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解读绿色数据中心PUE指标

2019-08-19 09:36:50来源:励志吧0次阅读

引言

数据中心近十年来如雨后春笋般拔地而起,数据中心的节能问题也越来越引人注目。如何界定绿色数据中心?国际上尚无统一的标准,目前比较通行的评价指标是PUE ( Power Usage Effectiveness,电能使用效率),PUE是一个比率,无量纲,取值大于1,PUE值越小越好,国内已建成的数据中心大多在2. 5以上,欧美国家在2左右。

1 PUE定义

PUE概念最早由Christian Belady提出,并由业内颇具影响力的绿色网格组织TGG (The Green Grid)发展和完善,TGG在2007年给出的定义是:

笔者把TFP划分为ITEP和非IT设备功率NITEP(Non-IT Equipment Power),非IT设备可以理解为基础设施,于是该公式可以改写为:

从公式来看,要降低PUE,只能减小非IT设备耗电量和增大IT设备耗电量,但是非IT设备与IT设备耗电量是有关联的,不是独立的变量,在数据中心正常运营的情况下,一般两者同升同降,但不是简单的线性关系。实际运用中,往往不会改变IT设备,只有通过采取节能措施降低非IT设备的耗电量来降低PUE,这是一般的数据中心运营管理人员或合同能源管理提供商能做的。

2 PUE提出的目的

数据中心IT设备本身及部署的功率密度值突飞猛进,数据中心的耗电量白然就会水涨船高,运营成本费用中,电费成本远远大于其他运营费用,这引起了人们的广泛关注并着手研究这个课题。在绿色节能大潮的引领下,节能减排势在必行,初步研究发现基础设施的用电量比IT设备本身用电量大1倍甚至2倍以上。基础设施是为IT设备服务的,这有点喧宾夺主的味道。PUE提出的目的就是要降低基础设施的费用成本,这也是一般运营管理人员能够做的。

3 PUE的动态变化

我们知道,无论是IT设备还是非IT设备,这些负荷耗用的电功率随着时间的变化而变化,这种变化是无序的。它既受季节变化的影响,也与其他因素有关。如,数据中心前年增加了视频监控系统,要求照明灯一直开着;去年又对新风系统进行了改造,将传统的新风机换成全热交换器;今年刚刚发生的某个事件导致数据中心的访问量暴增;精密空调的压缩机、加湿器、再热器等等需要经常自动启停;UPS在逆变和自动旁路工作模式之间自动切换等等,这些因素都会导致PUE每时每刻都在变化。所以我们研究PUE,不能仅看某个时刻的静态PUE值,还要看它每天、每月或者每年的PUE值,进行“环比”和“同比”,研究它的动态变化趋势。

4 PUE特指电能使用效率

PUE (Power Usage Effectiveness)是电能使用效率而不是能源使用效率EUE ( Energy UsageEffectiveness )。能源的概念很广,有可再生的和不可再生的,这些能源和电能之间的换算很难,TGG组织建议采用换算因子进行换算,笔者认为不太可取,我们的目的是节能减排,增加可再生的清洁能源的使用,由于技术水平上的差异,各个国家在不同时期的换算因子也应该是不同的,很难统一。所以,笔者建议:鼓励数据中心因地制宜地利用太阳能、风能、水能、空气能(作为冷源使用)、天然冷却水源、热电联产中的副产品热能、冶金化工等行业的废热等等,这些能源不在PUE的计算之列。

5 PUE是相对于IT设备而言的,它也是评价基础设施电能使用效率的指标

从PUE公式来看,减小NITEP和增大ITEP都会实现PUE的降低,这里笔者把基础设施统称为非IT设备,便于研究和理解这两个对立面之间的关系,下面分三种情况进行讨论:

a.非IT设备一次性建设,IT设备分期部署,这是现实中较常见的模式,随着IT设备的逐渐部署,ITEP也逐渐增大,PUE应该呈现出逐渐降低的趋势。

b.非IT设备和IT设备同步分期建设与部署,PUE值在一定范围内波动,并很有可能略有降低。

c.据中心建设的常见模式,这给在漫长的运营周期内改善PUE水平提供了很好的条件。我们可以持续地逐步改进PUE水平,并进行“环比”和“同比”,我们所能做的主要是采取措施降低NITEP。非IT设备是为IT设备服务的,在保持IT设备不变的情况下去减小NITEP,这就是PUE提出的主旨。数据中心基础设施的用电量减小了,数据中心的电能使用效率也就提高了。

