《數據中心能源消耗限額》標準解析

朱 文

(現代建筑設計集團 上海建筑設計研究院有限公司,上海 200041)

0 引 言

隨著國家“新基建”政策的出臺,全國各地紛紛推出了本地的“新基建”建設行動方案。上海作為全國最重要的數據中心熱點城市區域之一,相繼出臺了多項政策,不僅推出了《上海市推進新型基礎設施建設行動方案(2020—2022年)》,而且即將實施一系列關于數據中心建設的上海市地方標準,如《數據中心能源消耗限額》、《數據中心節能設計規范》、《數據中心能耗在線監測技術規范》,以提升數據中心能效水平,促進先進節能技術的推廣應用。

尤其是《數據中心能源消耗限額》(簡稱《限額》)實施后,上海市節能主管部門將依據《限額》,審批新建和改擴建數據中心的建設;并通過數據中心能效監測平臺在線監測和實地監察,對運營中不符合《限額》規定指標的數據中心,將采取相應的行政措施和經濟措施,以推動本市數據中心的能效水平達到《限額》所規定的指標。因此,《限額》對上海市的數據中心項目審批、建設和運維都十分重要。

1 標準適用范圍

《限額》是適用于數據機房面積大于200 m2的新建、擴建和改建的數據中心項目,主要涉及數據中心能效限額、能耗計量與計算、節能管理等內容。相比DB 31/652—2012《通信行業單位信息流量能源消耗限額(移動通信宏基站和數據中心部分)》,《限額》擴大了適用范圍,不僅包括原有的通信行業,還覆蓋互聯網、政府機關、金融、科研、企事業等各領域的數據中心。另外,《限額》的適用范圍定為主機房面積大于200 m2的數據中心,是考慮到小于200 m2的數據中心規模太小,耗能總量不大,且通常附設于其他建筑內,不是獨立項目,很難進行前期的項目審批與后期的能耗監察。

2 電能利用效率考核指標

《限額》針對新建、擴建和改建以及已建成的數據中心的不同情況制定了不同的指標值。其中電能利用效率準入值是用于考察新建、擴建和改建數據中心所允許的電能利用效率指標值,是新建、擴建和改建數據中心必須達到的標準,是一個強制性指標,只有設計的電能利用效率達到該準入值的要求,才允許建設;電能利用效率限定值是用于考察已建成運行數據中心的指標值,是對此類數據中心提出的最低要求,也是一個強制性指標,對于此類未能達標的數據中心,政府相關部門將要求企業進行節能減排改造、陳舊設備更換,以提高能效;電能利用效率先進值是考核數據中心能源效率達到領先水平時的指標值,是一個推薦性指標,是代表該數據中心能耗水平在行業內具有領先水平,可作為數據中心降低能耗水平的標桿。

2.1 電能利用效率考核指標的制定依據

《限額》中電能利用效率考核指標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,編制組調研了上海市大量運行中的數據中心,收集、整理其相關能耗數據、機架規模等數據,并進行統計分析,剔除調研數據中部分不完整和有異常的部分數據,篩選出其中72個數據中心作為統計對象,并從多個維度進行了統計分析,結果顯示如下:

① 將全部統計數據中心的PUE值取平均,得到PUE均值為1.62。

② 將全部統計數據中心的合計年用電量/IT設備合計年用電量,得到整體PUE為1.48。

③ 按投運年份統計的PUE平均值如表1所示。由表1可見,近些年投產的數據中心PUE值相對以往的數據中心較低,能效水平更優。

表1 按投運年份統計的PUE平均值

④ 按機架規模統計的PUE平均值如表2所示。由表2可見,數據中心規模越大,PUE值較低,能效水平更優。

表2 按機架規模統計的PUE平均值

(2)選取了同等氣候條件下的國內先進大型數據中心的PUE值作為參考。國內先進數據中心的PUE值及節能技術如表3所示。

表3 國內先進數據中心的PUE值及節能技術

(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《加強綠色數據中心建設的指導意見》明確要求:到2022年,數據中心平均能耗基本達到國際先進水平,新建大型、超大型數據中心的電能使用效率值達到1.4以下。同年,上海市頒布實施的《上海市互聯網數據中心建設導則》,對數據中心提出了更為嚴格的要求:有效控制互聯網數據中心的建設規模和用能總量;嚴控用能限額指標,對新建互聯網數據中心進行節能評審,要求PUE值控制在1.3以下,改建互聯網數據中心的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境特點、數據中心節能技術發展水平、節能調節因子等因素,以符合國家節能政策、適應本市數據中心現狀和今后發展總體趨勢、力求達到國內領先水平。

2.2 綜合電能利用效率考核指標

(1)綜合電能利用效率限定值。從《限額》實施之日起,已建成運營的數據中心的綜合電能利用效率限定值應不大于1.7。

(2)綜合電能利用效率準入值如表4所示。

表4 綜合電能利用效率準入值

(3)綜合電能利用效率先進值。數據中心綜合電能利用效率先進值應不大于1.25。

3 綜合電能利用效率CPUE定義

在GB 50174—2017《數據中心設計規范》中,電能利用效率PUE定義為表征數據中心電能利用效率的參數。

PUE計算公式為

(1)

在GB/T 32910.3《數據中心 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)

目前國內大部分規范所定義的電能利用效率,都是采用數據中心總電能消耗量與IT設備總電能消耗量之比,均未考慮到非電能源的輸入和輸出,如數據中心余熱回收并對外供能的技術、數據中心利用燃氣的三聯供技術、數據中心利用工業余熱技術等,采用以往的PUE考核數據中心,不能從整個社會層面客觀反映出數據中心的耗能情況,也不利于某些節能技術的推廣。

