《數(shù)據(jù)中心能源消耗限額》標(biāo)準(zhǔn)解析

朱 文

(現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán) 上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200041)

0 引 言

隨著國家“新基建”政策的出臺(tái),全國各地紛紛推出了本地的“新基建”建設(shè)行動(dòng)方案。上海作為全國最重要的數(shù)據(jù)中心熱點(diǎn)城市區(qū)域之一,相繼出臺(tái)了多項(xiàng)政策,不僅推出了《上海市推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)方案(2020—2022年)》,而且即將實(shí)施一系列關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)的上海市地方標(biāo)準(zhǔn),如《數(shù)據(jù)中心能源消耗限額》、《數(shù)據(jù)中心節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》、《數(shù)據(jù)中心能耗在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》,以提升數(shù)據(jù)中心能效水平,促進(jìn)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用。

尤其是《數(shù)據(jù)中心能源消耗限額》(簡稱《限額》)實(shí)施后,上海市節(jié)能主管部門將依據(jù)《限額》,審批新建和改擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心的建設(shè);并通過數(shù)據(jù)中心能效監(jiān)測平臺(tái)在線監(jiān)測和實(shí)地監(jiān)察,對(duì)運(yùn)營中不符合《限額》規(guī)定指標(biāo)的數(shù)據(jù)中心,將采取相應(yīng)的行政措施和經(jīng)濟(jì)措施,以推動(dòng)本市數(shù)據(jù)中心的能效水平達(dá)到《限額》所規(guī)定的指標(biāo)。因此,《限額》對(duì)上海市的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目審批、建設(shè)和運(yùn)維都十分重要。

1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

《限額》是適用于數(shù)據(jù)機(jī)房面積大于200 m2的新建、擴(kuò)建和改建的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,主要涉及數(shù)據(jù)中心能效限額、能耗計(jì)量與計(jì)算、節(jié)能管理等內(nèi)容。相比DB 31/652—2012《通信行業(yè)單位信息流量能源消耗限額(移動(dòng)通信宏基站和數(shù)據(jù)中心部分)》,《限額》擴(kuò)大了適用范圍,不僅包括原有的通信行業(yè),還覆蓋互聯(lián)網(wǎng)、政府機(jī)關(guān)、金融、科研、企事業(yè)等各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)中心。另外,《限額》的適用范圍定為主機(jī)房面積大于200 m2的數(shù)據(jù)中心,是考慮到小于200 m2的數(shù)據(jù)中心規(guī)模太小,耗能總量不大,且通常附設(shè)于其他建筑內(nèi),不是獨(dú)立項(xiàng)目,很難進(jìn)行前期的項(xiàng)目審批與后期的能耗監(jiān)察。

2 電能利用效率考核指標(biāo)

《限額》針對(duì)新建、擴(kuò)建和改建以及已建成的數(shù)據(jù)中心的不同情況制定了不同的指標(biāo)值。其中電能利用效率準(zhǔn)入值是用于考察新建、擴(kuò)建和改建數(shù)據(jù)中心所允許的電能利用效率指標(biāo)值,是新建、擴(kuò)建和改建數(shù)據(jù)中心必須達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn),是一個(gè)強(qiáng)制性指標(biāo),只有設(shè)計(jì)的電能利用效率達(dá)到該準(zhǔn)入值的要求,才允許建設(shè);電能利用效率限定值是用于考察已建成運(yùn)行數(shù)據(jù)中心的指標(biāo)值,是對(duì)此類數(shù)據(jù)中心提出的最低要求,也是一個(gè)強(qiáng)制性指標(biāo),對(duì)于此類未能達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)中心,政府相關(guān)部門將要求企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排改造、陳舊設(shè)備更換,以提高能效;電能利用效率先進(jìn)值是考核數(shù)據(jù)中心能源效率達(dá)到領(lǐng)先水平時(shí)的指標(biāo)值,是一個(gè)推薦性指標(biāo),是代表該數(shù)據(jù)中心能耗水平在行業(yè)內(nèi)具有領(lǐng)先水平,可作為數(shù)據(jù)中心降低能耗水平的標(biāo)桿。

2.1 電能利用效率考核指標(biāo)的制定依據(jù)

