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绿色数据中心的评价指标

    能源效率(Energy Efficiency)就是单位能源所带来的经济效益的多少,即能源利用效率的问题。世界能源委员会1995年对能源效率的定义是“减少提供同等能源服务的源投入”。对于能耗高居不下的数据中心,研究提高能源效率具有深远的社会效益和经济效益。

数据中心的能源结构

    数据中心一般由所在地电网或专用的发电设施提供电力供应,经过变、配电等环节处理后,为数据中心的用电设备提供电源。目前,数据中心耗电量占全球耗电总量的1%。2011年,美国数据中心的耗电量已达1 000亿度,占全美总耗电量的2.5%,中国也达到了2.4%。资源环境问题已成为数据中心发展的瓶颈。

数据中心的能耗由以下几部分组成。

(1)IT设备。

(2)制冷系统设备。

(3)供配电系统设备。

(4)其他设备。

    典型数据中心能耗构成如图2-1所示。其中,数据中心能耗比重最大的部分为IT设备,其次为制冷系统设备、供配电系统设备及其他消耗电能的数据中心设施。



电能利用效率(PUE)


    数据中心性能评价指标有很多,在已经颁布的性能指标中最常见的是电能利用效率(Power Usage Effectiveness,PUE)。在我国,PUE不但是数据中心研究、设计、设备制造、建设和运维人员最为熟悉的数据中心能源效率指标,也是政府评价数据中心工程性能的主要指标。

    除了能源效率,数据中心还有多项其他性能指标,按照国际标准组织ISO的定义统称为关键性能指标,或者称为关键绩效指标,研究这些指标对于数据中心同样具有十分重要的意义。 2007年,绿色网格组织(The Green Grid,TGG)制定了数据中心能效比指标PUE,即电源利用效率。其基本计算方法为


    TGG和ASHRAE给出的PUE的定义相同:数据中心总能耗Et与IT设备总能耗Ei之比。而《数据中心 资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》(GB/T 32910.3—2016)将PUE的概念引申为EEUE:数据中心总电能消耗与信息设备电能消耗之间的比值。其定义与PUE定义相同,不同的是把国际上通用的PUE(Power UsageEffectiveness)改成了EEUE(Electric Energy Usage Effectiveness)。根据Malone等最初对PUE的定义,Et应为市电公用电表所测量的设备总功率,即通常所说的数据中心总的设备耗电量,与GB/T 32910.3—2016规定的Et应为采用电能计量仪表测量的数据中心总电能消耗的说法相同。

    数据中心机房的PUE实际上反映用户总输入电能中到底有多少电能真正被馈送到IT设备上。PUE值越大,表示用于确保IT设备安全运行所配套的,由UPS供电系统、空调系统、输入/输出供配电系统及照明系统等所组成的动力和环境保障基础设施所消耗的电功耗就越大。PUE指标还可以根据考察范围和对象细化为不同的分项指标。

    (1)数据中心基础设施效率(Data Center Infrastructure Efficiency,DCIE):PUE指标的倒数,反映数据中心IT设备能耗在数据中心总能耗中的占比。

    (2)局部PUE(partial PUE,pPUE):数据中心PUE概念的延伸,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。

    (3)制冷负载系数(Cooling Load Factor,CLF):数据中心中制冷设备耗电与IT设备耗电的比值。

    (4)供配电负载系数(Power Load Factor,PLF):数据中心中供配电系统耗电与IT设备耗电的比值。

    (5)其他负载系数(Other Load Factor,OLF):数据中心除IT负载、制冷设备及供配电设备之外的系统或设备损耗(如监控、安防)与IT设备耗电的比值。

    (6)可再生能源利用率(Renewable Energy Ratio,RER):用于衡量数据中心利用可再生能源的情况,以促进太阳能、风能、水能等可再生、无碳排放或极少碳排放的能源利用。在一般情况下,RER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。与可再生能源相对的是煤、石油、天然气等化石燃料及核能。


    其中,PUE与DCIE及CLF、PLF和OLF之间的关系为


水利用效率(WUE)


1. 水利用效率(WUE)

     随着数据中心规模扩大及建筑体量的增大,冷水系统方案得到越来越多的应用。随之而来的是大量水资源的消耗及循环水的净化处理问题。同时,若采用蒸发冷却方案,其对清洁水的要求也越来越高。从能源利用的综合角度来看,单纯地靠PUE指标难以全面准确地评估数据中心的能耗水平,为全面合理地评价绿色数据中心工程,TGG在2009年首次提出并引入针对水利用效率评价的WUE(Water Useage Effectiveness)指标。水利用效率作为评价数据中心用水状况的指标,定义为数据中心水资源的全年消耗量与数据中心IT设备全年耗电量的比值,单位为L/kW·h。