PUE是相对于IT设备而言的,如第a种情况所述,在非IT设备数量不变的情况下,IT设备开启一台与开启两台相比,PUE值相差较大,要维持PUE值在理想的水平,运营管理人员应按需开启非IT设备,避免不必要的浪费。所以我们在数据中心日常管理过程中,需要时刻掌控PUE的变化趋势,分析判断这种变化的原因。以便做出正确的决策。

[page] 6 PUE必须是在数据中心正常运营时测量才有效

从上文中我们知道,PUE是动态变化的,无论是在数据中心建设初期的试运行阶段(这个阶段通常IT设备仅开启少数的几台),还是在建成后的正式运营阶段,或者是在突发故障应急运行阶段(如非IT设备总电源开关故障),其PUE值都是不一样的,甚至可能差别很大。举一个极端的例子,若采用市电直接对IT设备供电,关掉其他非IT设备,这时PUE值近似等于I,但我们不能说该数据中心能效优异,也许这种状况只能维持Ss就有服务器死机或宕机了。所以,必须在数据中心正常运营时测量的PUE才是有效的。

7 同一数据中心不同时期的PUE值比较更有意义,不同数据中心PUE值比较意义不大

所有软硬件配置都相同的数据中心,地域不同PUE值可能也不同,所以不同地域的数据中心的PUE值比较意义不大。但是,在规划设计时,PUE可以提供一些有益的指导,如指导我们进行数据中心的选址和设备的选型;一旦数据中心建成投人正常运营后,我们应监测PUE的变化,并将每周、每天甚至是每天不同班次的PUE值进行比较,这样也有利于促进人们养成人走关灯关门、多风凉爽的天气采用自然通风而少开新风机、尽量少进出机房等良好的机房用电习惯,日积月累,节约的电能是可观的。

对数据中心建筑本身的维护结构进行隔热保温的节能改造,对机房内IT设备进行分类布局、提高部署密度、优化气流组织等改进措施,调整数据中心所有设备低负荷全用模式为部分设备高负荷运行和部分整机待命备用模式,调整精密空调设定的送回风温度和相对湿度允许波。动范围,改干冷器为水冷冷凝器,改直接蒸发式制冷为冷水机组供冷,改多台小型冷水机组为少数几台大型离心式冷水机组,部分季节采用天然冷源给数据中心供冷,这些措施对降低PUE值是有帮助的,虽然这些措施需要增加费用,有的措施甚至还会大幅增加费用,但经过综合评估从长远来看还是值得的。在数据中心运营管理过程中,我们不但要用好现有的技术手段,还要不断学习数据中心节能减排的最新技术并应用到数据中心节能减排改进中来。

8 PUE相关物理量的测量必须在同一时刻或同一时间段内进行

PUE是通过计算总设施功率TFP (Total FacilityPower)和IT设备功率ITEP (IT Equipment Power)的比值得来的,但总设施功率TFP和IT设备功率ITEP的测量必须在同一时刻或同一时间段内进行。实际应用中,PUE值可以通过自动化仪表或者软件直接读出,通过实时监测数据中心每一路输入有功电功率,按一定的频率同步采集信号并分别计算总设施功率TFP和IT设备功率ITEP算术和后的比值,实时显示出来,可以查询或同时显示日PUE、周PUE,月PUE、年PUE等等,也可以自定义时段进行查询或显示PU变化趋势图表,这些时段的PUE是通过把对应时间区段内采集到的离散数据先求和再求比值得出的。

总设施功率TFP和IT设备功率ITEP计量的是有功电功率,单位为kW,如果采用普通电度表计量,可以用电度表在该时段始末时刻读数的差值除以该时段时间,就得出了该时段的加权平均有功电功率。

我们常听说的某某数据中心报告的PUE达到多少多少,实际上可能是其在某个时刻出现的最小值,不具有代表性,并不能说明其PUE的真实水平,仅能用于该数据中心PUE的实时监测比较,要和其他同类数据中心PUE比较,笔者认为至少是用年平均PUE才能说明一些问题。

9 PUE的比较不考虑经济因素。仅仅是技术上的比较

这一点很容易理解,虽然PUE是一个比率,但是分子分母都不是货币单位,降低PUE值并不是为了省钱。在规划设计时力求降低PUE值,其结果往往是一次性建设成本的大幅提高,同时带来预期用电量的减少;在数据中心运营过程中采取措施降低PUE值也会产生一些改造费用,同时也会带来改造完毕后用电量不同程度的减少。这一增一减,降低了PUE值,也实现了节能减排的目的。

