数据中心耗电设备按其功能划分可分为：电力设备，包括发电机、变压器、UPS、蓄电池、PDU等；制冷系统，包括冷水机组、精密空调、冷却塔、水泵、自控系统、机架风扇等；IT设备，包括服务器、存储器、交换器、工作站、监控电脑主机等；其它设备，包括照明灯具、消防系统、监控系统等，如图所示。
数据中心能耗评价指标的作用是来衡量数据中心运行过程中的电能利用情况。数据中心根据其维度的大小可以将能耗评价指标分为数据中心维度、系统维度以及设备维度，也有各自对应的指标。不同的数据中心容量、建筑结构、选址的气候条件及自然资源，不同的成本及节能目标均不同程度影响着冷却系统的选择，进而影响数据中心能耗比例。因此，在IT设备耗能一定的情况下，如何选取或设计高效的冷却系统，成为了降低数据中心PUE的关键。
数据中心PUE是数据中心维度能耗评价应用最为广泛的指标，为数据中心总耗电量（PDC）与IT设备耗电量（PIT）的比值，见式（1）。
PUE反映的是为满足IT设备供电要求的数据机房的总供电率，PUE值越小越好，该值越趋近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高。数据中心总耗电量是维持数据中心正常运行的所有电量，包括IT设备能耗（
P
IT
）、供配电损耗（
P
power
）、冷却系统能耗（
P
cooling
）以及其他能耗（
P
other
）组成。
将式（2）代入式（1）即可对PUE进行进一步分解，如表达式（3）所示。由式可知，在PUE概念中，IT设备的能耗始终是常数1，它所衡量的是在IT设备运行能耗的基础上，供配电系统、冷却系统以及其他系统增加的能耗系数。
式中，PLF（Power Load Factor）为供配电能耗因子，是供配电损耗与IT设备能耗的比值；CLF（Cooling Load
Factor）为冷却能耗因子，是冷却系统能耗与IT设备能耗的比值；OLF（Other Load Factor）为其他能耗因子，是数据中心其他能耗与IT设备能耗的比值。
由数据中心的电能流向图可知（如图所示），来自市电或柴油发电机的高压电能通过自动转换开关进入数据中心的低压配电系统，经过降压处理后再分配给不同的能耗子系统。而在电力输送和电压转化的过程中往往会存在电力的损耗。这些损耗即为供配电的能源消耗，包括电源设备损耗和电缆损耗。其中，设备损耗包括UPS（Uninterruptible
Power Supply，不间断电源）损耗以及变压器损耗，PDU（Power
Distribution Unit，电源分配单元）损耗可视为电缆损耗，具体表达式见式（4）。相比上述配电设备和电缆损耗，配电柜的的损耗最小，为了简化计算，该部分损耗基本可以忽略不计。因此，在图中，照明系统和空调系统中M3的值等于M1的值，总配电前后的值相等。
当已知配电设备前后的电量值，即可计算出配电设备的效率值；同样地，当已知配电设备的效率值，即可根据设备前后的电量值计算出配电设备的损耗。如UPS的效率可以用测点M2和M3处的电量值之比来表示；当已知IT设备的能耗以及UPS和PDU的效率值，即可计算出UPS的损耗。因此，UPS、PDU和变压器损耗可以用IT设备能耗和UPS效率（
η
UPS
），PDU效率（
η
PDU
）和变压器效率（
η
trans
）来表示，具体计算分别见式（5）、（6）和（7）。
对于配电设备损耗而言，其损耗的大小与供配电架构及不同配电设备的选取息息相关，同时，配电线缆线路越长，产生的损耗越大。根据现有厂家资料以及工程经验，各设备的效率如表4.1所示。
数据中心其他能耗主要包括照明、监控和消防这3类设备的能耗，其中照明能耗占比最大。为了简化计算，监控和消防能耗在这里忽略不计。根据现有文献，数据中心照明能耗占IT设备能耗的2%~5%。那么，即可认为OLF为2%~5%。OLF的计算表达式见式（9）。
对于制冷系统而言，不同的空调系统，制冷压缩机、工质输送泵、室内通风、室外散热所占的比例也会有所不同，COP（性能系数，Coefficient Of Performance）主要考核和评价压缩机的制冷制热效率，可用目标冷却系统的总制冷量除以制冷系统/设备的能耗来表示。这里用
COP
system
来表征制冷系统的制冷效率，用
COP
