施耐德数据中心论坛 | 权衡工具专题 (三) 数据中心效率计算神器 ——《PUE计算器》

《数据中心效率（PUE）计算器》可以帮助数据中心从业人员评估新建或者现有的数据中心年度效率，可视化数据中心效率曲线以及检讨关键设计决策对效率的影响。该工具旨在说明各种设计决策和运行条件对典型数据中心效率和用电成本的影响。用户可以输入供配电和制冷系统配置的详细信息，该工具会基于一个经过测试和验证的三变量模型给出相应的计算结果。

一、数据中心效率的定义

首先，我们先来看一下数据中心效率是如何定义的。电能使用效率（Power Usage Effectiveness - PUE）是指数据中心消耗的总电能与IT设备消耗的电能之比。例如， 如果运行数据中心所需的电能是IT设备消耗的电能的1.5倍，那么PUE值就是1.5。PUE数值越小， 表示数据中心的效率越高。衡量数据中心的另一指标是数据中心基础设施效率（Data Center Infrastructure Efficiency - DCiE）是IT负载的功耗占数据中心总功耗的百分比，它是PUE的倒数，也就是1/PUE。DCiE数值越大，表示数据中心的效率越高。

二、计算器输入参数

通过权衡工具网址：http://tools.apc.com ，我们可以很容易找到《数据中心效率（PUE）计算器》，下图所示为该计算器的界面。该计算器的输入部分包括数据中心架构和设计细节两大部分。下面将为大家详细介绍每个选项对数据中心投资成本的影响。值得注意的是该计算器是根据数据中心的典型值建模的。实际数据中心可能会因实际使用的供配电及制冷设备的效率和容量不同而与此模型相差较大。本计算器的基本价值在于评估不同的设计或条件变化时所产生的相对影响。为得到某个数据中心的实际效率值，需要基于实际安装的系统进行数据中心效率的测量。

1. 数据中心架构

• 数据中心IT容量 - 数据中心IT容量是指数据中心供配电和制冷系统所支持的IT负载的最大功率，以kW表示。该参数对数据中心效率是没有影响的，因为数据中心各子系统的效率都是经过数学化处理的，与数据中心容量之间没有直接的关系。该参数只用于计算数据中心年度用电量。

• 每度电费 - 电价因数据中心所在的地理位置而异。此价格还代表着一个平均价格，它将当地市电机构提供的用电高峰时段电价和非高峰时段电价也考虑在内。用于计算数据中心年度用电成本。用户可根据当地的电价手动输入数值。

• UPS系统 - UPS系统效率取决于若干因素，包括负载百分比、使用年限以及设计要求。传统UPS在满载时效率约为 89%。典型UPS在满载时效率约为92%。高效率UPS在满载时效率约为96%。共有四个选项，可以检讨不同UPS系统对PUE的影响。

• 供配电系统冗余等级 - 分为单母线和双母线两种冗余等级。单母线供电冗余系统是指位于电力设施与关键负载之间由一套非冗余组件组成。双母线供电冗余系统是指位于电力设施与关键负载之间由两套冗余组件组成（即开关设备、UPS、PDU、配电）。

• 制冷系统类型 - 冷冻水型制冷系统是采用位于数据中心IT空间外的冷水机组产生的经盘管流入机房空调的冷冻水来达到制冷的目地。直接膨胀(DX)式乙二醇冷却型空调制冷系统是用泵将乙二醇和水混合物由数据中心内的独立空调机组移动至室外的散热盘管来达到制冷的目的。风冷型制冷无需使用冷冻水或冷却水，直接采用制冷剂将热量带出数据中心。

• 冷水机组类型 - 冷冻水型制冷系统通过3种主要方法将热量排到室外。冷却塔使用独立的水循环系统将热量带出；干式冷却器是采用风机将室外空气吹过充有热的乙二醇混合物的盘管将热量带出；风冷机组使用与乙二醇制冷类似的风机和盘管，只是盘管中流动的是热的制冷剂。

• 气流分配方式 - 周边式制冷系统通常利用加压的高架地板输送空气，使之穿过打孔地板到达服务器进风口。 在紧靠热源的制冷架构中，制冷设备实际安装在尽可能靠近服务器的位置，将冷空气直接输送至 IT 机架的前部，这样可大大减少空气混合情况的发生。InRow 制冷就是这种紧靠热源的制冷方法的一个例子。 气流遏制是一种更为高效的紧靠热源的气流分配管理方式，因为这种方式可防止冷热气流混合在一起。

