M5-03 PUE详细测算与能效设计

模块5 · Day 22 | 机房规划与空间设计

学习者：王鸿才 | 目标岗位：弱电智能化解决方案架构师（智算中心） 项目锚点：北京平谷智算数据中心（9120个6kW机柜，80%利用率） 核心命题：平谷项目每年耗电多少度？PUE是多少？如何精确计算并优化？

导言：PUE为什么是数据中心的"第一KPI"

PUE（Power Usage Effectiveness，电能利用效率）是当今数据中心行业最重要的单一指标。

PUE的计算公式：

PUE = 数据中心总用电量 / IT设备用电量
    = (IT设备 + 制冷 + 供电损耗 + 照明 + 其他) / IT设备

为什么PUE如此重要？

平谷项目量化影响（9120机柜×6kW，80%利用率）：

IT设备年耗电 = 9120 × 6kW × 80% × 8760h/年
            = 9120 × 4.8kW × 8760h
            = 383,385,600 kWh ≈ 3.83 亿度/年

PUE=1.5时，总耗电：3.83×1.5 = 5.75 亿度/年（非IT损耗 1.92 亿度）
PUE=1.3时，总耗电：3.83×1.3 = 4.98 亿度/年（非IT损耗 1.15 亿度）
PUE=1.2时，总耗电：3.83×1.2 = 4.60 亿度/年（非IT损耗 0.77 亿度）

PUE从1.5优化到1.3，每年节电：(5.75-4.98)×10^8 = 7700万度
按商业电价0.7元/度：节约成本 = 7700万 × 0.7 = **5390万元/年**！

PUE的历史演进与国家要求：

时期	行业平均PUE	先进水平	中国政策要求
2010年前	2.0-2.5	1.5-1.8	无
2015年	1.7-2.0	1.3-1.5	部分省份限制2.0
2020年	1.4-1.6	1.2-1.3	工信部要求新建≤1.5（一线城市≤1.4）
2023年	1.3-1.5	1.1-1.2	工信部要求≤1.3（数字化园区）
平谷项目目标	—	≤1.25	先进数据中心标准

1. PUE测算方法完整版

1.1 IT设备能耗（IT Equipment Power）

IT设备能耗是PUE计算的"分母"，包含以下组成：

IT设备能耗分类：

类别1：服务器（Servers）
  ├── CPU服务器（通用计算）
  ├── GPU服务器（AI训练/推理）
  └── FPGA/ASIC加速器

类别2：存储设备（Storage）
  ├── NVMe全闪存储阵列（All-Flash Array）
  ├── 混合闪存阵列（Hybrid Flash）
  └── 磁带库/磁盘库（低频数据）

类别3：网络设备（Network Equipment）
  ├── 核心/汇聚/接入交换机
  ├── 负载均衡器
  ├── 防火墙/安全设备
  └── InfiniBand交换机（AI集群专用）

类别4：机架附件（Rack Components）
  ├── PDU（配电单元，自身有功耗）
  └── KVM切换器/终端服务器

平谷项目IT设备能耗估算：

参数设定：
  机柜总数：9120个
  机柜额定功率：6 kW/柜
  机柜利用率：80%（题目给定）

IT总功耗 = 9120柜 × 6kW/柜 × 80%
         = 9120 × 4.8 kW
         = **43,776 kW = 43.8 MW**

分项说明（按典型比例分配）：
  服务器：43,776 × 85% = 37,210 kW（主体）
  存储设备：43,776 × 8% = 3,502 kW
  网络设备：43,776 × 5% = 2,189 kW
  机架附件（PDU等）：43,776 × 2% = 875 kW

1.2 制冷系统能耗（Cooling System Power）

制冷系统是数据中心最大的非IT能耗，通常占总非IT能耗的40-60%。

制冷系统能耗分解：

子系统1：冷水机组（Chiller）
  作用：将冷冻水降温到7°C（或更高）
  功耗：约 0.5-0.8 kW/kW（制冷量的50-80%为电功耗）
  COP（制冷系数）= 制冷量/电功耗 = 1.25-2.0（传统机组）
              = 3.0-6.0（高效离心冷机，配合高温冷冻水）

子系统2：冷却塔（Cooling Tower）
  作用：将冷却水中的热量排放到大气
  功耗：约占冷机功耗的5-10%
  北京地区特殊：冬季可利用自然冷却（Free Cooling），大幅降低能耗

子系统3：水泵（Pumps）
  ├── 冷冻水泵（Chilled Water Pump，CWP）：将7°C冷冻水送到末端
  └── 冷却水泵（Cooling Water Pump，CONWP）：循环冷却水到冷却塔
  功耗：约占冷机功耗的15-20%

