山东伊顿：提升 PUE 运行指标，探索节能措施在 IDC 中的应用

山里、海里、草原里
数据中心使尽浑身的解数
只为求得降低 PUE

    PUE，数据中心运行中重要的电能利用效率指标，PUE 值说明了真正用在 IT 设备的能耗有多少，成为事实上衡量数据中心能效的 KPI。

纵观目前典型的低 PUE 数据中心， 都有一个共同特点：高效利用自然冷源，但与此同时，也牺牲了灵活性。这些数据中心建设模式与环境强耦合，全年平均 PUE 在 1.1 左右。

    不是所有的数据中心都能建在海里和山里，那么怎么降低 PUE 呢？有哪些节能措施正在被使用？

    江苏某数据中心服务器机架由 UPS 2N 系统供电，高低压配电系统为双路由供电方式，空调系统为水冷中央空调。数据中心年度总用电量电费为 5180 万元，其中分类单项用电量见表 1：

表 1-某数据中心类单项用电量

    表 1 中，空调用电包括水冷机组用电和楼层机房风柜用电，水冷机组用电占总量 19.3% 和楼层机房风柜用电占总量 17.7%；UPS 用电包括数据机架用电和 UPS 设备损耗，数据机架用电占总量 54% 和 UPS 设备损耗占总量 6%。数据中心 PUE 值为 5180/2797 = 1.85。以下就数据中心实际使用水冷机组节电措施、UPS 节能措施、LED 照明节电措施的实际效果以及影响 PUE 指标的变化。

水冷机组节电措施
    数据中心空调系统一般是按最大负荷设计安装，室外环境温度对空调系统运行影响很明显。在夏季空调系统运行负荷率就高，在冬季空调系统运行负荷率低，空调系统全年大部分时间运行在非满载的变动状态，一年四季和白天与黑夜的环境温度的变化；还有 IT 负载的能耗和网络访问量运行状态相关，根据 IT 应用的特点，空调系统运行负荷率每天 24 小时都在变化。

    水冷机组用电量占数据中心用电总量 19.3%，数据中心水冷机组的冷冻水泵、冷却水泵采用变频技术非常重要，节能潜力也比较大。数据中心空调水冷机组的冷冻水泵、冷却水泵采用变频系统后，经过几天实际运行测试，节能率达 29.23%，以下表 2、表 3、表 4为实际变频运行测试数据。

表 2–变频运行工况实际测试耗电量

表 3–工频运行工况实际测试耗电量

    数据中心空调水冷机组的冷冻水泵、冷却水泵采用变频系统后，与工频相比每年度节电率按 20% 计算，根据表 1 计算，每年节电金额 1000 万元*20%=200 万元。

    采用变频系统后，数据中心 PUE 值=（5180-200）/2797 = 1.78

    即数据中心采用变频节能技术后，PUE 值指标从原来的 1.85 上升为 1.78。

UPS 节能措施
    数据中心服务器机架供电为 UPS 2N 供电方式。由于 2N 供电方式，日常运行中 UPS 设备带载率 30～40%；在此带载率情况下，IGBT 高频 UPS 实际运行效率在 90% 左右。在整个数据中心用电量结构中，UPS 用电量是最大的，提升 UPS 实际运行效率，就必须降低 UPS 自身损耗。该 IDC 所使用的伊顿高频 UPS 具备成熟的旁路市电交流直供能力，使 UPS 实际运行效率提升至 99%。

表 5–UPS 不同负载率的运行效率

    UPS 在交流直供模式下正常运行时，通过系统旁路给负载进行供电，而整流、逆变等主回路均工作在在线休眠状态，此时 UPS 关键电气功率部件 IGBT、滤波电路、电感等都处在无负载电流的“休眠”状态，主要的机械部件风扇等也处于“休眠”状态，UPS 自身损耗降低，提升 UPS 实际运行效率。

    针对 UPS 交流直供模式运行的安全可靠性能，我们做了多次可行性测试，测试运行在交流直供模式的 UPS 系统，在遭遇交流输入供电突然中断的情况下，是否能保证负载的安全、不间断供电。以下是测试内容和图示：

