一文读懂，数据中心能效指标与计算

随着国家“东数西算”战略的推出，数据中心成为了整个社会的关注重点。作为算力的主要载体，它同样面对严峻的能耗问题。根据数据显示，2020年，全国数据中心共耗电2045亿千瓦时，占全社会用电量的2.7%，数据中心的巨大能耗已不容忽略，提升能效、降低能耗已成为数据中心发展的重点关注之一。

图片来源：《中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》

目前，为了推动数据中心向绿色低碳发展，北京市、上海市、广东省等各地政府 已发布了能效指标PUE 限值：

那么数据中心的能耗构成什么样的？PUE是什么？PUE数值是怎么计算的？数据中心能效指标除了PUE 还有哪些？数据中心能效现状及发展趋势是怎么样的？

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一.数据中心能耗组成

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数据中心（DC，DataCenter）的电能消耗主要由IT设备、制冷设备、供配电系统和照明等其他消耗电能的数据中心设备组成

IT设备：包括计算、存储、网络和连接器等不同类型设备，主要是存储器、服务器、交换机、路由器等。

制冷设备：是指为了保证IT设备运行所需温湿度环境而建立的配套设施，主要冷源设备、机房空调、新风系统等

供配电系统：是指提供满足设备使用的电压和电流，并保证供电的安全性和可靠性，主要是指UPS、蓄电池、柴油发电机、配电柜等。

其他：照明设备、安防设备、消防设备、传感器设备以及KVM管理系统等。

以上这些都是数据中心能耗组成的重要部分，也是下面四个能效指标评价指南里的重要依据。

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二.数据中心能效指标评价

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目前，我国数据中心能效指标比较主流的有：PUE、pPUE（局部PUE）、CLF（制冷制冷负载系数）、PLF（供电负载系数）、WUE(水资源使用效率)、RER（可再生能源利用率）六种，此外还有TGG组织提出CUE（碳利用效率）和CEF（碳排放因子）指标，但是考虑到我国的实际国情，这些标准在我国的应用尚需时日。

01. PUE

PUE（Power Usage Effectiveness）是国内外数据中心普遍接受和采用的一种衡量数据中心基础设施能效的指标。

在数据中心中，只有IT设备的耗电被认为是“有意义”的电能。

PUE的实际含义，是计算在提供给数据中心的总电能中，有多少电能是真正应用到IT设备上。PUE值越小，越接近1表明能效水平越好。

数据中心总耗电：是指维持数据中心正常运行的所有耗电，包括IT设备、制冷设备、供配电系统和其他设施的耗电的总和。

其计算公式为：

PUE=数据中心总耗电 ÷ IT设备耗电

（PUE计算示意图）

02. pPUE

pPUE(Partial PUE,局部PUE)局部电能利用效率是数据中心PUE概念的衍生，用于对数据中心的局部区域或设备的能效进行评估和分析。

局部PUE用于反映数据中心的部分设备或区域的能效情况，其数值可能大于或小于整体PUE。要提高整个数据中心的能源效率，一般首先要从提升局部PUE值较大的部分设备或区域的能效开始。

