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

節(jié)能降耗的前提是先對數(shù)據(jù)中心的能耗進行評估[4]。對于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心能效水平的基本指標[5]。PUE主要反映了整個數(shù)據(jù)中心的用能效率,但不能反映數(shù)據(jù)中心不同分區(qū)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(qū)內IT設備、空調末端、電源損耗、冷源系統(tǒng)和其他系統(tǒng)用電量的分攤模型,形成數(shù)據(jù)中心pPUE的測算方法,最后選取數(shù)據(jù)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(jù)PUE的計算方法,數(shù)據(jù)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(tǒng)能耗、供電系統(tǒng)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(qū)域的能效評價。在pPUE計算過程中,數(shù)據(jù)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(qū)。分區(qū)內能耗若可以獨立計量,則分別統(tǒng)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(jù)相關分析,分區(qū)內能耗構成包括分區(qū)內IT設備能耗M1、分區(qū)內空調末端分攤能耗M2、分區(qū)內冷源系統(tǒng)分攤能耗M3、分區(qū)內供配電系統(tǒng)分攤能耗M4、分區(qū)內其他系統(tǒng)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(qū)內IT設備能耗M1

M1計算公式如下：

(2)

式中n為IT設備數(shù)量;PITi為數(shù)據(jù)中心分區(qū)內單個IT設備能耗,kW。

2.2 分區(qū)內空調末端分攤能耗M2

對于常規(guī)數(shù)據(jù)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(qū),一般每個空調區(qū)能耗可以單獨計量。在計算分區(qū)內空調末端能耗時,可根據(jù)分區(qū)內IT設備能耗占比進行分攤。

因為電源損耗也是分區(qū)內能耗的一部分,所以既需要對機房空調區(qū)能耗進行分攤,又需要對電力電池室空調區(qū)能耗進行分攤。一般情況下,數(shù)據(jù)中心單個機房的邊界比較清晰,較容易獲取各項計算參數(shù),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(shù),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(qū)能耗與電力電池室空調區(qū)能耗之和,kW·h;PIT為分區(qū)所屬機房IT設備能耗,kW·h。

2.3 分區(qū)內冷源系統(tǒng)分攤能耗M3

對于采用水冷空調系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,根據(jù)分區(qū)內供冷量與冷源制冷量的比值進行冷源系統(tǒng)能耗分攤[8],其中分區(qū)內供冷量依據(jù)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(shù)較容易獲取,但支管路因流量計和溫度計配置數(shù)量及位置限制,一定程度上獲取計算參數(shù)的難度較大。

結合現(xiàn)場實際,一般機房冷負荷可以根據(jù)IT功率等參數(shù)進行計算。冷源系統(tǒng)制冷量可以根據(jù)熱量公式進行計算。冷源系統(tǒng)冷水機組、冷水循環(huán)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(tǒng)設備消耗的電能與單位時間內制冷量之比。則分區(qū)內冷源系統(tǒng)分攤能耗為分區(qū)內冷負荷與冷源系統(tǒng)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(qū)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(huán)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(qū)內冷負荷QZ,根據(jù)分區(qū)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(qū)所屬機房的冷負荷,kW;Qd為分區(qū)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(shù)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(jīng)驗,一般取100 W/m2。根據(jù)該項目所在地區(qū)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(fā)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(fā)熱量原則上按不同電池組合的發(fā)熱系數(shù)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(jīng)驗,暫取50 W/m2。

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

依據(jù)熱量公式,冷水系統(tǒng)制冷量計算公式如下：

(6)

式中QC為冷水系統(tǒng)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(jù)熱量公式,冷卻水系統(tǒng)散熱量計算公式如下：

(7)

式中QW為冷卻水系統(tǒng)散熱量,kW;ΔtW為冷卻水溫差,℃。

冷水機組、冷水循環(huán)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(huán)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(qū)內供配電系統(tǒng)分攤能耗M4

供配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心供配電設備基本均為冗余配置,包括3N(N為數(shù)據(jù)中心滿負荷運行時的設備數(shù)量)、2N、N+1等不同結構。在計算分區(qū)內電源電能損耗時,可根據(jù)分區(qū)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(fā),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(qū)內其他消耗電能裝置和設備的分攤能耗M5

數(shù)據(jù)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(jù)分區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)中心規(guī)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(tǒng),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(shù)據(jù)截取時間為2022年7月15日00：00—24：00,機房現(xiàn)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(qū)內IT設備能耗M1。

因該實例分區(qū)選取1個機房,根據(jù)式(2),M1=PIT,即分區(qū)IT設備能耗等于分區(qū)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(xiàn)狀

2) 分區(qū)內空調末端分攤能耗M2。

根據(jù)式(3),分區(qū)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(qū)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(huán)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(qū)內冷源系統(tǒng)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(jù)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(fā)熱量估算值與其他冷負荷估算值之和。根據(jù)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(fā)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(jù)式(5),計算得到分區(qū)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(shù)據(jù),結果見表2。

表2 制冷設備能耗 kW·h

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

表3 制冷設備運行參數(shù)

依據(jù)式(8)～(11)計算冷水機組、冷水循環(huán)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(jù)式(4)計算得到M3A為2 881.68 kW·h,M3B為3 035.32 kW·h。

4) 分區(qū)內供配電系統(tǒng)分攤能耗M4。

依據(jù)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(jù)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(jīng)濟運行區(qū)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(jīng)濟運行區(qū)間,因為負載率較低,電源損耗相對較大。

5) 分區(qū)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(qū)內照明設備能耗,則M5A為122.13 kW·h,M5B為129.23 kW·h。

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

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),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(shù)據(jù),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(jié)能57%～69%[10]。經(jīng)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(shù)據(jù)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(jīng)濟區(qū)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(jīng)濟運行區(qū)間,損耗較高。

進一步分析現(xiàn)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(shù)據(jù),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(shù)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(shù)據(jù)中心不同分區(qū)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(shù)據(jù)中心能耗指標監(jiān)測和完善提供參考和依據(jù)。同時,為了提高算法的可操作性,根據(jù)當前數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀,較小部分能耗采用估算法,建議數(shù)據(jù)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。