10 数据中心边界不同得出的PUE值不同

对于一个新建的仅使用电能的独立数据中心建筑,数据中心的用电设备基本可以分成两类,IT设备和非IT设备,识别这两类设备也很容易,不同的人计算出来的PUE也一致。但是,这种数据中心往往只有极少数,绝大部分数据中心所在建筑是多用途的,供给它的能源也是多种多样的,数据中心仅分摊了其中的一部分。哪些电能(或折算成电能)应该计算在列,哪些不应计算在列,计算在列的究竟分摊多少比例,不同的人有不同的见解,这也使计算数据中心的PUE变得异常复杂,得出的结果自然也会大相径庭。

对于这种边界模糊的数据中心,应该制定统一的PUE计算原则,识别数据中心所有相关设备,明确哪些是应计算在列的数据中心设备,哪些是不应计算在列的非数据中心设备,哪些计算在列的数据中心设备是IT设备,哪些是非IT设备,对于非IT设备还要明确是数据中心独用还是共用,共用的要明确分摊比例,这些原则未必是最合理的,但是,只要我们始终如一秉承这些原则,就可以正确评估各种节能改进措施是否合理,指导我们不断调整改进节能方案以进一步降低PUE值,达到节能减排的目的。

对于有使用可再生能源(如太阳能、风能等)的数据中心,TGG认为不应计算在列,而且认为对PUE没有影响。对此笔者有不同见解,不管数据中心是如何利用这种非电能源的,只要这种能源的利用对节能减排有利并且确实降低了数据中心基础设施的用电量,那么就对降低PUE值有贡献,这与国外某些PUE值超低的数据中心充分利用天然的冷源给IT设备降温以实现节能减排是一回事。所以,对于使用某些非电能的数据中心,如太阳能、风能等可再生能源,可利用的废热、余热,天然的低温水源和空气能等等,这些能源虽不计算在列,但是合理利用这些能源可以大大减小数据中心的市电用电量,并且很有可能降低PUE值。

[page] 11 PUE测量的分类

随着数据中心建设的火热进行,在PUE问世的短短五六年间,PUE得到了广泛认可和不断发展,全球数据中心的PUE纪录在不断刷新,在赚足媒体目光获得巨大广告效应的同时,人们开始质疑PUE测量的公正性和权威性。为此,TGG提出数据中心PUE的测量分为4类:PUE0, PUE1, PUE2和PUE3,如表1所示。

表1 PUE测量的分类

上述PUE0-3使PUE的测量具有一定的公正性,避免出现模棱两可的情况。如PUEO中分子分母均采用一年内的最大值,PUE1-3中分子分母均为年耗能,从PUE0到PUE3,测量的等级要求越来越高。而且,PUE1-3分子分母均不限于电能,可包括某些非电能源,如数据中心的澳化铿冷水机组使用的燃气、柴油、煤炭等燃料需折算在内(PUE0用于仅使用电能的数据中心),避免不同数据中心使用不同能源产生的计算分歧。对于某些数据中心使用天然气进行热电联产的情况,只要数据中心对热和电进行合理的综合利用,减少能源浪费,应该可以降低PUE值。如果仅利用其电能,仍然采用电冷机,未利用余热进行制冷,对热能弃之不用,对PUE是没有好处的,因为生产同样的电能,会比专业热电厂耗费更多的天然气,这对节能减排不利。

12 PUE带给我们的启示

PUE提出的初衷是希望合理减小数据中心基础设施的耗电量,更多地使用可再生能源,最终目的是节能减排,而不是一味地追求低PUE值。不同数据中心盲目地攀比PUE不可取。正如PUE创始人Christian Belady所说:“我并不在意你的PUE是1. 25还是1. 5,只要你在关注这个问题,同时又在不断取得进步就足够了。”

13 PUE的局限性

我们知道,对于一个现成的数据中心,基础设施耗电减少IW只能带来整个数据中心节能m,如果IT设备耗电减少Iw,整个数据中心就可能节能2 W,甚至更多。但是IT设备节能1W对PUE是没有帮助的,这就是PUE的局限性,它不能衡量数据中心整体的电能使用效率。也不能衡量IT设备本身的电能使用效率,仅仅是衡量基础设施的电能使用效率。PUE值低说明大部分电能都用在IT设备上。我们希望找到一个公认的能够体现数据中心整体或者是体现数据中心IT设备电能使用效率的指标,这个指标应该是单位电能的产出,有量纲的,虽然已经有许多专家学者提出了众多指标,但到目前为止还没有一个能像PUE一样得到广泛认可。

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