在采用pPUE指标进行数据中心能效评测时，首先要根据需要从数据中心中划分出不同的分区（用Zone表示）。

例如，一个多层数据中心建筑中的一个机房，或者一个集装箱数据中心的集装箱模块都可以作为一个Zone。

（局部PUE计算示意图）

如上图所示，把数据中心分为Zone1和Zone2两个分区，其中N表示非IT设备耗电，I表示IT设备耗电。

Zone0数据中心的PUE计算公式为：

PUE=（N0+N1+N2+I1+I2）÷ （I1+I2）

Zone1和Zone2数据中心的PUE计算公式为：

pPUE1=（N1+ I1）÷ I1

pPUE2=（N2+ I2）÷ I2

03. CLF

CLF（Cooling Load Factor），是制冷负载系数，定义是为数据中心制冷设备耗电与IT设备耗电的比值，即：

CLF=制冷设备耗电 ÷ IT设备耗电

04. PLF

PLF（Power Load Factor）供电负载系数，定义是为数据中心供配电系统耗电与IT设备耗电的比值，即：

PLF=供配电系统耗电 ÷ IT设备耗电

CLF和PLF可以看作是PUE的补充和深化，通过分别计算这两个指标，可以进一步深入分析制冷系统和供配电系统的能源效率。

（CLF和PLF计算示意图）

05. WUE

WUE（Water Usage Effectiveness）水资源使用效率，用来表征数据中心单位IT设备用电量下数据中心的耗水量。

WUE = 数据中心用水量 / 数据中心IT设备用电量单位L/kwh

数据中心的规模越来越大，冷水系统作为冷源的大型数据中心的耗水量和水源问题已经成为数据中心发展建设的瓶颈，如何减少数据的耗水量，降低WUE值是业内的热点话题。

数据中心冷源用水量W的组成：蒸发用水量+飘逸用水量+排污用水量+湿度调节用水量。

06. RER

RER（Renewable Energy Ratio）是可再生能源利用率，用于衡量数据中心利用可再生能源的情况，以促进可再生、无碳排放或极少排放的能源利用。RER的计算公式为：

RER=可再生能源供电 ÷ 数据中心总耗电

一般情况下可再生能源是指在自然界中可以循环再生的能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。

可再生能源是指对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用。

（RER计算示意图）

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三.数据中心能效现状及发展趋势

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2021年度全国数据中心平均PUE为1.49。其中按照地区统计分析，华北、华东的数据中心平均PUE接近1.40，处于相对较高水平，除地理位置的优势外，该地区的建设和管理水平在近几年也有较大提升，规模化、集约化和绿色化水平较高。华中、华南地区受地理位置和上架率及多种因素的影响，数据中心平均PUE值接近1.60，存在较大的提升空间。

数据中心的低碳节能任重道远，一方面从全国主要的数据中心聚集区发布的政策文件要求看，对于数据中心PUE的关注度越来越高，纷纷出台限制性政策，规范数据中心的能耗管理，加强节能的具体要求。另一方面，随着5G、云计算等新兴技术发展和应用，用户需求海量增长，我国数据中心的数量随之急速攀升，相应的用电量也在急剧增加，这些无疑对数据中心的产业链上的各企业都提出新的挑战。

数据中心产业链

对企业来说，PUE每降低0.01，背后都有大量先进技术的引用和运营体系的持续提升。很多企业为提高能效，最近几年在提升制冷、用电效率上不断优化架构，并采用人工智能技术强化运营管控，新型的节能技术也在新建数据中心中加速渗透

例如：

阿里仁和数据中心采用了服务器全浸没液冷、高压直流（HVDC）、供配电分布式冗余（Distribution Redundancy）、智能AI优化算法等。其自主研发的全浸没液冷服务器集群，利用绝缘冷却液取代传统风冷，无需风扇、空调等制冷设备。由于服务器全浸没液冷技术的大规模利用，阿里仁和液冷数据中心整体能源使用效率PUE只有1.09，达到目前世界最领先水平。

华为Smart DC低碳绿色数据中心，成功入选国家节能产品推荐目录，该数据中心采用智能锂电系统，模块化UPS、智能电力模块和间接蒸发的冷却技术，不仅效率提高97.8%，而且成功降低能耗，年均PUE仅仅只有1.15。

万国数据北京首融云计算数据中心，搭建先进能效管理体系，通过将人工智能（AI）控制技术植入楼宇自动化控制系统、全年最大限度利用自然冷却，数据中心能效水平持续提升。据统计，2020年12月至2021年11月期间北京六号PUE值为1.25，全年减排量超过2200吨。

据2021年12月8日，国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局四部门印发《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》。到2025年，数据中心和5G基本形成绿色集约的一体化运行格局。数据中心运行电能利用效率和可再生能源利用率明显提升，全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下，国家枢纽节点进一步降到1.25以下，绿色低碳等级达到4A级以上。

未来，高能效、可持续将成为数据中心发展的核心要素之一，数据中心的能效由室内外环境、供配电系统、制冷系统等多个因素共同作用，为实现最优能效管理，需综合各个因素带来的效果确定最终方案，建设高能效数据中心，有赖于产业链协同发力，创造开放友好的生态环境。

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本文由能源电力说综合整理

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