浅谈数据中心项目PUE值的控制方法

浅谈数据中心项目PUE值的控制方法

华沛坚

中国移动通信集团广东有限公司韶关分公司

摘要：大型数据中心作为“新基建”的重要组成部分，是确保算力的底层基础设施，一座建筑面积超10万平方米的大型数据中心，占地超百亩，常规建设2.5kW标准机柜超3万台架，用电报装容量高达12万kVA，年耗电量高达4亿kWh，因此大型数据中心属“高能耗产业”，耗电量巨大，随着国家加强了对数据中心的能耗管理，并设置了新建和扩建的电能利用效率指标。根据《广东省工业和信息化厅关于印发广东省5G基站和数据中心总体布局规划（2021-2025年）的通知》（粤工信信软〔2020〕73号）数据中心建设需满足“1.25

关键词：大型数据中心；PUE值；能耗管理；绿色高效

1 前言

为贯彻国家新型数据中心高质量发展战略，根据《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国行政许可法》、《广东省节约能源条例》、《广东省企业投资项目分类管理和落地便利化改革实施方案》（粤府〔2018〕127号）、《数据中心能效限定值及能效等级》（GB40879-2021）、《国家发展改革委等部门关于同意粤港澳大湾区启动建设全国一体化算力网络国家枢纽节点的复函》（发改高技〔2022〕66号）和《广东省工业和信息化厅关于印发广东省5G基站和数据中心总体布局规划（2021-2025年）的通知》（粤工信信软〔2020〕73号）等的相关要求，研究国内外数据中心电能利用效率指标控制技术的最新发展形势，结合内部近年来数据中心项目建设和运维的PUE值控制管理等实践经验，努力将该数据中心打造为绿色高效、安全可靠、价值领先的新型算力基础设施，更好的为支撑公司业务发展服务。

2 绿色数据中心的性能评价指标

绿色数据中心的性能评价指标主要分为电能利用效率（Power Usage Effectiveness即PUE指标值）、数据中心基础设施效率（Data Center Infrastructure Efficiency即DCIE指标值）、水资源利用效率（Water Usage Effectiveness即WUE指标值）、碳利用效率指标（Carbon Usage Effectiveness 即CUE指标值）、基础设施使用效率（Infrastructure Usage Effectiveness即IUE指标值）。

2.1 电能利用效率指标（PUE值）

数据中心的电能利用效率指标（PUE值）= 数据中心总设备能耗（含IT、变配电、空调、照明及配套设备）÷ IT设备能耗；数值越小，电能利用效率越高。

2.2 数据中心基础设施效率（DCIE值）

数据中心基础设施效率（DCIE值）=IT设备能耗 ÷ 数据中心总设备能耗（含IT、变配电、空调、照明及配套设备）；数值越大，基础设施效率越高。

2.3 水资源利用效率（WUE值）

水资源利用效率（WUE值）=数据中心年耗水量（软化、空调、加湿、维护和发电机组用水等）÷IT设备全年耗电总量；数值越小，水资源利用效率越高。

2.4 碳利用效率指标（CUE值）

碳利用效率指标（CUE值）=数据中心整体能源消耗的二氧化碳放射等同物(CO2eq)÷总体IT能耗；数值越小，碳利用效率越高，数据中心最理想的CUE值为0.0，即数据中心在运营中没有产生碳排放。

2.5 基础设施使用效率（IUE值）

基础设施使用效率（IUE值）=资源消耗量（如：电量供应和分配、制冷量和冷却流量及机架U位数量等）÷设计容量。基础设施使用效率主要用于识别设计或运营缺陷，降低运营风险、提高可靠性和可用性，最大限度地使用现有资源。

本文主要是对电能利用效率指标（PUE值）在该数据中心项目的设计阶段和投产运维阶段的控制方法进行研究，争取将该大型数据中心建设成为绿色高效、安全可靠、价值领先的新型算力基础设施。

3 设计阶段对电能利用效率指标（PUE值）的控制

根据数据中心的电能利用效率指标（PUE值）的计算公式得知，要有效的控制PUE值，令该数据中心顺利取得“韶关数据中心电能利用效率指标控制在1.25以内”的能源审查批复意见，在设计阶段必须就数据中心的空调、变配电、照明、配套设备及IT设备的选型、平面布置等方面展开设计及核算，具体如下：

