4.2 數據中心能效模型及其研究

上述PUE模型推測清楚地列出了數據中心能量消耗的三大部分。

（1）IT設備的能量消耗。

（2）供電系統的能量消耗。

（3）空調系統的能量消耗。

下面對上述三個能量消耗（簡稱能耗）部分進行探討。

4.2.1 IT設備的能耗研究

數據中心的IT設備（IT Equipment，ITE）包含服務器、存儲器、交換機等，其中服務器的數量最多，占絕大多數。這些IT設備的用電特性基本類似，下面以服務器為例。

在數據中心中，眾多服務器為機架式服務器，部分高端數據中心采用小型機、大型機等大型服務器設備。機架式服務器、小型機等如圖4-3所示。

服務器上的電源（Power），和個人計算機（PC）電源一樣，都是一種開關電源。下面以某知名廠商的一款1U標準服務器電源模塊的銘牌為例（如圖4-4所示）。

關于服務器電源的銘牌，一般不直接貼在服務器的外殼，而是貼在服務器電源模塊外殼側面，將該電源模塊抽出后可看到對應的銘牌。

銘牌上INPUT（輸入）標明服務器電源的額定輸入電壓為220V，而4A為該電源模塊的最大輸入電流。因此，服務器電源的輸入功率（消耗功率）不能直接用額定輸入電壓×最大輸入電流來計算。

OUTPUT（輸出）250W MAX標明該服務器電源的最大輸出功率，對于數據中心設計者具有重要的設計意義，通常只在服務器電源銘牌上才能看到。

服務器電源的最大輸出功率為250W，按照AC/DC轉換效率為85%（平均值），服務器的最大輸入功率（消耗功率）PSERVER為：

PSERVER=PMAX OUT/η=250W/0.85=294.12W≈295W

式中，PMAX OUT等于250W，η為AC/DC效率，取平均值85%。

服務器的最大輸入功率（消耗功率）PSERVER代表服務器的最大工作功率，即在設計滿配置（CPU、內存、硬盤等全滿配置），CPU、內存和硬盤等設備全負荷100%速度工作時所能消耗的最大功率。在一般的使用過程中，服務器在該工況下運行的概率是非常罕見的。

因此，在數據中心設計中，參考配置系數c，同時利用系數k。

PACTUAL= PSERVER×c×k=295×0.8×0.8=188.8W

其中，配置系數c取0.8，代表服務器電源的廠家裕量。k為同時利用系數，取0.8。

述數據符合實測結果，在某數據中心測量Dell Poweredge 1U和2U服務器的實際工作功率如圖4-5所示。

在圖4-5中，1U服務器的實際工作功率為222.5V×0.65A=144.63V·A，2U服務器的實際工作功率為223.8×1.37=306.61V·A。

早期服務器電源的功率因數較低，通常是0.8左右（圖中的電流正弦度不好），而最近幾年隨著節能減排的要求越來越高，加上電源技術提升，大部分廠家生產的服務器電源都采用帶PFC功能的服務器電源，使得服務器電源的功率因數提升到0.95以上，并趨向于達到0.99～1.00的功率因數。

以上討論的是服務器配置一個電源的工作功率。但是，為了提高服務器工作可靠性，目前服務器普遍采用冗余電源技術，具有均流、故障切換等功能，可有效避免電源故障對系統的影響，實現24h×7d的不停頓運行。

冗余電源較為常見的是N+1冗余（1+1、2+1、3+1等），可以保證在一個電源發生故障的情況下系統不會癱瘓（同時出現兩個以上電源故障的概率非常小）。冗余電源通常和熱插拔技術配合，即熱插拔冗余電源，它可以在系統運行時拔下出現故障的電源并換上一個完好的電源，從而大大提高了服務器系統的穩定性和可靠性。

