数据中心能效措施：传感器精度如何提升 PUE 并降低成本
目前，全球的数据中心每年消耗约 485 TWh 的电力。根据国际能源署（IEA）2025 年的一份报告，到 2030 年这一数字可能达到 950 TWh。人工智能是这一增长的主要驱动因素之一。
寻求改善数据中心能效措施的企业不应仅关注 IT 硬件。而应关注冷却系统，它能够提供巨大的短期节能潜力。根据地理位置、能源利用率和冷却方案的不同，冷却系统占比设施总能耗高达25%。
精密、可靠的测量数据能够在不影响可用性的前提下，对数据中心冷却进行有针对性的能效控制。
在本文中，您将了解：
- PUE 和 WUE 的含义，以及它们为何是重要指标。
- 数据中心的哪些测量点位能显著影响能耗。
- 精密传感器技术在实践应用中能够实现什么。
数据中心能效措施的关键指标有哪些？
什么是 PUE？为什么它是能效的核心 KPI？PUE 即电能使用效率（Power Usage Effectiveness）。其公式很简单： PUE = 数据中心总能耗 / IT 设备能耗 以一个 IT 负载为 10 MW 的数据中心为例。如果其 PUE 从 1.5 降至 1.2，则其所需总功率会从 15 MW 降至 12 MW。 按照电价 0.12 欧元 / kWh 和基于全年运行来计算，这意味着运营商每年可节省约 315 万欧元。 什么是 WUE？它何时需要关注？WUE 是水资源使用效率（Water Usage Effectiveness），用于描述数据中心特定地点的用水量与其 IT 能耗之间的关系。当数据中心采用蒸发冷却或通过冷却塔进行自然冷却时，WUE 指标尤为重要。 系统的冷却能力和可用的自然冷却潜力，在很大程度上取决于室外空气的湿球温度。对室外温度和湿度进行准确且长期稳定的测量，能够实现对冷却塔、自然冷却系统和冷水机组的极优化控制。 这有助于支持数据中心能效措施，并降低能耗。 |
数据中心能耗的驱动因素有哪些？
1. 服务器进风口温度
服务器机柜进风口的温度是数据中心能效措施中最重要的控制点之一。
根据美国能源部和 ENERGY STAR 的数据，服务器进风温度每受控升高 0.5 °C，可节省约 4% 至 5% 制冷能耗。
问题在于：出于可用性考虑，设定值通常过于保守。这是可理解的，测量精度为 ±0.5 °C 的传感器需要安全裕量。
高精度且长期稳定的传感器，可将工作点移至更接近允许温度限值的位置，同时不影响运行可靠性。
这需要合适的传感器安装布点，并对整个测量系统进行审慎评估。
2. 气流与隔离
在采用架空地板的数据中心里，精密的差压测量可支持按需分配冷却气流。
正确的设定值取决于具体的建筑结构、送风口和所需的风量。偏差可能导致气流分配不良或出现旁通气流。
这会导致冷空气绕过服务器而未对其进行所需的冷却。
3. 加湿与除湿
数据中心的湿度控制需要一个平衡的工作范围。空气过于干燥会增加静电放电的风险。湿度过高则会增加电路板和触点发生冷凝与腐蚀的风险。
空气温度变化时，相对湿度也会发生变化。而露点则描述的是空气的实际含水量。因此，在许多应用中露点测量可以提供更稳定的控制变量。
对于 A1 至 A4 类风冷 IT 设备，ASHRAE 建议露点保持在 -9 °C 至 15 °C 之间；最大相对湿度为 70% 或 50%，具体取决于腐蚀性污染程度。
4. 室外环境
室外温度、相对湿度和湿球温度决定了自然冷却能否使用以及可以使用多长时间。当室外条件有利时，可以部分或完全关闭机械冷却。如果没有持续测量，操作人员可能会错过可利用的自然冷却窗口，或者过早切换，从而增加冷凝和腐蚀的风险。
因此，设立室外环境站能够对数据中心的能效措施作出重要贡献。
5. 冷却方案
当机柜功率密度达到约 30 至 50 kW 时，风冷会到达其极限。在这些功率等级下，液冷和浸没式冷却正日益成为主流选择。
功率密度超过 100 kW 的现代 A1 机柜也越来越多地采用直接芯片液冷。不过，对于发热量较低的组件，风冷通常仍会被保留。根据不同的系统，可能需要监测以下参数：