     目前,可采用水蒸发冷却的方法来促使制冷空调系统效率的提升,尤其在环境干燥的地区。但与此同时,PUE指标的降低也带来了水资源消耗的升高。对于采用冷水方案的工程,PUE与WUE存在一定的负相关性。 这也决定了在实践应用中需要进行权衡,找到两者之间合理的平衡区间。与此对应的是,如今很多大型数据中心工程都选址在北方等气候寒冷、干燥的地区,水资源短缺也是需要考虑的重要问题。

    以往人们对数据中心资源消耗的关注点往往集中在其电力消耗或燃料消耗上,认为一个数据中心只要电力指标优良,就可以认定为其为绿色数据中心;但近几十年来,全球承受着旷日持久的系统性干旱,并且随着人口的增长,工业规模的扩大,水资源消耗变得越来越紧迫,全球水资源缺乏的现状不会改变。因此,面对水资源日趋匮乏的态势,业内也逐渐将目光转移到数据中心的水资源消耗上来;根据Uptime Institute的调查数据,数据中心平均规模大约为1MW,每年消耗的水量为26 600~30 400立方米。

    数据中心使用水的主要目的是散热,即利用水作为载冷工质持续带走IT设备热量。最常见的为冷冻水系统和冷却水系统,在这些系统中,冷水流经计算机机房的制冷单元;风扇吹过冷冻水散热盘管,向IT设备提供冷空气;然后水流回冷却装置中被重新冷却。冷却水系统依靠冷却塔利用水的蒸发来散发热量,利用水与空气流动接触后进行冷热交换带走热量达到蒸发散热降低水温的目的。

    采用传统水冷空调系统的数据中心在运行过程中水资源的消耗主要来源于冷却塔(尤其是开式冷却塔)的运行。通常一个1MW的数据中心通过冷却塔每小时泵送约230m3的冷凝水,会有1%~2%的水被蒸发、作为细水雾被风吹走。每年大约会消耗25400m3的水。另外,冷凝水被重复蒸发并排放到大气中,会携带矿物质、灰尘及其他污染物。这些水必须被定期处理。上述规模的数据中心每年通过排放或补水大约会消耗5 000m3的水。

    总体来讲,使用传统水冷方式的1MW数据中心,每年用水量大约为30 000m3,这些数据并没有将数据中心加湿系统和空调末端泄水的消耗计算在内;另外,随着时间的推移,在水冷设备上,尤其是换热器翅片或换热管上会累积水垢或杂质,在去除这些影响空调运行安全和运行效率的污垢时,常用的方法是用水冲洗并排空,这一过程也消耗了大量的水资源。


2. 数据中心的主要耗水来源

     采用水冷空调系统的数据中心,其耗水主要来源可概括为以下几个方面。

        (1)冷却水蒸发

        采用冷却塔制取低温冷却水时,数据中心的热量主要靠冷却水的蒸发散发到大气环境中(采用干式冷却器的系统主要依靠空气与冷却水的对流换热,但其效率低,占地面积较大,且对气候条件的要求较为苛刻),水蒸发损失为数据中心水资源消耗的主要部分。

        (2)冷却水排水

        通常,数据中心冷却水系统的运行水温为32℃/37℃,该温度较容易滋生细菌,适宜藻类和污垢的生长及在管壁上的附着,并且需要通过冷却水排污来配合控制加药浓度,这一过程也会产生水的消耗。

        (3)IT房间加湿用水

        冬季,尤其是我国北方地区,室外环境相对湿度较低,机房内湿度受此影响需通过加湿系统维持机房内的湿度要求,需要消耗加湿用水。

        (4)软化水设备用水

        冷冻水及加湿水等闭式水系统在运行过程中由于泄漏、排水会造成一定的损失,为保证运行安全及系统压力,需要及时补充软化水,通过软化水设备对市政补水处理后补充到系统中。

        (5)设备维护用水

        系统运行过程中,冲洗、管道压力测试等需要的用水。

        (6)柴发系统运行及维护用水

    此部分为柴发机组排烟净化及机组冷却用水,这部分水资源消耗所占比例较小。此外,季节不同,数据中心各项用水比例会发生明显变化。 WUE指标目前还没有被广泛用于工业中,并且很少被引用,但水已经成为数据中心十分显著的因素,未来水资源利用效率一定会进入PUE度量工作中。