冗余電源的應用帶來新的問題：每一個服務器電源工作在較輕負荷狀態之下，導致工作效率降低。比如在1+1電源配置下，每一個服務器電源的負載均小于50%（通常只有20%負載），這樣電源模塊的效率將只有80%左右，甚至更低至75%。較高效率的服務器電源效率圖如圖4-6所示。

為了提高服務器電源的工作效率，減小服務器體積，服務器行業開始向刀片式服務器升級。

刀片式服務器的外形扁而平，活像個刀片，于是形象地稱為“刀片式服務器”。在標準高度的機架式機箱內可插裝多個卡式的服務器單元（即刀片，它實際上是符合工業標準的板卡，板長上有處理器、內存和硬盤等，并安裝了操作系統，因此一個刀片就是一臺小型服務器）。這一張張的刀片組合起來，進行數據的互通和共享，在系統軟件的協調下同步工作就可以變成高可用性和高密度的新型服務器。

這些刀片式服務器共用系統背板、冗余電源、冗余風扇、網絡端口、光驅、軟驅、鍵盤、顯示器和鼠標，一個機箱對外就是一臺服務器，而且多個刀片機箱還可以級聯，形成更大的集群系統。某型號的刀片式服務器（每個機框可安裝10個刀片）如圖4-7所示。

因為一個標準機架式機箱通常內置了8～16個甚至更多個刀片式服務器，這些刀片式服務器共用冗余電源，所以服務器電源的工作效率得到很大提升。刀片式服務器因為體積小，與同等速度與配置的機架式服務器相比，更加省電與節能。

表4-1列出了2008年IBM某款刀片式服務器與同等配置的機架式服務器的功率對比。

顯然，采用刀片式服務器，在休眠狀態、最大工況下，功率分別降低33%和28%，取中間值30%。

在一個中等規模的數據中心，通常會有數千臺服務器，假定某中型數據中心有2800臺服務器（全部折算為1U的標準機架服務器），那么折算的用電功率為：

參考配置系數c=0.8

PALL SEVER=PMAX×c×2800=377×0.8×2800=844.48kW

如果全部采用刀片式服務器，需要200個刀片機框+2800片刀片單元，用電功率為：

PALL BLADE=PMAX×c×2800=270×0.8×2800=604.8kW

顯然，采用刀片式服務器，節約電力239.68kW，假設全年計算時間利用效率為0.7，那么可節省的電費為：

E=（239.68×365×24×0.7）/0.9=2332885.33kW·h

Y=E×0.7元/kW·h=163萬元

其中，0.7為全年同時利用率；0.9為UPS的效率；電費粗略計為0.7元/kW·h。

可見，采用新型的刀片式服務器，節約的電費是驚人的。功率的節省，還會帶來機房空調的節電，這在下一節中介紹。

我國每年的服務器總發貨量迅速增長，2008年服務器出貨70.51萬臺左右（數據來源：CCID，2008年），按照每臺服務器400W功耗計算，一年消耗電力24億kW·h。把10%的服務器改成刀片就能節約4萬t標準煤，這對當前倡導節能減排還是非常有意義的。（假定1t煤可發電2000kW·h）。

4.2.2 供電系統的能耗研究及其PUE計算

供電系統指的是從市電變壓器、發電機組之后，包括ATS自動切換開關、配電系統、UPS、供電電纜等環節，如圖4-8所示。

在計算機類負載為1kW時，為計算機類負載提供供電的系統（包括ATS自動切換開關、低壓配電開關、UPS供電系統、供電電纜等）在輸出功率為1kW的條件下，計算供電系統的損耗即為PUE供配電能效因子，計算的數學模型為：