子系统4：末端设备（Terminal Cooling）
  ├── CRAC（Computer Room Air Conditioner，机房精密空调）
  │     直接膨胀式，自带压缩机，噪声大，COP约2-3
  ├── CRAH（Computer Room Air Handler，机房空调箱）
  │     无压缩机，靠冷冻水降温，配合集中冷水机组使用，噪声小，效率高
  └── 列间空调（In-Row Cooling）
        靠近热源，精准降温，适合高密度区域
  功耗：风机功耗（占末端约20-30%）

平谷项目制冷系统能耗计算：

计算参数：
  IT设备热量 = IT功耗 = 43,776 kW（全部转化为热量，保守估算）
  制冷方式：冷水机组 + CRAH + 冷却塔 + 水泵
  设计冷冻水温度：供水12°C / 回水18°C（高温冷冻水，配合热通道封闭）

冷水机组能耗估算：
  目标COP（高效离心冷机，12°C供水）= 5.0
  冷机功耗 = 制冷量 / COP = 43,776 / 5.0 = **8,755 kW**

冷却塔风机功耗：
  冷却塔风机功耗 ≈ 冷机功耗 × 8% = 8,755 × 8% = 700 kW

水泵功耗：
  冷冻水泵 + 冷却水泵 ≈ 冷机功耗 × 20% = 8,755 × 20% = 1,751 kW

CRAH风机功耗：
  每台CRAH配套风机功率约 3-8 kW（变频）
  按每400 kW制冷量配1台CRAH，9000台CRAH，每台5kW：
  单栋 CRAH 数量 = 7,296kW（单栋制冷量）/ 400kW = 18台
  全园区 CRAH = 18台 × 6栋 = 108台
  全园区 CRAH 风机功耗 = 108 × 5kW = 540 kW

制冷系统总功耗：
  冷机：8,755 kW
  冷却塔：700 kW
  水泵：1,751 kW
  CRAH：540 kW
  ──────────────────────
  小计：**11,746 kW（约 11.7 MW）**

1.3 供电系统损耗（Power System Loss）

供电损耗分解：

损耗点1：变压器（Transformer）
  变压器效率：约 98-99.5%（满载时）
  轻载时效率更低（空载损耗固定）
  损耗功率 ≈ 全负荷 × (1-0.985) = 1.5%
  43,776 kW × 1.5% = 657 kW

损耗点2：UPS系统（在线双变换）
  双变换UPS效率：约 92-96%（负载率60-80%时最佳）
  取效率 94%：
  损耗功率 = 43,776 × (1-0.94)/0.94 = 43,776 × 6.38% = 2,793 kW

  注：UPS ECO模式（经济运行）效率可达98-99%
  ECO模式损耗 = 43,776 × (1-0.99)/0.99 = 43,776 × 1.01% = 442 kW

损耗点3：PDU（精密配电单元）
  每个PDU（列头柜）典型效率：99%
  损耗 ≈ 43,776 × 1% = 438 kW

损耗点4：线缆（电阻损耗）
  UPS到PDU段：取0.5%损耗
  43,776 × 0.5% = 219 kW

供电系统总损耗：
  变压器：657 kW
  UPS（正常模式）：2,793 kW
  PDU：438 kW
  线缆：219 kW
  ──────────────────────
  小计：**4,107 kW（约 4.1 MW）**

若采用 UPS ECO 模式替换 UPS 正常模式：
  UPS损耗降至 442 kW
  供电系统总损耗 = 657 + 442 + 438 + 219 = **1,756 kW**

1.4 照明能耗（Lighting Power）

照明系统设计（数据中心）：

主机房区：
  LED工业灯，功率约 30-50W/盏
  主机房面积（单栋）：1800m²，照度要求 300-500 lux
  灯具间距：约 3m×3m（9m²/盏）
  灯具数量：1800 / 9 = 200盏
  主机房照明功耗：200 × 40W = 8,000W = 8 kW（单栋）

支持区（UPS室/配电室等）：
  功耗约 3 kW（单栋）

行政区：
  功耗约 2 kW（单栋）

全园区照明总功耗：
  (8 + 3 + 2) kW × 6栋 = **78 kW**

说明：照明功耗相比IT设备（43,776 kW）极小，影响可忽略不计。
但在绿色评级时仍需精确计量。

1.5 辅助系统能耗（Auxiliary Systems）

辅助系统分类：

1. 安防监控系统
   摄像头（全园区约500个）：500 × 15W = 7,500W = 7.5 kW
   视频存储服务器（NVR）：约 5 kW
   门禁控制器：约 2 kW
   小计：约 15 kW

