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数据中心电力效率建模 | 计算电力效率岂能“铭牌”式?

日期:2022-08-04


 

上期我们探究了数据中心的电都去哪儿了!本期我们来看在明确数据中心各组件的电力消耗的情况下,是不是计算电力效率只是简单的加减乘除吗?各组件的实际效率是否还是一成不变的呢?和不二师兄一起看下去吧!

 

数据中心效率的观念偏差

 

虽然数据中心的效率可以凭经验来确定,即将所有IT设备的能耗相加并与数据中心的电能输入总量相除,通常的做法是依据制造商提供的UPS和CRAC等主要组件的效率声明。这可能比较省事,但获得的效率参数常常被严重夸大,掩盖了可能有助于发现节省电力成本的机会的任何信息。

 

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数据中心的效率不仅仅是“铭牌”式的

组件效率

 

制造商提供了电源和冷却设备的效率数据。对于电源设备效率通常以输出电能与输入电能的百分比来表示,对于冷却设备效率通常以称为“性能系数”的相关参数来表示。

 

不同制造商发布的同类设备的效率值相差并不很大,这导致人们简单地认为,只需将各个组件的无效耗电量相加便可获得数据中心的效率损耗数字。可惜,这种方法无法获得实际的数据中心的准确数据。使用制造商的额定效率导致用户或设计人员大幅夸大效率,从而低估实际的数据中心的效率损耗。

图6  制造商为每种组件提供了单一的效率数值

 

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错误的观念

 

表1列出了导致数据中心效率模型发生显著错误的三种常见的错误观念。

 

表1  有关数据中心效率的错误观念

 

这些主要错误相互交织,使问题更加复杂,尤其是在大多数数据中心最常见的低IT负载的情况下。其结果是,数据中心的电损耗通常被低估两个或更多的系数。

幸好,可以通过建立一个包含上述问题的简单模型,来估算出更可靠的效率数字。

 

数据中心效率的改进模型

 

数据中心总体效率的改进模型依赖于各个组件(例如UPS)建模的准确性。使用单一的效率值来标示电源和冷却组件的效率是普遍的做法,但这种做法并不适合实际的数据中心安装。

 

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改进模型的有关分析

 

一个组件(例如UPS)的实际效率并非一成不变,而是随IT负载的变化而变化。图7显示了典型的UPS效率曲线。

 

图7  UPS作为负载的函数的典型效率

 

值得注意的是,当接近非常小的负载时,该设备的效率会下降为零。这是因为有一些损耗不受负载的影响,例如控制逻辑损耗。这种不受负载影响的不变的损耗有各种名称:无负载损耗、固定损耗、分流损耗、空载损耗或并行损耗。本系列文章使用空载损耗这一名称。

 

图8是与图7相同的数据的另一个图示。值得注意的是,随着负载的减少,UPS的内部能耗(即“损耗”,如每个条形图的红色部分所示)占总电能的比重越来越大,因而减小了效率百分比的值。这是由空载部分的损耗造成的,该损耗无论负载如何始终保持不变。

图8  内部UPS损耗对效率的影响

 

图7和图8中的数据所描述的UPS可以称为具有91%的效率。然而,这是满负载时(即最理想情况下)的效率。在低负载时(大多数数据中心都是在这种状态下工作),说该设备的效率为91%是完全错误的。例如,在10%负载时,该UPS表现的效率仅为60%。显然,在这种情况下单一参数的效率模型是不适当的。

 

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内部设备损耗的三种类型

 

仔细研究图8后可发现,设备损耗(条形图的红色部分)随着负载的增加而增加。这是由空载损耗以外的与负载成比例的其他损耗造成的。在此之上甚至还可能有一个损耗组件(该图中看不见),与负载的平方成比例,这通常影响不大,但在过高负载时可能会使总体效率下降。

 

表2显示数据中心使用的各种设备的这三种损耗类型的典型值。最后一列给出了这些损耗的和,作为该组件的总损耗。

表2  用满载组件额定值的比例值表示DCPI组件电气损耗

 

从表 2 可以看出,通过使用不超过两个的参数来标示每种类型的设备,可以为数据中心使用的组件创建更完整的模型。 值得注意的是,本表中的损耗值表示为设备满负载额定值的百分比,而对于小于满负载的实际负载,损耗百分比将会发生以下变化:

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空载损耗:损耗百分比随着负载的减少而增加

2

比例损耗:损耗百分比不变(不受负载影响)

3

平方律损耗:损耗百分比随着负载的减少而减少

图7和图8中描述的典型UPS效率无法用单一效率参数进行准确建模,而是用表2的空载损耗 (4%)和比例损耗(5%)参数进行了合理建模。

 

 

下期我们来看负载欠载、热负荷数据中心电力影响,并结合这两期的内容,和不二师兄一起重组数据中心效率“拼图”。

 

 

 

 


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