供配電能效因子PLF=ATS開關損耗+低壓配電系統損耗+UPS系統損耗+供電電纜損耗

其中，ATS開關損耗、低壓配電系統損耗、供電電纜損耗很小，基本上是銅損與接觸電阻損耗，統計數據表明為1% ～3%，取中間值2%即為0.02。

供配電能效因子PLF=0.02+UPS系統損耗

在數據中心設計與運營中，UPS系統的損耗隨著UPS供電方案的不同而變化。

根據中國國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174—2008），同時可參照美國通信工業協會（TIA）發布的《Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers，數據中心的通信基礎設施標準》（ANSI/TIA942-2005），數據中心UPS實際供電方案或為N+1供電系統，或為2N與2（N+1）供電系統。在不同配置方式下，負載比率不同，效率略有差異。本書以由兩臺UPS單機組成雙母線的2N供電系統（如圖4-9所示）為例，研究正常工作下UPS的效率與損耗。

假設某數據中心服務器等計算機類負載為100kW。

如果由2臺UPS組成單機雙母線解決方案，UPS容量可按下列兩種方法選擇。

（1）經濟型：選用160kV·A/144kW，輸出功率因數為0.9。

（2）擴容型：選用200kV·A/180kW，輸出功率因數為0.9。

1. 經濟型方案的UPS效率與供配電能效因子

計算機類負載為100kW，正常工作時，雙母線上的每臺UPS平分負載，即每臺UPS承擔的負載為50kW，單臺UPS的負載率為：

K=50/144=34%

某型號160kV·A UPS功率效率如表4-2所示。

將負載率34%放入25% ～50%區間，進行數學插值法計算，得出損耗率為：

H=8.77%即0.0877

供電系統總損耗為：

供配電能效因子PLF=0.02+UPS系統損耗=0.02+0.0877=0.108

2. 擴容型方案的UPS效率與供配電能效因子

在擴容型方案中，UPS容量較大，為200kV·A/180kW。計算機類負載為100kW，兩條母線上的每臺UPS平分負載，即每臺UPS承擔負載為50kW，單臺UPS的負載率為：

K=50/180=27%

某型號200kV·A UPS效率如表4-3所示。

負載率為27%，約等于25%，得出損耗率為：

H=9.37%即0.0937

供電系統總損耗為：

供配電能效因子PLF=0.02+UPS系統損耗=0.02+0.0937=0.114

在上述兩種UPS供電方案下，PUE指標中的PLF從0.108變化到0.114，變動不大，說明UPS供電系統是對PUE影響較小的因素。需要強調的是：

（1）因為采用由兩臺UPS主機組成的單機雙母線的2N供電系統，是負載率較小的配置，所以所得到PUE供配電能效因子是較大的。

（2）如果采用2（N+1）方式，在配置合理情況下，PUE的供配電能效因子將小于上述計算模型數值。

（3）當配置帶輸出隔離變壓器的配電柜或分配柜時，供電回路上每增加一個變壓器，供配電能效因子將增加0.03～0.05。

（4）如果為每個UPS輸出母線上安裝大容量的STS，將導致供配電能效因子增加0.01～0.02。

此計算模型不含市電入戶變換器的效率，即功率與損耗計量從低壓側計算，不含35kV/0.4kV或10kV/0.4kV的轉換損耗。

4.2.3 空調系統的能耗研究及其PUE計算

數據中心機房環境對服務器等IT設備的正常穩定運行起著決定性作用。數據中心機房建設的國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174—2008）對機房開機時的環境要求如表4-4所示。

為使數據中心能達到上述要求，應采用機房專用空調（本書不討論普通民用空調、商用空調與機房專用空調的差異對比）。如果數據中心機房環境不能滿足以上要求，則會對服務器等IT設備造成以下影響。