《限額》中電能利用效率考核指標(biāo)的制定是綜合考慮了以下多方面的因素。

(1)在《限額》制定前期,編制組調(diào)研了上海市大量運(yùn)行中的數(shù)據(jù)中心,收集、整理其相關(guān)能耗數(shù)據(jù)、機(jī)架規(guī)模等數(shù)據(jù),并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,剔除調(diào)研數(shù)據(jù)中部分不完整和有異常的部分?jǐn)?shù)據(jù),篩選出其中72個(gè)數(shù)據(jù)中心作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象,并從多個(gè)維度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示如下:

① 將全部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中心的PUE值取平均,得到PUE均值為1.62。

② 將全部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中心的合計(jì)年用電量/IT設(shè)備合計(jì)年用電量,得到整體PUE為1.48。

③ 按投運(yùn)年份統(tǒng)計(jì)的PUE平均值如表1所示。由表1可見,近些年投產(chǎn)的數(shù)據(jù)中心PUE值相對(duì)以往的數(shù)據(jù)中心較低,能效水平更優(yōu)。

表1 按投運(yùn)年份統(tǒng)計(jì)的PUE平均值

④ 按機(jī)架規(guī)模統(tǒng)計(jì)的PUE平均值如表2所示。由表2可見,數(shù)據(jù)中心規(guī)模越大,PUE值較低,能效水平更優(yōu)。

表2 按機(jī)架規(guī)模統(tǒng)計(jì)的PUE平均值

(2)選取了同等氣候條件下的國內(nèi)先進(jìn)大型數(shù)據(jù)中心的PUE值作為參考。國內(nèi)先進(jìn)數(shù)據(jù)中心的PUE值及節(jié)能技術(shù)如表3所示。

表3 國內(nèi)先進(jìn)數(shù)據(jù)中心的PUE值及節(jié)能技術(shù)

(3)綜合分析了國家與地方政策層面的要求。2019年,國家頒布了《加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》明確要求:到2022年,數(shù)據(jù)中心平均能耗基本達(dá)到國際先進(jìn)水平,新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的電能使用效率值達(dá)到1.4以下。同年,上海市頒布實(shí)施的《上海市互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)導(dǎo)則》,對(duì)數(shù)據(jù)中心提出了更為嚴(yán)格的要求:有效控制互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模和用能總量;嚴(yán)控用能限額指標(biāo),對(duì)新建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能評(píng)審,要求PUE值控制在1.3以下,改建互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的PUE值控制在1.4以下。

(4)除了以上3方面主要因素外,《限額》還綜合考慮了上海市的地理位置和氣候環(huán)境特點(diǎn)、數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)發(fā)展水平、節(jié)能調(diào)節(jié)因子等因素,以符合國家節(jié)能政策、適應(yīng)本市數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀和今后發(fā)展總體趨勢(shì)、力求達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2.2 綜合電能利用效率考核指標(biāo)

(1)綜合電能利用效率限定值。從《限額》實(shí)施之日起,已建成運(yùn)營的數(shù)據(jù)中心的綜合電能利用效率限定值應(yīng)不大于1.7。

(2)綜合電能利用效率準(zhǔn)入值如表4所示。

表4 綜合電能利用效率準(zhǔn)入值

(3)綜合電能利用效率先進(jìn)值。數(shù)據(jù)中心綜合電能利用效率先進(jìn)值應(yīng)不大于1.25。

3 綜合電能利用效率CPUE定義

在GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中,電能利用效率PUE定義為表征數(shù)據(jù)中心電能利用效率的參數(shù)。

PUE計(jì)算公式為

(1)

在GB/T 32910.3《數(shù)據(jù)中心 資源利用 第3部分:電能能效要求和測量方法》中,電能使用效率為

(2)

目前國內(nèi)大部分規(guī)范所定義的電能利用效率,都是采用數(shù)據(jù)中心總電能消耗量與IT設(shè)備總電能消耗量之比,均未考慮到非電能源的輸入和輸出,如數(shù)據(jù)中心余熱回收并對(duì)外供能的技術(shù)、數(shù)據(jù)中心利用燃?xì)獾娜?lián)供技術(shù)、數(shù)據(jù)中心利用工業(yè)余熱技術(shù)等,采用以往的PUE考核數(shù)據(jù)中心,不能從整個(gè)社會(huì)層面客觀反映出數(shù)據(jù)中心的耗能情況,也不利于某些節(jié)能技術(shù)的推廣。