- 供水和回水温度
- 流量
- 压力
- 电导率
- 潜在泄漏
- 介电冷却液中的水分含量
对于介电冷却液，监测液体中的水分含量也具有重要意义。
效率与可用性：哪些测量变量至关重要？
下表列出了数据中心为降低能源成本所需监测的参数，同时指出了不准确的测量数据可能带来的风险。E+E Elektronik 能为上述所有测量点提供高精度传感器解决方案。
| 测量变量 | 关键位置 | 测量的重要性 | 适用的 E+E 传感器 |
|---|---|---|---|
| 温度和相对湿度 | 服务器机柜进风口，分别在顶部、中部和底部测量 | ± 0.5 °C 的测量偏差可能需要额外的安全裕量。运行人员可能会操作过度冷却，以防止过热。 | HTS401、EE072 |
| 露点 | 冷通道和冷冻水回路 | 功率超过 30 kW 的 GPU 机柜可能产生强烈的局部冷却。如果表面温度低于露点，水分可能直接凝结在硬件上。 | EE046 |
| 差压 | 架空地板、冷通道或热通道 | 如果压力偏离设定值，冷却空气可能绕过服务器。 | EE610、EE600 |
| 风速 | CRAC 出风口和机架进风口 | 过高的风机转速会不成比例地消耗能源。 有针对性的气流控制可以降低能耗。 | EE650 |
| 室外环境 | 冷却塔和自然冷却节能器 | 湿球温度决定了自然冷却或蒸发冷却能否有效运行。 | EE260、EE08、EE451 |
传感器在数据中心应如何布点？
有两项标准为传感器的安装位置提供了明确指导。
- DIN EN 50600 和 ISO/IEC 22237 要求持续监测数据中心的环境条件。为了更具实践性得监测温度，传感器应安装在尽可能靠近 IT 设备的进风口。
当机柜较高或 IT 负载变化较大时，沿机柜高度设置多个测量点会更为有用。
- ASHRAE 建议在机柜进风口的下部、中部和上部安装温度和湿度传感器。
传感器布点保持一致有助于操作人员在热点导致故障之前及时发现，同时也能够实现有针对性的数据中心能效措施。
精密的传感器技术能够实现什么？一个计算示例
初始情况：10 MW IT 负载，PUE 1.5，电价 0.12 欧元/kWh
- 服务器进风温度升高 0.4 °C。当传感器提供 ±0.1 °C 而不是 ±0.5 °C 的测量精度时，即可实现这一点。计算基于保守估算：服务器进风温度每升高 1 °C，制冷能耗可节省 5%。
| 年度节能量 | 年度成本节省 | 新 PUE | CO_2 减排量 |
|---|---|---|---|
| 675 MWh | 约 81,000 欧元 | 1,492 | 169 t CO_2 |
来源：计算基于 LBNL/DOE 指南和 ENERGY STAR 数据。
结论：在五年内，对于 10 MW 的 IT 负载，服务器进风温度升高 0.4 °C，可带来高达约 400,000 欧元的潜在能源成本节约。
如何实施数据中心能效措施
数据中心的能源消耗大幅度增加，比以往任何时候都多。防止停机同时需降低成本的压力日益增加。然而在数据中心，实现能效和可操作性并不相互排斥。它们拥有共同的技术基础：在正确的测量点，以足够的精度技术获得可靠的测量数据。
基于信任传感器的测量数据，如果运营商能够将服务器进风设定点提高 0.4 °C，一个 10 MW 的数据中心站每年可节省约 80,000 欧元。测量冷通道的差压有助于防止旁通气流。监测室外环境则能够利用原本可能被错过的自然冷却窗口。
安全、系统性地降低数据中心的能源成本，前提是拥有能够支持针对性运营决策的测量数据。如此，PUE 和 WUE 就不再只是抽象的指标，而是日常运营中审慎决策的直接结果，并构成有效的数据中心能效措施的基础。
E+E Elektronik 能够为数据中心所有关键测量点提供高精度、长期稳定的传感器解决方案，从机柜进风口到冷却液回路，具备完整测量记录和无缝 BMS 集成能力，其测量数据具备可溯源性。