（1）溫度無法保持恒定：降低電子元器件的壽命。

（2）局部溫度過熱：設備突然關機。

（3）濕度過高：產生冷凝水，短路。

（4）濕度過低：產生破壞性靜電。

（5）潔凈度不夠：機組內部件過熱，腐蝕。

1. 數據中心熱負荷及其計算方法

按照數據中心機房主要熱量的來源可分為：

（1）設備熱負荷（計算機等IT設備熱負荷）。

（2）機房照明熱負荷。

（3）建筑維護結構熱負荷。

（4）補充的新風熱負荷。

（5）人員的散熱負荷等。

1）機房熱負荷計算方法一：各系統累加法

（1）設備熱負荷。

Q1=P×η1×η2×η3（kW）

Q1：計算機設備熱負荷。

P：機房內各種設備總功耗（kW）。

η1：同時使用系數。

η2：利用系數。

η3：負荷工作均勻系數。

通常，η1、η2、η3取0.6～0.8，考慮制冷量的冗余，通常η1×η2×η3取值為0.8。

（2）機房照明熱負荷。

Q2=C×S（kW）

C：根據國家標準《計算站場地技術要求》，機房照度應大于2001x，其功耗約為20W/m2。在以后的計算中，照明功耗將以20W/m2為依據計算。

S：機房面積

（3）建筑維護結構熱負荷。

Q3=K×S/1000（kW）

K：建筑維護結構熱負荷系數（50W/m2機房面積）。

S：機房面積。

（4）人員的散熱負荷。

Q4=P×N/1000（kW）

N：機房常有人員數量。

P：人體發熱量，輕體力工作人員熱負荷顯熱與潛熱之和，在室溫為21℃和24℃時均為130W/人。

（5）新風熱負荷。因計算較為復雜，則以空調本身的設備余量來平衡，不另外計算。

以上5種熱源組成了機房的總熱負荷。由于上述后三項計算復雜，通常采用工程查表予以確定。但是，因為在數據中心的規劃與設計階段中非常難以確定，所以實際在數據中心中通常采用設計估算與事后調整法。

2）機房熱負荷計算方法二：設計估算與事后調整法

數據中心機房的主要熱負荷來源于設備的發熱量及維護結構的熱負荷。

因此，應了解主設備的數量及用電情況，以確定機房專用空調的容量及配置。根據以往的經驗，除主要的設備熱負荷之外的其他負荷，如機房照明負荷、建筑維護結構負荷、補充的新風負荷、人員的散熱負荷等，若不具備精確計算的條件，則可根據機房設備功耗及機房面積，按經驗進行測算。

采用“功率及面積法”計算機房熱負荷。

Qt=Q1+Q2

其中，Qt為總制冷量（kW）。

Q1為室內設備負荷（=設備功率×1.0）

Q2為環境熱負荷（=0.10～0.18kW/m2×機房面積），南方地區可選0.18，而北方地區通常選擇0.10。

方法二是對復雜科學計算的工程簡化計算方法。在這種計算方法下，通常容易出現計算熱量大于實際熱量的情況。因為機房專用空調自動控制溫度并決定運行時間，所以多余的配置可以作為冗余配置，對機房專用空調的效率與耗電量不大。本文以方法二推導數據中心機房專用空調配置與能效計算。

2. 數據中心機房專用空調配置

設定數據中心的IT類設備功率為100kW，并且固定不變。根據上述方法二，還需要確定機房的面積。

再假定數據中心的熱負荷密度為平均熱負荷密度，即4kW/機柜。也就是說，平均每個機柜為4kW的熱負荷。

數據中心的機柜數量為：100kW/4kW=25臺機柜。

下面按國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174—2008）有關機柜占地面積計算方法進行計算。

（1）當計算機系統設備已選型時，可按下式計算：

A=KΣS

式中，A為計算機主機房使用面積（m2）。

K為系數，取值為5～7。

S為計算機系統及輔助設備的投影面積（m2）。

（2）當計算機系統的設備尚未選型時，可按下式計算：

A=KN

式中，K為單臺設備的占用面積，可取3.5～5.5（m2/臺）。

N為計算機主機房內所有設備（機柜）的總臺數。

取每個機柜的占地面積為中間值4m2/臺，那么數據中心的面積為：

25臺機柜×4m2/臺=100m2

假定環境熱負荷系數取0.15kW/m2，則數據中心機房總熱負荷為：

Qt=Q1+Q2=100kW+100×0.15=115kW

數據中心送風方式選擇：按國家標準要求，采用地板下送風，機柜按冷熱通道布置。

機房專用空調選擇：機房空調通常分為（直接制冷）與非直接制冷（包括各類水制冷系統等），先討論直接制冷系統的機房空調。不同的廠家有不同型號的機房專用空調，下面以某型號機房空調為例。

