《数据中心能源消耗限额》标准解析

2021-09-15朱文

现代建筑电气 2021年8期

朱文

(现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司,上海 200041)

0 引言

随着国家“新基建”政策的出台,全国各地纷纷推出了本地的“新基建”建设行动方案。上海作为全国最重要的数据中心热点城市区域之一,相继出台了多项政策,不仅推出了《上海市推进新型基础设施建设行动方案(2020—2022年)》,而且即将实施一系列关于数据中心建设的上海市地方标准,如《数据中心能源消耗限额》、《数据中心节能设计规范》、《数据中心能耗在线监测技术规范》,以提升数据中心能效水平,促进先进节能技术的推广应用。

尤其是《数据中心能源消耗限额》(简称《限额》)实施后,上海市节能主管部门将依据《限额》,审批新建和改扩建数据中心的建设;并通过数据中心能效监测平台在线监测和实地监察,对运营中不符合《限额》规定指标的数据中心,将采取相应的行政措施和经济措施,以推动本市数据中心的能效水平达到《限额》所规定的指标。因此,《限额》对上海市的数据中心项目审批、建设和运维都十分重要。

1 标准适用范围

《限额》是适用于数据机房面积大于200 m2的新建、扩建和改建的数据中心项目,主要涉及数据中心能效限额、能耗计量与计算、节能管理等内容。相比DB 31/652—2012《通信行业单位信息流量能源消耗限额(移动通信宏基站和数据中心部分)》,《限额》扩大了适用范围,不仅包括原有的通信行业,还覆盖互联网、政府机关、金融、科研、企事业等各领域的数据中心。另外,《限额》的适用范围定为主机房面积大于200 m2的数据中心,是考虑到小于200 m2的数据中心规模太小,耗能总量不大,且通常附设于其他建筑内,不是独立项目,很难进行前期的项目审批与后期的能耗监察。

2 电能利用效率考核指标

《限额》针对新建、扩建和改建以及已建成的数据中心的不同情况制定了不同的指标值。其中电能利用效率准入值是用于考察新建、扩建和改建数据中心所允许的电能利用效率指标值,是新建、扩建和改建数据中心必须达到的标准,是一个强制性指标,只有设计的电能利用效率达到该准入值的要求,才允许建设;电能利用效率限定值是用于考察已建成运行数据中心的指标值,是对此类数据中心提出的最低要求,也是一个强制性指标,对于此类未能达标的数据中心,政府相关部门将要求企业进行节能减排改造、陈旧设备更换,以提高能效;电能利用效率先进值是考核数据中心能源效率达到领先水平时的指标值,是一个推荐性指标,是代表该数据中心能耗水平在行业内具有领先水平,可作为数据中心降低能耗水平的标杆。

2.1 电能利用效率考核指标的制定依据

《限额》中电能利用效率考核指标的制定是综合考虑了以下多方面的因素。

(1)在《限额》制定前期,编制组调研了上海市大量运行中的数据中心,收集、整理其相关能耗数据、机架规模等数据,并进行统计分析,剔除调研数据中部分不完整和有异常的部分数据,筛选出其中72个数据中心作为统计对象,并从多个维度进行了统计分析,结果显示如下:

① 将全部统计数据中心的PUE值取平均,得到PUE均值为1.62。

② 将全部统计数据中心的合计年用电量/IT设备合计年用电量,得到整体PUE为1.48。

③ 按投运年份统计的PUE平均值如表1所示。由表1可见,近些年投产的数据中心PUE值相对以往的数据中心较低,能效水平更优。

表1 按投运年份统计的PUE平均值

④ 按机架规模统计的PUE平均值如表2所示。由表2可见,数据中心规模越大,PUE值较低,能效水平更优。

表2 按机架规模统计的PUE平均值

(2)选取了同等气候条件下的国内先进大型数据中心的PUE值作为参考。国内先进数据中心的PUE值及节能技术如表3所示。

表3 国内先进数据中心的PUE值及节能技术

(3)综合分析了国家与地方政策层面的要求。2019年,国家颁布了《加强绿色数据中心建设的指导意见》明确要求:到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下。同年,上海市颁布实施的《上海市互联网数据中心建设导则》,对数据中心提出了更为严格的要求:有效控制互联网数据中心的建设规模和用能总量;严控用能限额指标,对新建互联网数据中心进行节能评审,要求PUE值控制在1.3以下,改建互联网数据中心的PUE值控制在1.4以下。

(4)除了以上3方面主要因素外,《限额》还综合考虑了上海市的地理位置和气候环境特点、数据中心节能技术发展水平、节能调节因子等因素,以符合国家节能政策、适应本市数据中心现状和今后发展总体趋势、力求达到国内领先水平。