《限額》的電能利用效率PUEEE定義為:統計期內數據中心全年能源消耗量(按等效電計算)與實測IT設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:綜合考慮數據中心采用技術創新與應用、對外供能、利用工業廢棄能源以及數據中心重要性等因素,對數據中心電能利用效率(PUEEE)進行調整后的值。采用CPUE考核數據中心,不僅體現出主管部門對節能技術的創新和應用的鼓勵,而且兼顧到金融業務等特別重要數據中心的實際情況。

4 綜合電能利用效率CPUE計算方法

數據中心電能利用效率PUEEE為

(3)

式中:P——統計期內數據中心的總能源消耗(包括所有電能和非電能);

PIT——統計期內信息設備的電能消耗。

數據中心綜合電能利用效率CPUE為

CPUE=PUEEE-∑γi-γSE-γWE

(4)

式中:γi——考慮數據中心采用本地區所適宜的節能技術、節能創新及重要性等因素,所設置的電能利用效率調節因子;

γSE——由數據中心產生,并回收后對外供能(可按JG/T 358等效折算為電能與IT設備所消耗電能的比值;

γWE——數據中心利用的工業廢棄能源(可按JG/T 358等效折算為電能與IT設備所消耗電能的比值。

5 數據中心總電能消耗的計量

5.1 與以前相關規范計量方法比較

根據《限額》規定,上海市數據中心的能耗考核采用計量儀表在線實測的方式。數據中心電能消耗測量點示意圖如圖1所示。

圖1 數據中心電能消耗測量點示意圖

根據GB/T 32910.3—2016《數據中心資源利用 第3部分:電能能效要求和測量方法》規定,數據中心電能消耗計量點的設置位置如圖2所示。

圖2 數據中心電能消耗計量點的設置位置

比較上述兩個電能計量點位圖,主要的差別在于以下兩個方面:

(1)前者考慮了除市電和柴油發電機以外,還考慮了可再生能源發電、燃氣發電、蓄電站等形式;后者僅慮了市電和柴油發電機兩種形式。雖然市電和柴油發電機兩種形式是數據中心最常見的兩種電源,但隨著數據中心節能要求越來越高,新技術、新能源在數據中心建設中也在越來越多的被應用了,因此《限額》對此作了補充和完善。

(2)前者在UPS電源和高壓直流(HVDC)電源的前后端都設置了電能計量點;后者僅在UPS電源后設置了電能計量點。目前,數據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用了;另外在UPS電源和HVDC電源的前后都設置電能計量點,便于對此設備進行能效考核,因為在制冷系統的能效被大大提高后,UPS損耗就不可被忽視,因此《限額》對此作了要求,以期促進不間斷電源節能技術和運維管理的提升。

5.2 市政電源的計量

由于數據中心規模不同,供電容量不同,上海市的市政供電電壓等級通常有10 kV、35 kV、110 kV、220 kV等。內部變配電系統有10 kV/0.4 kV系統、35 kV/10 kV/0.4 kV系統、110 kV/10 kV/0.4 kV系統、220 kV/10 kV/0.4 kV系統、220 kV/35 kV/10 kV/0.4 kV系統等情況。如果將外部供入電力的測量點定為市政電源輸入主開關處,則采用多級降壓系統,相比采用一級降壓系統(10/0.4 kV系統)的數據中心,多了上級變壓器的損耗,考核標準不公平。由于10 kV配電是數據中心配電系統中常見的一個電壓等級;而特別小的數據機房不在本規范的考慮范圍內,不考慮0.4 kV供電系統的數據中心。因此《限額》規定:外部供入電力的測量點定為數據中心的10 kV電源側。

6 綜合電能利用效率調節因子

為了響應上海市節能減排的政策要求,鼓勵數據中心采用適宜本地區的節能技術,在CPUE計算中設置了綜合電能利用效率調節因子γi。其包括可再生能源、峰谷蓄電、錯峰蓄冷、液冷機柜等節能技術;對各類技術節能量的不同占比規定了不同調節因子,以期更為合理。

另外,在對各行業的數據中心調研中發現,某些銀行、證券、保險等金融類數據中心由于其業務的特殊需求及其重要性,決定其IT設備冗余度高、負荷率低、負荷峰谷差異大等特點,基于這些實際情況,《限額》設置重要性調節因子,用于平衡實際運行狀況的差異,做到公平合理。

7 結 語

《限額》對數據中心綜合電能利用效率的考核充分體現了以下特點。

(1)能源消耗考核的全面性、公平性:《限額》的統計范圍、統計方法是對數據中心所有輸入、輸出能源進行全面計量與考核,涵蓋所有電能和非電能源。

(2)鼓勵節能技術應用:引入適宜本地區的節能技術綜合電能利用效率調節因子,鼓勵數據中心建設單位積極應用節能技術。

(3)兼顧實際情況:綜合電能利用效率考核指標不僅是基于本市和國內外大量的調研數據,而且充分考慮到金融類數據中心的特殊需求及其重要性,設置了重要性調節因子,使得考核標準更為公平合理。

數據中心作為信息化社會的重要基礎設施,必將快速發展,而其高耗能的特性又會大大增加城市能源的負擔,因此《限額》的實施,將嚴格控制上海市的數據中心能耗水平,淘汰不合格的已建數據中心,促進先進節能技術的推廣應用,將本市的數據中心建設提升至國內領先的能效水平。