2. 动环监控系统（DCIM）
   传感器+采集器+服务器：约 10 kW

3. 消防控制系统
   控制主机+探测器供电：约 5 kW

4. 通风系统（非主机房，支持区/行政区）
   约 20 kW

辅助系统总功耗：约 **50 kW**

2. 分项PUE计算案例（平谷项目完整计算）

2.1 汇总计算表

平谷项目PUE完整计算表（满负荷，正常运行模式）
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类别              分项              功耗(kW)   占比
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IT设备（分母）    服务器            37,210     62.7%
               存储              3,502      5.9%
               网络              2,189      3.7%
               PDU等             875       1.5%
               IT小计            43,776    73.8%
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
制冷系统         冷水机组          8,755     14.8%
               冷却塔风机         700       1.2%
               水泵（CWP+CONWP）  1,751     3.0%
               CRAH风机          540       0.9%
               制冷小计          11,746    19.8%
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
供电系统（双变换）变压器损耗        657       1.1%
               UPS损耗           2,793     4.7%
               PDU损耗           438       0.7%
               线缆损耗          219       0.4%
               供电小计          4,107     6.9%
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
其他            照明              78        0.1%
               辅助系统          50        0.1%
               其他小计          128       0.2%
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
总计            数据中心总功耗     59,757    100%
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PUE = 59,757 / 43,776 = **1.365**
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2.2 PUE计算的关键理解

PUE = 1 + 非IT损耗比

推导：PUE = 总功耗 / IT功耗
         = (IT + 非IT) / IT
         = 1 + 非IT / IT
         = 1 + (11,746 + 4,107 + 128) / 43,776
         = 1 + 15,981 / 43,776
         = 1 + 0.365
         = **1.365**

各系统贡献的PUE增量：
  制冷贡献：11,746 / 43,776 = 0.268（最大单项！）
  供电贡献：4,107 / 43,776 = 0.094
  照明+辅助：128 / 43,776 = 0.003

→ 降低PUE的重点：**首先优化制冷系统**（贡献73%的非IT损耗）

2.3 PUE结果评价

当前计算结果：PUE = 1.365

对比行业基准（北京地区，2023年标准）：
  一般水平：PUE 1.4-1.5
  良好水平：PUE 1.3-1.4     ← 平谷项目当前估算在此区间
  先进水平：PUE 1.2-1.3
  卓越水平：PUE < 1.2（谷歌台湾数据中心：1.10；Facebook Lulea：1.07）

工信部政策要求（2023年）：
  新建大型数据中心：PUE ≤ 1.3
  绿色数据中心评级：≤ 1.25（四星）/ ≤ 1.15（五星）

结论：
  当前估算 PUE=1.365，需要通过优化将其降至 ≤1.25
  优化空间：(1.365 - 1.25) / 1.365 = **8.4%的节能潜力**

3. 北京气候条件分析

3.1 北京全年气温分布

北京属于温带大陆性气候，四季分明，对数据中心能效影响显著：

北京逐月气温分布（历史平均值）：
月份   干球温度(°C)  湿球温度(°C)  相对湿度   自然冷却可用性
────────────────────────────────────────────────────
1月    -3.7          -7.2          45%        ✓✓✓ 极佳
2月    -1.1          -4.8          42%        ✓✓✓ 极佳
3月    5.5           0.8           38%        ✓✓  较好
4月    13.4          6.1           42%        ✓   可用（部分时段）
5月    19.6          11.8          45%        ✗   不可用
6月    24.5          17.2          57%        ✗✗  不可用
7月    26.0          22.2          78%        ✗✗✗ 完全不可用
8月    24.7          21.6          78%        ✗✗✗ 完全不可用
9月    19.2          14.6          62%        ✗   不可用
10月   12.5          7.2           52%        ✓   可用（部分时段）
11月   3.7           -0.8          52%        ✓✓  较好
12月   -2.1          -6.2          47%        ✓✓✓ 极佳
────────────────────────────────────────────────────

干球温度（Dry Bulb Temperature）vs 湿球温度（Wet Bulb Temperature）：

干球温度：普通温度计测量值（空气温度）
         → 决定冷水机组效率（冷凝侧温度）
         → 决定是否可以"自然冷却"（Free Cooling）

湿球温度：考虑空气湿度的蒸发冷却极限温度
         → 决定冷却塔出水温度下限
         → 比干球温度低，湿度越低差值越大

北京冬季（1月）：
  干球 -3.7°C，湿球 -7.2°C
  → 冷却塔出水可降至约 -5°C（冻结风险！需防冻处理）
  → 可以完全不开冷水机组，直接用室外冷源
  → 自然冷却效果极佳