在24℃、相對濕度為50%的工況下，某型號的機房空調制冷量為60.6kW，兩臺空調的總制冷量為121.2kW，略大于115kW的計算熱負荷。

根據國家標準《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174—2008）中關于數據中心空調配置建議，數據中心通常建議采用N+M（M=1，2，…，）配置形式，提供工作可靠性與安全性。

假設本數據中心采用N+1方式配置，即為以2+1方式配置3臺標稱冷量為60.6kW機房空調，實現兩用一備工作。

3. 數據中心機房專用空調耗電量與能效計算

機房空調耗電器件有：

（1）壓縮機，也是主要的耗電器件。

（2）室內風機。

（3）室外風機。

（4）室內加濕器。

（5）再熱器，用于過冷狀態下加熱。

（6）控制與顯示部件等，耗電量較少，可忽略不計。

1）壓縮機、室內風機、室外風機的耗電計算

由壓縮機、蒸發器、膨脹閥、冷凝器組成一個完整的冷熱循環系統（空調四部件），其中耗電部分是壓縮機、室內風機、室外風機三個部件。

詳細計算不同工況下的三個部件的耗電量是困難的，但是在最大制冷量輸出下，空調行業有個標準的參數，即能效比。

能效比指一臺空調用1000W的電能運輸多少千瓦的制冷/熱量，采用性能參數COP或能效比EER衡量。例如，一臺空調的制冷量是4800W，制冷功率是1860W，制冷能效比（COPC）是：4800/1860≈2.6；制熱量是5500W，制熱功率是1800W，制熱能效比COPh（輔助加熱不開）是：5500/1800≈3.1。

顯然，能效比越大，空調效率就越高，空調也就越省電。

機房專用空調因為采用專用壓縮機，所以能效比為3.3～3.5。本例中的最大負荷制冷功率為115kW，則3臺機房空調為兩用一備。

2臺制冷量為60.6kW空調，總制冷功率為121.2kW，取能效比中間值3.4計算，則四部件電功率為：

P四部件=P制冷/COP=121.2kW/3.4=35.64kW。

2）室內加濕器功率

數據中心機房的環境、建筑條件、密封狀態等不同，導致加濕功率不同。

某機房空調采用遠紅外加濕器，結構簡潔，易于拆卸、清洗和維護。懸掛在不銹鋼加濕水盤上的高強度石英燈管發射出紅外光和遠紅外光，在5～6s內，使水盤中的水分子吸收輻射能以擺脫水的表面張力，在純凈狀態下蒸發，不含任何雜質。遠紅外加濕器（如圖4-10所示）的應用減少了系統對水質的依賴性，其自動沖洗功能，使水盤更清潔。

查相關產品手冊，遠紅外加濕器功率為9.6kW。

P加濕=9.6kW

空調系統總的電功率消耗與能效指標如下。

功率：P空調=P四部件+P加濕=35.64+9.6=45.24kW。

能效指標：制冷能效因子CLF=45.24/100=0.452。

至此，數據中心的PUE為：

PUE=1+PLF +CLF=1+0.108～0.114+0.452=1.560～1.566

顯然，一個設計與運營良好的數據中心，在空調系統配置正確，不考慮照明、新風機等設備下，能效比應該小于1.6。

因為當前實際運行的數據中心的能效比動輒大于2.5，所以新規劃與設計的數據中心要求PUE的指標為1.6～1.8（下常規制冷方式下），才能體現節能與減排目標。