数据中心国家和地方节能政策和标准体系

作者:兰洋科技    浏览量:4201    时间:2023年03月09日    标签: 绿色数据中心 节能减排 PUE 碳中和

数据中心高速发展的同时,能耗问题突出。为此,国家部委、地方政府和相关机构相继制定了一系列促进数据中心节能提效的政策、法规与标准。本章将介绍近年来国家和地方出台的数据中心政策和标准,以更好地了解数据中心的节能工作重点和方向。

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1 国家和地方相关节能政策措施

国家和地方对于数据中心的节能政策主要围绕着优化数据中心建设布局、提高节能要求、开展绿色数据中心示范,发挥公共机构引领作用等展开。

1.1 优化数据中心建设布局

从国家政策导向看,2017年,工信部相继发布了《关于数据中心建设布局的指导意见》及《全国数据中心应用发展指引(2017)》等,这是指导国内数据中心建设的纲领性文件。该系列政策文件通过划分数据中心建设地区类型、采用有区别的政策措施,推动数据中心建设向气候适宜、能源充足、土地租用价格低廉的西部地区转移。政策实施后,以内蒙古、贵州为代表的西部省份数据中心实现高速发展,建设数量规模快速提升。2019年7月工业和信息化部、发展改革委员会、国土资源部、国家能源局《关于数据中心建设布局的指导意见》提出市场需求导向原则:从市场需求出发,合理规划建设数据中心。对满足布局导向要求,在PUE1.5 以下的新建数据中心,以及整合、改造和升级达到相关标准要求(暂定PUE 降低到2.0 以下)的已建数据中心,在电力设施建设、供应及服务等方面给予重点支持。

从地方政策看,由于地方经济发展水平、产业结构布局、区域资源条件等不同,不同地区对于数据中心建设采取了不同的政策措施。总体而言,北京、上海等一线城市严控增量,优化存量;蒙贵宁等欠发达地区积极引进、扩大规模。

(1)北京禁止在中心城区新(扩)建数据中心

2018年,北京市数据中心可用机架数约为18.6万,全市数据中心平均PUE值达到了1.5,单位机架能耗水平达到4kW,据此测算,数据中心耗电量占全市全社会耗电量比例高达9%。由于数据中心加剧了全市用电紧张局面,因此,北京市制定了一系列数据中心管控政策。如《北京市新增产业的禁止和限制目录》(2018年版)指出,禁止建设PUE值在1.4以上的数据中心;中心城区全面禁止新建和扩建数据中心。政策推动了新建的数据中心向天津、廊坊等周边转移。

(2)上海严格控制新建数据中心

目前上海市数据中心约有10~15万个机架,主要服务于金融、通信、互联网运营商。建成的数据中心一部分是企业自用,另一部分为互联网运营商为用户提供租赁等服务。当前数据中心运行PUE为1.50~2.00,机架能耗分布较散15。针对这一情况,上海市在《节能和应对气候变化“十三五”规划》严格控制新建数据中心,确有必要建设的,必须确保数据中心PUE值小于1.5。同时,加快数据中心全面节能改造。2019年,上海市提出将全市互联网数据中心新增机架数严格控制在6万架以内;坚持用能限额,新建互联网数据中心PUE值严格控制在1.3以下,改建互联网数据中心PUE值严格控制在1.4以下。

(3)广东省加强数据中心节能改造与替代

广州市要求各区新建数据中心项目实行能源消费承诺和替代制度,同时提高新建数据中心节能标准。2019年,广州市印发《关于加强数据中心节能审查工作的通知》。提出了新建数据中心的能效准入要求:新建项目符合PUE在1.4以下;改造项目要符合PUE在1.6以下;并对改造后低于1.4以下PUE值按不同等级分配节能量用能指标。同时,要求新建数据中心项目所在区实行能源消费承诺和替代制

15 资度,对既有数据中心进行节能绿色化改造,还提出了日常管理和节能监察等方面的要求。

2019年,深圳市印发了《深圳市发展和改革委员会关于数据中心节能审查有关事项的通知》,深圳在存量数据中心上开展节能工作,按照“以高代低、以大代小、以新代旧”等方式促进老旧数据中心改造,对于不同PUE值的数据中心,给予不同政策支持,例如对PUE值为1.3~1.35(含1.3)的高效数据中心,可在用能指标上予以倾斜。

(4)贵州省布局(超)大型节能数据中心

贵州省将数据中心的发展作为产业升级的主要动力,优越的自然条件和优惠的政策,吸引了一大批超大型数据中心的入驻。为了加强数据中心的节能管理,2017年,贵州省发布了《关于进一步科学规划布局数据中心大力发展大数据应用的通知》,对新建的数据中心提出更高的节能标准和要求,包括加强数据中心节能设计、既有数据中心技术改造,大力提高实际装机利用率,提高运营管理水平,推进数据中心绿色化发展。同时,强调要优化大型、超大型数据中心布局,杜绝数据中心和相关园区盲目建设,避免数据中心建成后空置率过高等。