北京夏季（7月）：
  干球 26°C，湿球 22.2°C
  → 冷却塔出水约 25-26°C（仅比室外温度低1-2°C）
  → 必须依靠冷水机组机械制冷
  → 冷机COP降低（高冷凝温度导致效率下降）

3.2 自然冷却可用时长估算

自然冷却（Free Cooling / Economizer Mode） 的触发条件：

当室外温度低到足够程度，可以直接用室外冷空气（或冷却水）冷却数据中心，不需要开动压缩机。

自然冷却触发条件（针对平谷项目）：
  冷冻水供水温度：12°C（高温冷冻水设计）
  冷却塔出水温度需 ≤ 12°C - 换热器端差（约3°C）= 9°C
  → 室外湿球温度 ≤ 7-8°C时，可使用自然冷却（冷却塔出水≤9°C）

北京逐月自然冷却可用时长（按湿球温度≤8°C计算）：
  1月（全月可用）：744 h × 100% = 744 h
  2月（全月可用）：672 h × 100% = 672 h
  3月（可用约70%）：744 h × 70% = 521 h
  4月（可用约20%）：720 h × 20% = 144 h
  5月（不可用）：0 h
  6-9月（不可用）：0 h
  10月（可用约20%）：744 h × 20% = 149 h
  11月（可用约80%）：720 h × 80% = 576 h
  12月（全月可用）：744 h × 100% = 744 h
  ────────────────────────────────────────
  全年自然冷却可用时长：
  744+672+521+144+0+0+0+0+149+576+744 = **3,550 小时/年**
  ≈ 3,550 / 8760 × 100% = **40.5% 的全年时间**

关键数字：北京全年约 3500-4000小时可使用自然冷却（行业常用参考值约4000h）

3.3 混合制冷策略

三种运行模式的切换逻辑：

全年运行模式示意：

   室外湿球温度(°C)
   ─────────────────────────────────────────
   ≤ 4°C     │ 模式1：完全自然冷却（Free Cooling）
              │ 冷却塔出水直接供应冷冻水（通过换热器）
              │ 冷水机组完全关闭
              │ 节电效果：最大（相当于PUE制冷部分降至0.05）
   ─────────────────────────────────────────
   4-12°C    │ 模式2：混合制冷（Hybrid Mode）
              │ 自然冷却（冷却塔）+ 机械制冷（冷水机组）并联运行
              │ 按比例混合，自然冷却提供30-80%的冷量
              │ 节电效果：中等（制冷能耗降低30-70%）
   ─────────────────────────────────────────
   > 12°C    │ 模式3：完全机械制冷（Mechanical Cooling）
              │ 冷水机组满载运行
              │ 冷却塔作为冷却水散热器
              │ 节电效果：无额外节省
   ─────────────────────────────────────────

平谷项目混合制冷节能估算：

假设：
  模式1（完全自然冷却）：1500小时/年
  模式2（混合制冷）：2000小时/年
  模式3（机械制冷）：5260小时/年

机械制冷能耗（基准）：
  冷机功耗：8,755 kW（满负荷）
  全年机械制冷能耗（无节能）：8,755 × 8760 = 76,713,800 kWh

实际节能计算：
  模式1节能：8,755 × 1500 × 95% = 12,476,625 kWh（仅保留5%辅助泵功耗）
  模式2节能：8,755 × 2000 × 50% = 8,755,000 kWh（节省一半冷机能耗）
  总节省电量 = 12,476,625 + 8,755,000 = **21,231,625 kWh ≈ 2123万度**

  占全年制冷总能耗比例：2123万度 / 7671万度 = **27.7%**

4. PUE优化设计策略

4.1 策略1：提高冷冻水供水温度

原理：冷水机组压缩机效率（COP）与冷冻水供水温度正相关。供水温度越高，冷机做功越少，COP越高。

冷冻水温度 vs COP 关系（典型离心冷机数据）：

冷冻水供水温度   冷机COP（25°C冷却水）   比7°C时节能比例
─────────────────────────────────────────────────
7°C（传统标准）    3.5                    基准
10°C              4.2                    +20%
12°C（推荐）       5.0                    +43%
15°C              5.8                    +66%
─────────────────────────────────────────────────
注：适用前提是末端（服务器）可以接受更高冷冻水温度供给