chiller
来表征冷机的制冷效率。另外，APF（变频空调全年能源消耗效率，Annual
Performance Factor）和EER（能效比Energy Efficiency Ratio）指标分别应用于变频空调和定频空调，它们是在额定工况和规定条件下，空调器进行制冷运行时，制冷量与有效输入功率之比。针对数据中心的全年运行特点，一般情况下绿色节能的数据中心会考虑变频节能设计，所以对于数据中心的制冷系统更适合用APF来对应数据中心全年平均PUE衡量节能特性，对应着室外通风散热、制冷压缩到室内制冷循环工质乃至通风气流整体的能效水平。
结合式（3）可知，CLF是目前影响数据中心重要的因素。在不同气候条件下，不同的冷却架构对CLF的影响很大，进而影响PUE值的大小。相同地，当已知PUE值的情况下，无论在何种气候下，可以计算出CLF值，根据该值的大小倒推不同气候区内合适的冷却系统。CLF是冷却系统能耗与IT设备能耗的比值，具体表达式见（10）。
由于数据中心冷却系统的负荷主要来自机房内安装的IT设备及辅助设备的发热量，由建筑围护结构传入的热量以及辐射热很小，因此，IT设备的发热量占冷却系统负荷的比重很大，用α表示。另外，IT设备的发热量是IT设备消耗电能产生的，两者在数值上近似相等。故当α已知时，根据COP的定义，结合CLF的表达式，冷却系统COP可以用α和CLF来表示，见式（11）。
冷却系统主要由冷源、输配系统以及末端组成。每部分的设备COP可以用冷却系统总制冷量除以设备能耗来得到。与系统COP计算方法相似，当冷却系统确定时，各设备的能耗也就可以确定，其占整个冷却系统的比值用β来表示。那么，在式（11）的基础上就可以计算出各设备的COP，如式（12）所示
为了达到当前各地区越来越苛刻的PUE指标要求，对应的冷却系统的能耗系数需要控制很低，即CLF限值低。根据式（10）可知，CLF值越小，说明单位IT设备能耗的基础上冷却系统所增加的能耗系数越小，在某种程度上也可认为该冷却系统越高效，相反CLF值越大，可认为冷却系统越低效。根据PUE的定义式（3），当PUE值一定时，PLF和OLF值最小，即配电损失和其他功耗能耗系数最小，此时的CLF值最大，冷却系统的效率最低。结合公式（1）~（10），PUE的计算表达式即可整理为式（13）。
根据上述理论推导，结合现有的数据中心相关的系统架构，即可计算出不同PUE水平下的CLF值。在现有的数据中心中，配电系统通常是2N配置，因此在数据中心满负载运行时，各路电的负载为50%，此时变压器的效率为99%，UPS的效率为96%，PDU和线路传输的电力利用效率为99%。另外，照明的功
耗占IT设备功耗的值取0.02。
结合不同PUE限制，代入式(13)，即可计算出制冷系统CLF的最大值，具体计算结果见表4.2。
在式（11）中，α取值一般在0.8~0.9的范围内，这里取0.9，结合表4.,2，可计算出各PUE限值下的系统COP最小值见表4.3。表中的COP为各PUE限值下机械制冷系统的COP最小值，也可以是考虑机械制冷+自然冷却的系统平均值。根据上述的计算思路，在冷却系统架构已知的情况下，结合当地的气候特点，即可计算出不同气候区下各空调系统的系统COP。
对于冷冻水式空调系统而言，冷水机组为整个系统的重要组成部分，其性能的大小直接决定了空调系统的能效。结合式（12），根据工程经验，水冷冷冻水系统的β取值在0.5~0.55的范围内。这里取0.52,。那么，在不考虑自然冷却工况下，各PUE限值下的水冷冷水机组COP最小值见下表。
以冷冻水系统18℃/24℃的供回水温度为例，板式换热器的换热温差为1.5℃，冬季冷却塔的逼近度按5℃来计算。此时，室外湿球温度的切换温度为11.5℃，这里按11℃对京津冀地区、长三角地区、大湾区、中西部地区的自然冷却
时长进行统计。
结合表4.3中的系统COP限值，可以计算出考虑自然冷却工况下，
各PUE限制下的水冷冷水机组的 COP最小值。
其中，各地区自然冷却时长的统计见表4.5，考虑自然冷却工况的水冷冷水机组COP最小值见表4.6。
文章来源：《数据中心制冷系统高效预制集成技术白皮书》
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