3.1 空调设备

韶关地区气象参数（参见表3.1-1）

表3.1-1韶关室外气象计算参数

参考上表，韶关地区属于“夏热冬冷”地区，根据统计数据当地年平均气温在18.8℃至21.6℃。

针对当地的气候条件，该数据中心的空调设计选型方案如下：

3.1.1 选用AHU间接蒸发冷却机组作为机房的冷源，在冬季或过渡季节及深夜室外环境温度较低时，充分利用自然冷源，可无喷淋水泵和压缩机运行，节省制冷能耗。通过统计，在韶关地区

自然冷源利用（含自然冷却+绝热蒸发冷却模式）时间合计4420小时，约占全年时间的50%，其中：利用AHU间接蒸发冷却机组制冷系统的自然冷却运行（无水模式）约2760小时/年、自然冷却+绝热蒸发冷却模式约为1660小时/年、自然冷却+绝热蒸发冷却+补充机械制冷模式约为4340小时/年，制冷能效比高达8.42/8.69。

3.1.2 选用风冷氟泵机房专用空调机组作为变配电室、电池室等区域的冷源，综合制冷能效比达7.48。

3.1.3 选用满足《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB 21455-2019）一级能效等级的分体空调作为门厅、消控室、门卫室等区域的冷源，分体空调制冷能效比大于等于5.2。

通过测算，使用AHU间接蒸发冷机组+氟泵机组相比于采用常规中温水供冷（供回水温11/18℃）+板换预冷方式的空调，提高了自然冷源利用时长，同时通过引入AI空调调优等智能控制技术，每年可为该数据中心节省空调能耗高达1500万kWh。

3.2 变配电系统

3.2.1 线损控制：通过合理选择导线截面、规划电缆敷设路径及合理布置变配电室，尽可能的将变配电室设计在用电负荷中心，缩短电缆长度以减少电缆线路损耗。

3.2.2 变压器损耗控制：该数据中心选用达到《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB20052-2020）1级能效的SCB18-2500kVA电工钢带干式变压器46台，空载损耗2.08kW，负载损耗15.44kW，相比常规SCB14型号2级能效变压器，每年可为该数据中心节省变压器能耗约为15万kWh。

3.2.3 UPS电源能耗控制：该数据中心选用高频UPS，由于高频UPS使用IGBT整流器技术和无变压器设计，具有转换效率高及良好的输入输出特性，整体运行效率高达97%，相对于传统工频UPS效率约90%，每年可为该数据中心节省UPS能耗约为480万kWh。

3.2.4 绿色能源光伏发电：该数据中心选用屋面常规光伏组件+幕墙光伏组件，两栋机楼的光伏系统合计装机容量为900kW，年发绿电量约为96万kWh。

3.3 照明系统

选用满足《室内照明用LED产品能效限定值及能效等级》（GB30255-2019）1级能效要求的高效节能LED灯源，与普通节能灯具相比，节能效果显著，机房和楼梯走道区域使用智能照明控制技术，做到人走灯灭，节约电能损耗。

3.4  IT设备

3.4.1  IT设备优先选择能根据负载状态及运行要求进行动态调整的系统内相关组件（如：CPU、硬盘、外设等，支持同步智能调度的任务队列，实现理想的降耗效果。

3.4.2 提高机架的制冷效率

3.4.2.1 采用封闭冷、热通道的方式，冷空气由密闭的冷通道进入机架前端，IT设备吸入冷气降温后，形成的热空气由机架后端排出至热通道，并迅速通过密闭的风管返回到空调回风口，达到热回风与冷出风完全隔离。

3.4.2.2 在机架的服务器与服务器之间安装档板，保证所有服务器吸入是纯冷空气，充分发挥空调制冷效果，减少服务器散热风扇加速运转增加的电能消耗。

3.4.2.3 送风口设置在邻近服务器的进气口处，回风口设置在邻近服务器的排气口处，通过智能控制系统能及时关闭未运行设备的送风口，提高冷源的利用率。

3.5 智能化系统

该数据中心的智能化系统主要为综合管理系统（DCIM）、智能AI集控系统、PUE能耗监测系统，实现对数据中心关键设备进行集中监控、容量规划等集中管理、空调智能控制、通风系统智能控制、风阀智能控制、照明智能控制、蓄电池智能管理、告警提示、监测电力和冷热量等各分类能耗等。

3.5.1 综合管理系统（DCIM）是数据中心各系统的集中监控、指挥调度和技术支持的总平台，实现IT设备和基础设施的实时监控及管理，提升监控管理效率，实现一个可视化、立体式的运维管理系统。

3.5.2 智能AI集控系统能根据环境的实时数据经过分析计算实现对接入的智能设备（如空调、电源、IT设备、照明等），进行空调的AI调优、电源动态调整、任务队列的同步智能调度和照明开关控制等，提高设备运行效率，降低能耗。