从 7°C 提升到 12°C 的节能效果：

基准方案（7°C供水）：
  冷机功耗 = 43,776 / 3.5 = 12,507 kW

优化方案（12°C供水）：
  冷机功耗 = 43,776 / 5.0 = 8,755 kW

节省功耗 = 12,507 - 8,755 = **3,752 kW**
节能比例 = 3,752 / 12,507 = **30%**

年节电量 = 3,752 × 8760 = 32,867,520 kWh ≈ **3287万度/年**
按0.7元/度：节约 **2301万元/年**

为什么平谷项目可以用12°C冷冻水？

条件满足情况：
1. 热通道封闭（平谷项目已有）→ 精确控制热气流，服务器进风温度可控
2. ASHRAE A2/A3类服务器 → 进风温度可接受到27°C，而不是仅仅20°C
3. 高温冷冻水配合高效CRAH → CRAH在12°C供水时仍能将冷通道降至20°C以下

供回水温差设计（平谷）：
  传统：7°C供水，12°C回水，温差5°C
  优化：12°C供水，18°C回水，温差6°C（温差增大→水量减少→泵功耗降低）

节能数字速记：冷冻水从 7°C 提升到 12°C，冷机节能约 30%（而非前述"15%"，需以实际COP曲线为准）

4.2 策略2：热通道封闭（Hot/Cold Aisle Containment）

已在 M5-01 中介绍原理，此处重点量化节能效果：

热通道封闭前后对比（平谷项目）：

未封闭时：
  冷热气流混合：服务器进风温度不均匀（18-28°C波动）
  为保证最热机柜不过温，空调需降低供风温度→冷冻水温度需更低
  精密空调需额外加大送风量（覆盖混合气流损失）
  实际制冷效率：约 70-75%（25-30%的冷量被浪费）

封闭后：
  冷热隔离，服务器进风温度均匀（20-22°C）
  空调供冷水温度可提高（配合策略1）
  精密空调送风量减少（变频调节）
  实际制冷效率：约 95%（仅5%损耗）

节能效果量化：
  制冷效率提升：从 72.5% 到 95%，提升 31%
  对应PUE改善：制冷部分PUE贡献从 0.268×(1/0.725) 到 0.268×(1/0.95)

  更简单的计算：
  封闭后CRAH风机功耗减少约 40%（变频降速）：
  CRAH风机节省：540 kW × 40% = 216 kW

  冷机效率提升允许供水温度提高（叠加策略1）节省：3,752 kW（见上）

  合计节能：**约 3,968 kW**
  PUE改善：3,968 / 43,776 = **0.091**（PUE从1.365降至约1.274）

4.3 策略3：变频控制（Variable Frequency Drive，VFD）

核心原理：泵/风机的功耗与转速的立方成正比（风机定律/泵定律）。

风机/泵功耗与转速关系：
  P ∝ n³（功耗正比于转速的三次方）
  Q ∝ n（流量正比于转速）

  → 流量减少20%，转速减少20%，功耗减少：(1-0.2)³ = 0.512 → 节省 49%！
  → 流量减少50%，功耗减少：0.5³ = 0.125 → 节省 88%！

平谷项目变频应用场景：

应用1：冷冻水泵变频
  低负荷时（夜间，IT利用率50%）：
  冷冻水需求减少50%，泵转速可降至 50%^(1/3) = 79%
  泵功耗 = 原功耗 × 79%³ = 原功耗 × 50% → 节省50%泵功耗

  估算节省：
  冷冻水泵全年平均利用率70%，变频节省25%：
  原水泵功耗：875 kW（冷冻水泵部分）
  节省：875 × 25% = **219 kW**

应用2：冷却塔风机变频
  按室外温度实时调节，夜间/冬季大幅降速
  估算节省：冷却塔风机功耗 700kW × 35% = **245 kW**

应用3：精密空调风机变频
  已在策略2中计算，冷通道封闭后可降速40%
  节省：540 kW × 40% = **216 kW**

变频控制合计节省：219 + 245 + 216 = **680 kW**
对应PUE改善：680 / 43,776 = **0.016**

4.4 策略4：UPS ECO模式（经济运行模式）

原理：传统在线双变换UPS效率约92-96%，ECO模式下UPS让市电直接供电，仅在市电异常时切换，效率提升至98-99%。

正常双变换模式（Online Double Conversion）：
  输入→整流器→直流母线→逆变器→输出
  能量经过两次变换，效率：94%（即损耗6%）
  损耗功耗：43,776 × (1-0.94)/0.94 = 2,793 kW

ECO模式（Economic Mode / Bypass Mode）：
  市电正常时：市电→静态旁路→输出（UPS热备但不通电）
  市电异常时：<4ms内切换至 整流+逆变输出
  效率：98-99%（损耗1-2%）
  损耗功耗：43,776 × (1-0.99)/0.99 = 442 kW

节省功耗：2,793 - 442 = **2,351 kW**
对应PUE改善：2,351 / 43,776 = **0.054**

风险评估：
  ECO模式的代价是：市电直接供设备，瞬态电压波动（无UPS滤波）
  智算中心GPU服务器对电能质量要求较高
  建议：标准机柜区使用ECO模式，GPU高密区保持双变换模式
  实际节省约1000-1500 kW（部分机柜使用ECO模式）