《限額》的電能利用效率PUEEE定義為:統(tǒng)計(jì)期內(nèi)數(shù)據(jù)中心全年能源消耗量(按等效電計(jì)算)與實(shí)測IT設(shè)備全年消耗電量的比值。另外,《限額》又推出了綜合電能利用效率CPUE的概念,即:綜合考慮數(shù)據(jù)中心采用技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用、對(duì)外供能、利用工業(yè)廢棄能源以及數(shù)據(jù)中心重要性等因素,對(duì)數(shù)據(jù)中心電能利用效率(PUEEE)進(jìn)行調(diào)整后的值。采用CPUE考核數(shù)據(jù)中心,不僅體現(xiàn)出主管部門對(duì)節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用的鼓勵(lì),而且兼顧到金融業(yè)務(wù)等特別重要數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況。

4 綜合電能利用效率CPUE計(jì)算方法

數(shù)據(jù)中心電能利用效率PUEEE為

(3)

式中:P——統(tǒng)計(jì)期內(nèi)數(shù)據(jù)中心的總能源消耗(包括所有電能和非電能);

PIT——統(tǒng)計(jì)期內(nèi)信息設(shè)備的電能消耗。

數(shù)據(jù)中心綜合電能利用效率CPUE為

CPUE=PUEEE-∑γi-γSE-γWE

(4)

式中:γi——考慮數(shù)據(jù)中心采用本地區(qū)所適宜的節(jié)能技術(shù)、節(jié)能創(chuàng)新及重要性等因素,所設(shè)置的電能利用效率調(diào)節(jié)因子;

γSE——由數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生,并回收后對(duì)外供能(可按JG/T 358等效折算為電能與IT設(shè)備所消耗電能的比值;

γWE——數(shù)據(jù)中心利用的工業(yè)廢棄能源(可按JG/T 358等效折算為電能與IT設(shè)備所消耗電能的比值。

5 數(shù)據(jù)中心總電能消耗的計(jì)量

5.1 與以前相關(guān)規(guī)范計(jì)量方法比較

根據(jù)《限額》規(guī)定,上海市數(shù)據(jù)中心的能耗考核采用計(jì)量儀表在線實(shí)測的方式。數(shù)據(jù)中心電能消耗測量點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心電能消耗測量點(diǎn)示意圖

根據(jù)GB/T 32910.3—2016《數(shù)據(jù)中心資源利用 第3部分:電能能效要求和測量方法》規(guī)定,數(shù)據(jù)中心電能消耗計(jì)量點(diǎn)的設(shè)置位置如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心電能消耗計(jì)量點(diǎn)的設(shè)置位置

比較上述兩個(gè)電能計(jì)量點(diǎn)位圖,主要的差別在于以下兩個(gè)方面:

(1)前者考慮了除市電和柴油發(fā)電機(jī)以外,還考慮了可再生能源發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、蓄電站等形式;后者僅慮了市電和柴油發(fā)電機(jī)兩種形式。雖然市電和柴油發(fā)電機(jī)兩種形式是數(shù)據(jù)中心最常見的兩種電源,但隨著數(shù)據(jù)中心節(jié)能要求越來越高,新技術(shù)、新能源在數(shù)據(jù)中心建設(shè)中也在越來越多的被應(yīng)用了,因此《限額》對(duì)此作了補(bǔ)充和完善。

(2)前者在UPS電源和高壓直流(HVDC)電源的前后端都設(shè)置了電能計(jì)量點(diǎn);后者僅在UPS電源后設(shè)置了電能計(jì)量點(diǎn)。目前,數(shù)據(jù)中心的不間斷電源除了采用UPS外,HVDC電源也越來越多地被應(yīng)用了;另外在UPS電源和HVDC電源的前后都設(shè)置電能計(jì)量點(diǎn),便于對(duì)此設(shè)備進(jìn)行能效考核,因?yàn)樵谥评湎到y(tǒng)的能效被大大提高后,UPS損耗就不可被忽視,因此《限額》對(duì)此作了要求,以期促進(jìn)不間斷電源節(jié)能技術(shù)和運(yùn)維管理的提升。