2.2 综合电能利用效率考核指标

(1)综合电能利用效率限定值。从《限额》实施之日起,已建成运营的数据中心的综合电能利用效率限定值应不大于1.7。

(2)综合电能利用效率准入值如表4所示。

表4 综合电能利用效率准入值

(3)综合电能利用效率先进值。数据中心综合电能利用效率先进值应不大于1.25。

3 综合电能利用效率CPUE定义

在GB 50174—2017《数据中心设计规范》中,电能利用效率PUE定义为表征数据中心电能利用效率的参数。

PUE计算公式为

(1)

在GB/T 32910.3《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》中,电能使用效率为

(2)

目前国内大部分规范所定义的电能利用效率,都是采用数据中心总电能消耗量与IT设备总电能消耗量之比,均未考虑到非电能源的输入和输出,如数据中心余热回收并对外供能的技术、数据中心利用燃气的三联供技术、数据中心利用工业余热技术等,采用以往的PUE考核数据中心,不能从整个社会层面客观反映出数据中心的耗能情况,也不利于某些节能技术的推广。

《限额》的电能利用效率PUEEE定义为:统计期内数据中心全年能源消耗量(按等效电计算)与实测IT设备全年消耗电量的比值。另外,《限额》又推出了综合电能利用效率CPUE的概念,即:综合考虑数据中心采用技术创新与应用、对外供能、利用工业废弃能源以及数据中心重要性等因素,对数据中心电能利用效率(PUEEE)进行调整后的值。采用CPUE考核数据中心,不仅体现出主管部门对节能技术的创新和应用的鼓励,而且兼顾到金融业务等特别重要数据中心的实际情况。

4 综合电能利用效率CPUE计算方法

数据中心电能利用效率PUEEE为

(3)

式中:P——统计期内数据中心的总能源消耗(包括所有电能和非电能);

PIT——统计期内信息设备的电能消耗。

数据中心综合电能利用效率CPUE为

CPUE=PUEEE-∑γi-γSE-γWE

(4)

式中:γi——考虑数据中心采用本地区所适宜的节能技术、节能创新及重要性等因素,所设置的电能利用效率调节因子;

γSE——由数据中心产生,并回收后对外供能(可按JG/T 358等效折算为电能与IT设备所消耗电能的比值;

γWE——数据中心利用的工业废弃能源(可按JG/T 358等效折算为电能与IT设备所消耗电能的比值。

5 数据中心总电能消耗的计量

5.1 与以前相关规范计量方法比较

根据《限额》规定,上海市数据中心的能耗考核采用计量仪表在线实测的方式。数据中心电能消耗测量点示意图如图1所示。

图1 数据中心电能消耗测量点示意图

根据GB/T 32910.3—2016《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》规定,数据中心电能消耗计量点的设置位置如图2所示。

图2 数据中心电能消耗计量点的设置位置

比较上述两个电能计量点位图,主要的差别在于以下两个方面:

(1)前者考虑了除市电和柴油发电机以外,还考虑了可再生能源发电、燃气发电、蓄电站等形式;后者仅虑了市电和柴油发电机两种形式。虽然市电和柴油发电机两种形式是数据中心最常见的两种电源,但随着数据中心节能要求越来越高,新技术、新能源在数据中心建设中也在越来越多的被应用了,因此《限额》对此作了补充和完善。

(2)前者在UPS电源和高压直流(HVDC)电源的前后端都设置了电能计量点;后者仅在UPS电源后设置了电能计量点。目前,数据中心的不间断电源除了采用UPS外,HVDC电源也越来越多地被应用了;另外在UPS电源和HVDC电源的前后都设置电能计量点,便于对此设备进行能效考核,因为在制冷系统的能效被大大提高后,UPS损耗就不可被忽视,因此《限额》对此作了要求,以期促进不间断电源节能技术和运维管理的提升。

5.2 市政电源的计量

由于数据中心规模不同,供电容量不同,上海市的市政供电电压等级通常有10 kV、35 kV、110 kV、220 kV等。内部变配电系统有10 kV/0.4 kV系统、35 kV/10 kV/0.4 kV系统、110 kV/10 kV/0.4 kV系统、220 kV/10 kV/0.4 kV系统、220 kV/35 kV/10 kV/0.4 kV系统等情况。如果将外部供入电力的测量点定为市政电源输入主开关处,则采用多级降压系统,相比采用一级降压系统(10/0.4 kV系统)的数据中心,多了上级变压器的损耗,考核标准不公平。由于10 kV配电是数据中心配电系统中常见的一个电压等级;而特别小的数据机房不在本规范的考虑范围内,不考虑0.4 kV供电系统的数据中心。因此《限额》规定:外部供入电力的测量点定为数据中心的10 kV电源侧。