4.5 综合优化后的PUE目标

优化前基准：PUE = 1.365

逐项优化效果叠加：
  策略1（冷冻水温度提高到12°C）：   -0.086（PUE减少0.086）
  策略2（热通道封闭，叠加策略1后）： -0.091（部分与策略1重叠）
  策略3（变频控制）：                -0.016
  策略4（部分机柜ECO模式）：         -0.024

注：策略1和2有重叠，叠加节能 ≈ 策略2的效果（0.091，包含了策略1的冷冻水温度）
实际叠加：策略1+2+3+4 = 0.091 + 0.016 + 0.024 = 0.131

优化后PUE = 1.365 - 0.131 = **1.234**

→ 接近 ≤1.25 的目标，还需要约 0.016 的进一步优化

其他补充优化措施（进一步降低0.02-0.05）：
  - 使用板换（板式换热器）代替部分冷机（北京冬季直接自然冷却）
  - 提高服务器利用率（80%→90%，非IT系统按固定功耗，IT功耗↑，PUE分母↑）
  - 采用高效变压器（效率从98.5%→99.2%）
  - 服务器级别优化（采用高效率80 PLUS Titanium电源）

  最终目标PUE = **≤1.20**（通过以上综合优化）

5. 绿色数据中心评价标准

5.1 工信部评价体系

《国家绿色数据中心先进适用技术产品目录》 和 工信部绿色数据中心认定：

工信部绿色数据中心评价指标体系：

一级指标        权重    核心要求
─────────────────────────────────────────────
能源效率        30%     PUE ≤ 1.4（基本）/ ≤ 1.25（先进）
可再生能源利用  20%     可再生能源使用比例 ≥ 15%
水资源利用      15%     WUE（水能效）≤ 2.0
碳排放          20%     碳排放强度（kgCO₂/kWh）
环境影响        10%     噪声/电磁/废弃物处理
管理运维        5%      DCIM系统覆盖率、运维体系
─────────────────────────────────────────────

平谷项目对标：

指标	工信部先进要求	平谷项目设计值	差距
PUE（年平均）	≤1.25	1.20（优化目标）	达标
WUE（水能效）	≤2.0	1.8（冷却塔蒸发补水）	达标
可再生能源	≥15%	20%（配套光伏/购绿电）	达标
DCIM覆盖率	≥80%	100%（全覆盖）	超越

5.2 住建部绿色建筑评级

数据中心建筑可申请住建部《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378）认证：

绿色建筑评分体系（数据中心相关项目）：

安全耐久（共100分）：
  结构安全：20分（A级数据中心已满足）
  外围护结构密闭：10分（气密性好）
  ...

节能与能源利用（共200分）：
  建筑节能率：30分
  可再生能源系统：10分
  冷热源能效：50分（→ 制冷系统COP）
  ...

评级：
  基本级：所有控制项达标
  一星：得分 ≥ 60分
  二星：得分 ≥ 70分
  三星：得分 ≥ 85分（最高等级）

平谷项目目标：三星级绿色建筑

5.3 TIA-942 能效等级（美标参考）

TIA-942A（2017版）能效评级：
  Rating 1（基础）：无PUE要求
  Rating 2：PUE < 2.0
  Rating 3：PUE < 1.6
  Rating 4（最高）：PUE < 1.4

→ 平谷项目（PUE 1.20）远超TIA-942 Rating 4要求
→ 更适合参考 ASHRAE TC 9.9 和 The Green Grid 的更严格标准

6. 年耗电量与碳排放估算

6.1 年耗电量计算

平谷项目年耗电量（优化后，PUE=1.20）：

IT设备年耗电 = 43,776 kW × 8760 h = 383,537,760 kWh ≈ **3.84 亿度/年**
总年耗电 = 3.84 × 1.20 = **4.60 亿度/年**

各系统年耗电分解：
  IT设备：3.84 亿度（82.9%）
  制冷：0.43 亿度（9.3%，优化后制冷系统年耗电）
  供电损耗：0.21 亿度（4.6%）
  其他：0.12 亿度（2.6%）
  非IT合计：0.76 亿度（16.5%，对应PUE超出1的部分）

6.2 碳排放估算

北京电网碳排放因子（2023年）：约 0.581 kgCO₂/kWh

年碳排放量 = 4.60亿度 × 0.581 kgCO₂/度
           = 267,260,000 kg CO₂
           = **26.73万吨 CO₂/年**

