷系统能耗是通信机房主要的电能消耗部分。机房冷源系统分摊能耗为冷源系统总能耗和单个机房冷量的乘积与整个冷源系统供冷量的比值。在分摊计算过程中，应当基于 Q=Cmt 热能公式中水流量与供水温差的乘积与冷量成正比的理论进行分摊计算，具体公式为 PC 分=PC 总Q分/Q总=PC 总(V分*t分/V总*t总)（5）式中：PC 分和 PC 总为冷源系统的分摊能耗和总能耗；V分和 V总实冷冻水的分水流量和总水流量；t分和t总为冷冻水的分供回水温差和总供回水温差。在测算通信机房的制冷系统能耗时，应当首先利用智能电表测量冷源系统的总能耗，其次运用温度计和流量计测量总分区域的水流量和温度数据，最后利用公式进行 PUE 值的数据测算。3.3 辅助系统的测量与分摊辅助系统由于施工困难以及测算难度的制约，往往只能测量能耗总量，难以进行局部的精准分摊测算。但是，由于辅助系统的普适性和共享性，在进行辅助系统局部 PUE 值测算时，可以采用简单的面积法进行分摊计算。例如，通信机房辅助系统中照明系统能耗的分摊计算公式为 PL 分=PL 总S分/S总（6）式中：PL 分和 PL 总为照明系统的分摊能量消耗和总能量消耗；S分和 S总为分摊照明面积和总照明面积。4 基于 PUE 的通信机房能效评测技术4.1 通信机房 PUE 值测量方法绿色发展时代背景下，将 PUE 值作为通信机房的标准能效指标已经成为当下行业领域广泛认可的评价标准。在具体测量过程中如何开展通信机房 PUE测量，如何处理测量过程中的应用实践问题，是一线从业人员需要探索和落实的工作要点。工作人员可以3 方面开展通信机房 PUE 值的测量评测。第一，建立一套标准的通信机房子系统分类，主要包括 IT 负载、物理基础设施负载、不在通信机房电能消耗计算范围内的负载 3 个版块。其中，IT 负载主要包括服务器、存储设备、网络设备、灾难恢复负载以及网络运营中心内的 IT 设备；物理基础设施负载主要包括供配电 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 99 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 张 威，等：基于 PUE 的通信机房能 效评测方法研究系统设施、制冷系统设施；不在通信机房电能消耗计算范围内的负载主要包括预备能源系统、个人办公区域负载等。第二，对于某通信机房能耗无法被直接测量的子系统，应用标准化方法进行子系统功率的估量，从而尽可能贴合子系统能耗真实数据，如冷水机组的共享能源损耗。第三，对于受制于技术水平制约无法进行 PUE 值测量的通信机房子系统，可以采取标准化方法估计子系统能耗，如配电单元的能源损耗等。4.2 PUE 值的测量周期和频率通信机房的 PUE 数值容易受到外界多样化因素的影响和制约，如不同时段的气候条件、机房使用频次以及季节变化等。在进行基于 PUE 的通信机房能效评测时，应当注重评测数据的全面性和准确性，采取固定测量仪表以及定期、长期的能耗测量手段进行数据评测。只有高频率、稳定周期、多样化环境条件的通信机房能效评测设计，才能真正获取反映通信机房真实能效的 PUE 数值。因此，建议通信机房能效评测采取以下测量周期和频率。第一，基于不同季节划分进行年度测量，每年至少测量 4 次通信机房 PUE数据。具体频率划分为选取每个季节时段中的一个月进行数值测量，保障 PUE 数值囊括不同的气候条件。第二，每个测量时段的持续时间应当不少于 3 d。在PUE 数值测量当月的 5 号、15 号和 25 号进行分散测量。第三，每天 PUE 数值测量应当不少于 2 次，在当天的通信机房高速运行时段和空闲时段分别进行PUE 能效数值评测。第四，每次测量时间不得少于60 min，保证 PUE 数值测量的稳定性，或选取 3 次PUE 测量值的平均值数据进行记录。第五，明确记录每次测量的步骤环节和测量时间，保障 PUE 数值测量各环节以及各阶段的同步性和有效性，注重测量周期和测量频率的科学严谨，并将其明确呈现在评测报告中。4.3 通信机房 PUE 值评比方法基于 PUE 值的通信机房能效评比方法可以大概分为基准值比较法和 TOP 排名法 2 种。基准值比较法指通过比较目标通信机房与标准通信机房的 PUE 值大小判断通信机房能效水平，包括模型分析法、平均值法和最低值法 3 种选取方式。模型分析法指基于通信机房的实际情况和当地普遍测算结果进行测算数据的假定分析；平均值法是将各项条件相似的同一类机房的数据取平均值，参考能效管理中等通信机房进行基准值的选取；最低值法指将目标通信机房的 PUE 值按照大小顺序进行排列，选取其中最小的 PUE 值作为基准值进行评比 分析。TOP 排名法是以 PUE 数值为排列依据，PUE 数值较低的机房能效评测效果好，PUE 数值较大的通信机房能效评测差。工作人员可以基于 TOP 排名结果进行绿色通信机房的称号评比，通过具体奖项作为刺激点，实现通信机房绿色高质量发展。5 结 论在绿色发展背景下，通信机房应当积极落实节能减排的基本要求，基于 PUE 数据充分了解和掌握自身能效水平，从而有效促进通信机房的高质量发展。工作人员应当实施通信机房 PUE 值评测，注重评测频率和评测周期的科学有效性，利用基准值或 TOP排名法进行能效评比，从而了解通信机房自身节能水平和能耗问题，助力通信机房的节能发展。参考文献：1 韩鹏程，张海云，王崇兴，等.北京地区数据中心能源利用效率（PUE）现场监测及改进措施 J.洁净与空调技术，2022（4）：70-74.2 中华人民共和国国家发展和改革委员会，中华人民共和国工业和信息化部，中华人民共和国生态环境部，等.国家发展改革委等部门关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见 EB/OL.（2021-10-01）2023-04-07.https:/ 5644224.htm.3 温 亮.降低数据中心 PUE 的方法维度与前沿趋势 J.电信快报，2022（6）：43-46.4 智伟威，周新星，杨 磊.PUE 在数据中心节能管理中的应用研究 J.智能建筑，2021（12）：70-71.5 李安香，沈庆飞，周 鑫，等.基于能源计量提高数据中心 PUE 准确性的方法 J.计量科学与技术，2021，65（9）：44-47.6 苏 志.基于 PUE 分析的某数据中心制冷系统优化研究J.制冷与空调（四川），2021，35（2）：162-168.