5.2 市政電源的計(jì)量

由于數(shù)據(jù)中心規(guī)模不同,供電容量不同,上海市的市政供電電壓等級(jí)通常有10 kV、35 kV、110 kV、220 kV等。內(nèi)部變配電系統(tǒng)有10 kV/0.4 kV系統(tǒng)、35 kV/10 kV/0.4 kV系統(tǒng)、110 kV/10 kV/0.4 kV系統(tǒng)、220 kV/10 kV/0.4 kV系統(tǒng)、220 kV/35 kV/10 kV/0.4 kV系統(tǒng)等情況。如果將外部供入電力的測量點(diǎn)定為市政電源輸入主開關(guān)處,則采用多級(jí)降壓系統(tǒng),相比采用一級(jí)降壓系統(tǒng)(10/0.4 kV系統(tǒng))的數(shù)據(jù)中心,多了上級(jí)變壓器的損耗,考核標(biāo)準(zhǔn)不公平。由于10 kV配電是數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中常見的一個(gè)電壓等級(jí);而特別小的數(shù)據(jù)機(jī)房不在本規(guī)范的考慮范圍內(nèi),不考慮0.4 kV供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。因此《限額》規(guī)定:外部供入電力的測量點(diǎn)定為數(shù)據(jù)中心的10 kV電源側(cè)。

6 綜合電能利用效率調(diào)節(jié)因子

為了響應(yīng)上海市節(jié)能減排的政策要求,鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心采用適宜本地區(qū)的節(jié)能技術(shù),在CPUE計(jì)算中設(shè)置了綜合電能利用效率調(diào)節(jié)因子γi。其包括可再生能源、峰谷蓄電、錯(cuò)峰蓄冷、液冷機(jī)柜等節(jié)能技術(shù);對(duì)各類技術(shù)節(jié)能量的不同占比規(guī)定了不同調(diào)節(jié)因子,以期更為合理。

另外,在對(duì)各行業(yè)的數(shù)據(jù)中心調(diào)研中發(fā)現(xiàn),某些銀行、證券、保險(xiǎn)等金融類數(shù)據(jù)中心由于其業(yè)務(wù)的特殊需求及其重要性,決定其IT設(shè)備冗余度高、負(fù)荷率低、負(fù)荷峰谷差異大等特點(diǎn),基于這些實(shí)際情況,《限額》設(shè)置重要性調(diào)節(jié)因子,用于平衡實(shí)際運(yùn)行狀況的差異,做到公平合理。

7 結(jié) 語

《限額》對(duì)數(shù)據(jù)中心綜合電能利用效率的考核充分體現(xiàn)了以下特點(diǎn)。

(1)能源消耗考核的全面性、公平性:《限額》的統(tǒng)計(jì)范圍、統(tǒng)計(jì)方法是對(duì)數(shù)據(jù)中心所有輸入、輸出能源進(jìn)行全面計(jì)量與考核,涵蓋所有電能和非電能源。

(2)鼓勵(lì)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用:引入適宜本地區(qū)的節(jié)能技術(shù)綜合電能利用效率調(diào)節(jié)因子,鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心建設(shè)單位積極應(yīng)用節(jié)能技術(shù)。

(3)兼顧實(shí)際情況:綜合電能利用效率考核指標(biāo)不僅是基于本市和國內(nèi)外大量的調(diào)研數(shù)據(jù),而且充分考慮到金融類數(shù)據(jù)中心的特殊需求及其重要性,設(shè)置了重要性調(diào)節(jié)因子,使得考核標(biāo)準(zhǔn)更為公平合理。

數(shù)據(jù)中心作為信息化社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,必將快速發(fā)展,而其高耗能的特性又會(huì)大大增加城市能源的負(fù)擔(dān),因此《限額》的實(shí)施,將嚴(yán)格控制上海市的數(shù)據(jù)中心能耗水平,淘汰不合格的已建數(shù)據(jù)中心,促進(jìn)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用,將本市的數(shù)據(jù)中心建設(shè)提升至國內(nèi)領(lǐng)先的能效水平。