如果采购20%绿电（可再生能源）：
  购绿电量 = 4.60亿 × 20% = 0.92亿度（来自光伏/风电，零碳）
  剩余电网电：3.68亿度 × 0.581 = 21.38万吨 CO₂
  碳减排量 = 26.73 - 21.38 = **5.35万吨 CO₂/年**
  相当于种树：5.35万吨 / 0.01吨/棵 = **535万棵树**的年固碳量

7. 模块5综合诊断题（25题）

基础概念层（Q1，10题）

填空：

PUE的计算公式：PUE = ______/ ______。
GB50174规定A级数据中心楼板承重 ≥ ______kN/m²。
冷通道宽度最小值 ______m，热通道 ______m（GB50174）。
主机房净高（地板面到天花板）≥ ______m。
数据中心进线间要求从 ≥______个方向引入外部线缆。
架空地板高度（标准6kW密度）推荐选 ______mm。
冷通道地板开孔率 ≥ ______%（GB50174）。
冷通道封闭（CAC）可提升制冷效率约 ______%。
北京全年可用自然冷却时长约 ______小时/年。
工信部要求新建大型数据中心PUE ≤ ______（2023年标准）。

答案：

数据中心总用电量 / IT设备用电量
8.0 kN/m²
1.2m，1.0m
3.0m
2个
450mm
25%
20-30%
3500-4000小时
1.3

理解分析层（Q2，10题）

判断题（正确/错误，并说明原因）：

"机柜区域均布荷载7.76 kN/m²，小于8.0 kN/m²，所以不满足A级要求。" 答：错误。区域均布荷载（含通道面积分摊）不是结构验算标准。需要按实际集中荷载（柜脚点荷载）做冲切验算。规范8.0 kN/m²是楼板承载能力目标，不是说区域均布必须 ≥ 8.0。
"冷冻水温度从7°C提升到12°C，冷机节能15%。" 答：错误（原文表述不够精确）。实际节能约30%（COP从3.5提升到5.0，提升43%），节能效果远超15%。
"热通道封闭（HAC）比冷通道封闭（CAC）节能更好，所以应该首选HAC。" 答：不完全准确。HAC节能稍好（25-35% vs 20-30%），但改造复杂度更高（需连接天花板回风系统），运维人员不能进入（热通道高温）。平谷项目综合考虑运维便利性，优先选CAC。节能效果是一个因素，不是唯一因素。
"PUE = 1.0 表示数据中心没有任何非IT能耗，是理想状态。" 答：理论上正确，实践上不可能。即使所有散热都被完美回收利用，照明/人员供暖等总有额外能耗。业界实际最低PUE在1.03-1.05（超低温气候地区，如北欧Facebook数据中心）。
"UPS ECO模式可以将所有机柜都切换，大幅节能。" 答：不完全正确。GPU服务器（B2楼）对电能质量敏感，不适合ECO模式（ECO模式切换时有4ms电源中断，GPU训练作业会崩溃）。只能对CPU服务器区使用ECO模式。

简答：

为什么"就近原则"（制冷机房靠近主机房）对PUE有影响？请定量估算。参考答案：冷冻水输送距离每增加100m，水泵额外功耗约1%（增大管道压降）。平谷项目单栋冷机到主机房若距离200m（过长），额外水泵功耗 = 1751×2% = 35 kW，年额外耗电 35×8760 = 306,600 kWh = 30.7万度，费用21万元/年。而就近布置（≤50m）基本无额外损耗。
描述平谷项目全年制冷模式切换逻辑，以月份为单位说明。参考答案：1-2月：完全自然冷却（室外湿球≤0°C）；3月：混合模式（湿球0-8°C，自然冷却为主）；4月：部分混合（湿球8-12°C，冷机辅助）；5-9月：完全机械制冷（湿球>12°C）；10月：部分混合；11-12月：自然冷却为主或完全自然冷却。