1、断开旁路市电输入的测试：此时，整流市电输入正常。

    测试 UPS 输出电压的波动和切换间隙时间的长度。测试结果如下图所示，输出电压波形没有任何的间断和冲击，仅在切换瞬间有微幅度的失真。

2 、断开 UPS 主输入的测试：此时，旁路市电输入正常。

测试中 UPS 输出电压的波形没有任何变化。

3、同时断开旁路市电输入和主输入（整流输入）的测试：测试 UPS 输出电压的波动和切换间隙时间的长度。

测试结果如下图所示，输出电压波形没有任何的间断和冲击，仅在切换瞬间有微幅度的失真。

     根据上述实际测试结果证明，UPS 在带载情况下的切换间隙几乎为零，切换过程中不会产生任何的电压冲击，因此切换的安全性完全符合现代 T4 机房的供电安全性要求，更低于服务器等网络负载容许的切换间断时间。

以下是 UPS 交流直供模式下的实际数据和正常运行模式下的数据：

    UPS 交流直供模式下，UPS 输出由旁路直供，供电效率接近 100%。

    UPS 正常模式下，实际带载率为 30%，供电效率为 90%。

    数据中心 UPS 系统采用交流直供模式工作后，UPS 运行效率提升了 9%，每年实际节电量为 3108*9% = 279.7 万元。

    数据中心 UPS 系统采用交流直供模式工作后，数据中心 PUE 值=（5180-279.7）/2797 = 1.75 。

    数据中心采用变频节能技术和 UPS 系统采用交流直供模式工作后，数据中心 PUE 值=（5180-200-279.9）/2797 = 1.68。

PUE 值指标从原来的 1.85 上升为 1.68。

LED 照明节电措施
    LED 照明替换原有的荧光灯，节电率可达到 30-40%，而且原有的荧光灯整流器产生热量比 LED 照明消耗更多空调制冷量，LED 照明光衰和寿命都优于原有的荧光灯。

    数据中心更换 LED 照明后，每年节约电量为 103 万元*30% = 31 万元

小结
    数据中心空调水冷机组的冷冻水泵、冷却水泵采用变频系统、UPS 系统采用交流直供模式工作、LED 照明替换原有的荧光灯后，数据中心每年节约电费：200+279.7+31 = 510.7 万元。

    数据中心 PUE 值 =（5180-510.7）/2797 = 1.67，即 PUE 值从原来的 1.85 提升到了 1.67。

其他节能措施使用讨论

    从表 1 分析，数据中心电费比重最大的是 UPS 用电，其次是空调用电，空调用电包括水冷机组用电和楼层机房风柜用电。其中，水冷机组用电占总量 19.3% ，楼层机房风柜用电占总量 17.7%，以下我们就这两方面讨论节能措施的深入。

高压（10kV）水冷机组主机的使用

高压水冷机组主机已具备成熟产品，如果数据中心水冷机组主机采用高压（10KV）供电标准产品，优点体现于：

1、配电系统结构简单，电压标准提高的情况下，断路器容量和连接供电线路容量减少，初期投资降低；
2、高压市电引入申请容量减少，投资成本降低；
3、同功率情况下，机组日常运行损耗降低，供电使用率高。

    如果数据中心发电机组采用高压（10kV）供电标准产品，高压（10kV）水冷机组主机优势更加明显。

总结

    数据中心每年运行用电量基数比较大，引入节电理念和实施多种节电措施后，节电效果比较明显。以本次讨论的数据中心每年 5180 万元电费，采取多种节电措施后，节电效果汇总见下表格（电费单位万元）：

表 7-节电效果汇总表

    在实际日常维护中，还可以加强以下措施来节约机房用电能耗：

机架底部进风口大小根据实际机架发热量合理控制开口；

对机架外壳与服务器之间盲板处理，形成机架内部冷风通道，减少冷风短路；

合理提高机房环境温度 22℃ 提高至 23℃；

大于 20A 用电量的列机架可进行冷通道处理。

    加强节能意识采取多种合理的节能措施，更好的数据中心用电管理，节约数据中心用电能耗，减少运营电费成本，提升数据中心 PUE 运行指标。

山东科普是伊顿电气山东总代理，伊顿UPS电源，伊顿精密空调，可联系4006866839.