• CRAC/CRAH冗余等级 - 机房空气调节设备CRAC/机房空气处理设备CRAH冗余等级反映了采用空调的台数。满容量机组台数N指满足正常制冷所需的台数，没有冗余；N+1是指满容量+1台机组；2N指满容量机组台数的两倍；2(N+1)包括满容量N+1台机组，然后整体再增加一套机组。

• 排热设备冗余等级 - 排热设备冗余是指满容量或者有冗余的排热设备机组台数，用于检讨不同冗余等级对PUE的影响。

• 水侧节能冷却模式运行时间 - 水侧节能冷却模式可在一定环境条件下，无需让冷水机组运转，从而提高了制冷系统的效率。 该比例即表示了水侧节能冷却模式在一年的累计运行时间。注：此计算器不支持风侧节能冷却模式。

 2.  设计细节

用户可根据各设计对PUE的影响来权衡是否采用该设计。其中各选项的含义分别为：

• 备用发电机 - 柴油发电机需要耗用一定的电能为起动和加热发动机缸体所需的电池充电。

• UPS处于节能（ECO）模式 - UPS以节能模式运行时，负载直接由市电供电。如果市电发生中断，UPS会切换到电池模式，负载的供电会经历一个短暂的中断。以节能模式运行可提高效率，但同时会稍微减弱对负载的保护。

• 不带变压器的PDU - 此选项最初为北美供配电系统而设置。在北美，典型的IT负载供电为120V，其典型PDU中需配置降压隔离变压器，如果将IT 负载改为更高的电压（如240V相电压）供电，则可以去掉PDU中的变压器进而提高效率。在中国，PDU前端一般是不需要变压器进行降压的，因此该选项为缺省选择。如果出于隔离的目的，在机房环境中PDU前端加入隔离变压器，请取消该项的选择。

• 高能效照明设备 - 传统照明缺乏高能效照明所具有的高能效镇流器等技术。

• UPS供电的CRAC/CRAH - 在极为重要的环境中，有时会将整个空调设备连接至UPS 上。这种做法需要增加UPS容量，导致UPS上IT负载率降低，进而影响效率。

• 协同工作的CRAC/CRAH - 协同工作机房空调设备会彼此通信协调，比如：可以避免出现一个在加湿而另一个却在除湿的状况。

• 变频驱动冷却水泵/冷冻水泵 - 借助变频驱动，冷却水泵和冷冻水泵在各种不同的负载条件下均可高效运转。

• 深高架地板 - 与使用较高的高架地板相比，使用较低的高架地板时风扇将等量空气配送到IT设备需要消耗更多电能。本工具中基准假定较低的高架地板为600mm，其中地板下150mm高的空间存在有通风障碍物；而较高的高架地板高度为900mm。

• 吊顶回风 - 吊顶用作将热气流送回空调的通道，避免与冷气流混合，从而达到更高的制冷效率。

• 优化的机架布置 - 按照冷/热通道布局摆设机架可将热气流与冷气流隔离，有助于防止冷热空气发生混合。冷热气流混合会降低制冷系统的效率。

• 优化的地板架设 - 在高架地板环境中，将打孔地板铺在理想位置可提高制冷系统的效率。不理想的地板位置包括热通道以及通道两端（在通道两端冷空气可能与热空气发生混合）。

• 盲板 - 盲板通过防止热空气与来自空调装置的冷空气混合，达到提高制冷系统效率的目的。

三、计算器输出结果

结果部分包括投资成本汇总、按类型划分的成本和按系统划分的成本三大部分。下面将为大家详细介绍每个选项的意义。

1. PUE曲线 

该曲线可根据不同IT负载率给出在该负载率下的数据中心PUE值和年用电力成本。从曲线的走势来看，IT负载率对PUE有巨大影响。

2. 电能分配

可按照系统类型给出电能分配，还可以给出供配电系统和制冷系统各子系统的用电百分比，同时，还可以给出供配电系统和制冷系统各子系统的年度用电成本。

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