应用计算层（Q3，5题）

计算题：

某数据中心，IT设备功耗5000 kW，制冷功耗1500 kW，UPS损耗200 kW，其他100 kW，计算PUE，并判断是否满足工信部≤1.3的要求。答：总功耗=5000+1500+200+100=6800 kW；PUE=6800/5000=1.36；不满足工信部≤1.3要求，需进一步优化制冷（减少约300 kW）。
平谷项目若将UPS效率从94%提升到98%（采用ECO模式，50%机柜适用），IT功耗43,776 kW，计算节省的功耗和年节电量（按0.7元/度计算节省费用）。答：
- 原UPS损耗（100%）：43776×(1-0.94)/0.94 = 2793 kW
- ECO模式UPS损耗：43776×50%×(1-0.98)/0.98 = 447 kW
- 双变换UPS损耗（50%）：43776×50%×(1-0.94)/0.94 = 1397 kW
- 节省 = 2793 - (447+1397) = 949 kW
- 年节电：949×8760 = 8,313,240 kWh ≈ 831万度/年
- 节省费用：831万×0.7 = 582万元/年
北京某数据中心，冷冻水COP在机械制冷时为4.0，自然冷却时制冷系数相当于COP=20（仅水泵/风机耗电）。全年自然冷却3600h，机械制冷5160h，IT功耗20,000 kW，计算全年制冷耗电量。答：
- 机械制冷耗电：20000/4.0 × 5160 = 25,800,000 kWh
- 自然冷却耗电：20000/20 × 3600 = 3,600,000 kWh
- 全年制冷总耗电：25.8 + 3.6 = 29.4 百万 kWh = 2940万度
若某数据中心IT功耗30,000 kW，要将PUE从1.5降到1.25，需要减少多少非IT能耗（kW）？减少后非IT系统总功耗是多少？答：
- 原非IT能耗：30000×(1.5-1) = 15,000 kW
- 目标非IT能耗：30000×(1.25-1) = 7,500 kW
- 需减少：15,000 - 7,500 = 7,500 kW（需要减少50%的非IT能耗！）
- 优化后非IT系统总功耗：7,500 kW
平谷项目PUE从1.365优化到1.20，IT功耗43,776 kW，计算：(1)年节电量；(2)以北京电价0.65元/度计算年节约电费；(3)折合减少多少吨CO₂（北京电网因子0.581 kgCO₂/kWh）。答：
- 总功耗（PUE1.365）：43776×1.365 = 59,754 kW
- 总功耗（PUE1.20）：43776×1.20 = 52,531 kW
- 节省功耗：59,754 - 52,531 = 7,223 kW
- 年节电：7223×8760 = 63,273,480 kWh ≈ 6327万度/年
- 年节约电费：6327万×0.65 = 4113万元/年
- 减少CO₂：6327万度 × 0.581 kg/度 = 36,759,870 kg ≈ 3.68万吨 CO₂/年

速记卡（Day 22 核心记忆点）

╔═══════════════════════════════════════════════════════════╗
║          Day 22 速记卡：PUE测算与能效设计                  ║
╠═══════════════════════════════════════════════════════════╣
║  PUE公式：总用电 / IT用电 = 1 + 非IT/IT                  ║
║                                                           ║
║  平谷项目基础数据（80%利用率）：                            ║
║    IT功耗：9120×6×80% = 43,776 kW = 43.8 MW              ║
║    初始估算PUE：1.365                                      ║
║    优化目标PUE：≤1.20                                     ║
║                                                           ║
║  制冷系统是最大非IT能耗（占非IT的73%）！                    ║
║                                                           ║
║  四大节能策略（按效果排序）：                               ║
║  1. 提高冷冻水温度 7°C→12°C：节省冷机能耗 30%             ║
║  2. 冷热通道封闭：综合节能 20-35%                          ║
║  3. 变频控制：系统整体节能 5-10%                           ║
║  4. UPS ECO模式：UPS损耗降低 80%（适用部分机柜）            ║
║                                                           ║
║  北京自然冷却：约 3500-4000 小时/年 ≈ 40% 时间             ║
║  自然冷却触发：室外湿球温度 ≤ 8°C（供水12°C设计）           ║
║                                                           ║
║  政策红线：工信部新建数据中心 PUE ≤ 1.3                    ║
║  先进水平：PUE ≤ 1.25（绿色数据中心四星）                  ║
║                                                           ║
║  年耗电（PUE1.20）：4.60亿度  年碳排：26.7万吨CO₂          ║
╚═══════════════════════════════════════════════════════════╝

本章总结

知识点	核心数字	设计意义
平谷IT功耗	43.8 MW	PUE计算基准
初始PUE估算	1.365	不满足工信部要求
优化目标PUE	≤1.20	先进数据中心水平
制冷占非IT能耗	73%	节能优化重点在制冷
冷冻水温提升节能	30%	最易实现的节能措施
北京自然冷却	3500-4000h/年	约40%时间免机械制冷
工信部要求	PUE≤1.3	政策合规底线
年节电（PUE1.365→1.20）	6327万度	4113万元/年节约

下一节预告：M5-04 智算中心特殊规划要点——GPU服务器≠CPU服务器，从6kW/柜到60kW/柜的跨越，液冷、高速网络、智能运维，平谷项目B2楼的完整规划方案。

文件版本：v1.0 | 生成日期：2026-02-19 | 适用标准：GB50174-2017 / 工信部绿色数据中心评价要求 / The Green Grid PUE白皮书