碳利用效率(CUE)


1. CUE的基本定义

    数据中心碳排放越来越受到全球关注。美国环境保护署(EPA)将数据中心作为美国能源消耗的主要源头之一。EPA为各州政府设定的碳排放目标是:到2030年实现100%可再生能源电力供应,到2050年实现碳中和,即温室气体排放较1990年减少85%,其余15%碳排放则以补偿方式(如植树造林)消除。

    二氧化碳是对地球温室效应影响最大的气体,占大气层中温室气体的76%。二氧化碳被大量排放到大气层中,在大气层中可存在约100年。从数据中心总体生命周期来看,“碳排放”术语也包含数据中心内所有组件(服务器、UPS、建筑外壁、制冷系统等)在制造过程所排放的二氧化碳。这类碳排放可以用“隐含碳”这一术语加以表达。“碳排放”术语还包括数据中心在运营中(耗电产生的碳排放)、维护时(消耗品的更换,如电池、电容器等)及数据中心生命周期完结时组件报废处理所产生的碳排放。

    TGG于2010年创造的碳利用效率(Carbon Usage Effectiveness,CUE)也已经成为绿色数据中心最重要的另一个指标。CUE是一个度量单位,用于测量每天数据中心的碳使用量。

    在美国,数据中心管理员通过阅读电表并乘以本地碳因素的数量(这可由数据中心的能源消耗提供),可以得到大概的碳测量结果。大型数据中心的管理员可通过设施的整体能源消耗的二氧化碳放射等同物除以总体IT能耗去计算CUE值。得出的结果是每千瓦时产生多少克二氧化碳。最完美的CUE值是0.0,这意味着在数据中心运营中没有产生任何碳排放。

    随着能源成本的增加及对环境的担忧,促使人们寻求方法降低温室气体排放量,尤其是碳排放。除了帮助人们制定精明决策改变对全球温室效应的影响,碳利用效率还可帮助组织在某些行业获得绿色计算财政激励。

影响数据中心碳足迹的主要因素有3个:数据中心位置、IT负载、电气效率。


2 碳排放交易

    碳排放交易(简称碳交易)是为促进全球温室气体减排,减少全球二氧化碳排放所采用的市场机制。联合国政府间气候变化专门委员会通过艰难谈判,于1992年5月9日通过《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC,以下简称《公约》)。1997年12月于日本京都通过了《公约》的第一个附加协议,即《京都议定书》(以下简称《议定书》)。《议定书》把市场机制作为解决以二氧化碳为代表的温室气体减排问题的新路径,即把二氧化碳排放权作为一种商品,从而形成了二氧化碳排放权的交易,即碳交易。

    碳交易是指运用市场经济来促进环境保护的重要机制,允许企业在碳排放交易规定的排放总量不被突破的前提下,可以用这些减少的碳排放量,使用或交易企业内部及国内外的能源。《议定书》第17主题规定,碳排放交易是一个可交易的配额制度,以议定书附件B所列承诺的减排和限排承诺计算的配额为基础。例如,全球限定100单位的碳排放量,A国获得15单位的指标,B国获得10单位的指标,其他国家则获得其余75单位的指标。如果A国只排放了10个单位,而B国排放了12个单位,B国就可以从A国购买2个单位的碳排放量。目前,在推动碳排放交易方面,欧盟走在世界前列,已经制定了在欧盟地区适用的气体排放交易方案,通过对特定领域的万套装置的温室气体排放量进行认定,允许减排补贴进入市场,从而达到减少温室气体排放的目标。

    工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局制定了《国家绿色数据中心试点工作方案》(以下简称《方案》),组织重点省(区、市)围绕生产制造、能源、电信、互联网、公共机构、金融等重点应用领域选择一批代表性强、工作基础好、管理水平高的数据中心,开展绿色数据中心试点创建工作,提升试点数据中心节能环保水平。

    方案中提到,加强公共服务能力建设。整合行业现有资源,建立绿色数据中心公共服务平台,培育一批第三方检测评价机构、节能服务公司等;探索绿色数据中心节能量交易、融资租赁等金融服务模式。鼓励在数据中心领域推广合同能源管理和融资租赁等新型服务模式,研究节能量交易等新型方式。




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