3.5.3  PUE能耗监测系统功能包括具备实时自动采集各种分类分项能耗数据和储存；具备监测、分析、统计各种分类分项能耗数据和完善的查询、检索功能；具备曲线图、柱状图及饼图等直观的图形化显示方式和结果；具备按不同条件生成不同的监测报表、生成上报数据，完成自动上传及打印功能；具备实时监控所有智能设备（如：计量表计、数据采集器、网络状态）的运行状态及告警和人员进行配置功能等，达到实时显示PUE值，以推动运维管理、调整设备运行和过程控制等，达到节能降耗。

该数据中心在设计阶段，通过对空调系统、变配电系统、照明设备、IT设备、智能化系统的设备选型和深化设计，估算节能效果合计年节省电量约为2000万kWh，年光伏发电量约为96万kWh，折标煤当量值约为2542tce，等价值约为5939tce；通过采用冷、热通道分隔且热通道封闭的模块机房模式，机房制冷采用AHU间接蒸发冷却空调机组，引入高效物联技术和AI+BA智能控制技术，为PUE＜1.25提供有力保障；通过综合管理系统（DCIM）、智能AI集控系统和PUE能耗监测系统，为数据中心能耗及设备提供精细化、精准化的管理，为项目PUE达标提供强有力保障。该数据中心的最终设计PUE值控制在1.248，顺利通过广东省能源局的专家审查，并取得了能源审查批复意见。

4 投产后运维的PUE值控制管理思路

4.1 开展节能管理

4.1.1 组织在耗能设备操作岗位的操作人员进行节能培训和考核，考核未通过的人员不得上岗；

4.1.2 加强园区人员节能意识，组织开展能源管理体系有关的培训，并安排专人负责节能管理，加强能源消耗控制。

4.2 加强用电计量管理

4.2.1 健全能源消费统计和利用状况分析制度；

4.2.2 为各回路设置计量装置（综合智能仪表）以便于管理。

4.3 设置节能组织机构

4.3.1 设立专人负责的能源计量器具管理机构；

4.3.2 指定专人负责能源消费统计，如实记录能源消费计量原始数据，建立统计台账；

4.3.3 指定专人通过PUE能耗监测系统对能源消耗状况进行实时监测，对实时耗电量进行统计分析，计算数据中心的逐时PUE值和记录PUE变化曲线，及时发现和纠正用能浪费现象；

4.3.4 配备具有相关专业能力的人员（如：空调、变配电及IT专业等），通过设备监控系统和智能AI集控系统控制空调、机柜风阀、水泵、UPS电源、照明等运行状态，识别和利用最佳节能管理实践和经验，引用有效的节能技术和方法，降低能源消耗、提高能源利用效率；

4.3.5 配套充分的资金，配备所需的节能设备、设施、能源计量器具与监测装置等。

4.4 制定和完备管理文件、技术文件和记录

4.4.1 制定和完备管理制度、管理标准及各种规定等管理文件；

4.4.2 制定和完备技术要求、操作规程及测试方法等技术文件；

4.4.3 制定和完备计量数据、检测结果、分析报告等记录材料。

数据中心投产交维后，通过建立科学的运行管理维护团队，设置能源管理组织机构、制定能源管理制度、完善能源计量器具配置、配备能效管理系统平台等管理节能措施，能够使数据中心的相关设备在最优环境与状态下进行科学运行，稳定和降低数据中心内部的运行PUE值，使数据中心达到节能、绿色环保、高效的运营，力争将年运营PUE值控制在1.25以内。

5 结束语

基于超大和大型数据中心的用电量在全社会的用电量占比越来越高，围绕实现2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，国家将坚持和完善能源消费总量和强度双控制度，并进一步限制新建数据中心数量和数据中心运行能耗指标、PUE值。为此，2020年12月23日，国家发改委《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》已明确“到2025年，大型、超大型数据中心运行电能利用效率降到1.3以下”；2021年4月12日，工业和信息化部关于开展2021年工业节能监察工作的通知，明确提出对数据中心进行能效专项监察，核算电能利用效率(PUE)实测值；2021年4月26日，北京市发改委发布《关于进一步加强数据中心项目节能审查的若干规定》征询意见稿，对于超过标准限定值的数据中心，将收差别电价电费。

因此，在数据中心的设计和运维阶段研究及部署各类节能新技术、新方法，控制和降低运营PUE值，是践行CSR、助力国家碳中和目标实现的重要举措；不断优化用能结构，大力推进绿色能源使用，践行绿色发展理念，是构筑“技术先进、绿色高效、节能环保、安全可靠、价值领先”大型数据中心的基础。