1.2 提出数据中心能效指标

2012年以来,随着数据中心需求激增,数据中心能耗问题凸显。为加快数据中心节能管理,从“十二五”到“十三五”,国家逐渐提高了数据中心的节能标准,要求各地新建和改扩建数据中心的PUE值不断降低。

2013年,工信部在《关于进一步加强通信业节能减排工作的指导意见》,提出要出台适应新一代绿色数据中心要求的相关标准,优化机房的冷热气流布局,采用精确送风、热源快速冷却等措施,确保新建大型数据中心的PUE值达到1.5以下,力争使改造后数据中心的PUE值下降到2以下。

2017年,国务院在《“十三五”节能减排综合工作方案》指出:进一步推广云计算技术应用,新建大型云计算数据中心PUE值优于1.5。

2019年,工信部、国家机关事务管理局、国家能源局三部门出台《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》指出大型和超大型数据中心设计PUE值应不高于1.4。

2021年,工业和信息化部印发《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》提出了具体目标:到2021年底,新建大型及以上数据中心PUE降低到1.35以下。到2023年底,新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下,严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。

从北京、上海等地的政策文件看,普遍将PUE值在1.4以下作为新建数据中心的准入标准。在改扩建项目上,要求数据中心节能改造后,PUE值不高于1.5(北京)、甚至1.4(上海)。

1.3 开展绿色数据中心建设示范

为了调动数据中心节能积极性,发挥先进数据中心的示范引领作用,从“十三五”以来,国内一直积极开展绿色数据中心试点工作。

2015年,工信部等三部委联合下发了《国家绿色数据中心试点工作方案》,要求到2017年,创建百个绿色数据中心试点,试点数据中心能效平均提高8%以上。该政策文件还提出了数据中心节能技术改造、绿色数据中心运维管理体系建设等具体措施。

为鼓励绿色数据中心建设,《国家绿色数据中心试点工作方案》下发后,国内进行了首次国家绿色数据中心评选工作。北京、上海、广东、天津、河北、江苏等14个地区入选第一批遴选地址,并且在生产制造、电信、公共机构、互联网、金融、能源6个重点领域中评选出了49家数据中心纳入到《国家绿色数据中心名单》。

2019年,工信部等三部门发布了《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》,要求建立健全绿色数据中心标准评价体系和能源资源监管体系,打造一批绿色数据中心先进典型,形成一批具有创新性的绿色技术产品、解决方案。

2020年8月,国家再次发布《关于组织开展国家绿色数据中心(2020年)推荐工作的通知》,经过评选,通信、互联网、公共机构、能源和金融领域的60家数据中心入选新一批国家绿色数据中心。

1.4 促进公共机构数据中心绿色先行

为积极响应国家绿色数据中心试点工作,2016年,国管局在《公共机构节约能源资源“十三五”规划》指出要开展绿色数据中心试点,组织实施中央国家机关5000平方米绿色数据中心机房改造。该规划重点提及优化对公共机构机房能耗的监测,实时掌握制冷系统的能耗水平与效率,对不合理的运行状态进行调整。主要措施包括:

(1)在制冷方式的选择上,用液冷替代空冷可增加制冷系统与IT设备的换热效率,降低制冷系统的能耗等级;

(2)优化机架布局,目的在于使制冷空调吹出的冷风与机器散热时通过自然对流产生的热风气流分离,避免冷热风的掺混。进而提高低温冷风与IT设备的高温表面换热时的温差,提高换热效率,降低制冷能耗;

(3)建设自然冷源,充分利用北方冬季的外部冷源为机房提供制冷,降低制冷空调的全年运行时间,降低能耗;

(4)自有系统余热回收利用,充分利用空调冷凝时散发的余热,采用储能装置吸收回热,用于加热冷却水,提高制冷系统的能源利用效率。

从试点情况看,包括中科院计算机网络信息中心、丽水市公安局数据中心、宁波市行政中心集中机房在内的8家公共机构数据中心入选国家绿色数据中心,起到了良好的示范引领作用。

2. 国家及地方相关节能标准规范

数据中心相关标准较多,包括《数据中心设计规范》、《通讯中心机房环境条件要求》等在内的建设、环境要求、管理等国家标准,对保障数据中心建设和运行起到了很好的指导作用。

随着对数据中心节能工作的重视,在《数据中心设计规范》、《互联网数据中心工程技术规范》等国家标准中相继加入了节能设计要求。对于数据中心的环境条件、制冷系统等节能要求多依赖建筑和建筑热工、空调系统等的相关节能标准。

国家标准有《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)。在数据中心节能评价和能源管理方面,已经出台了相应的标准,如《数据中心绿色等级评价》(团体标准)和《数据中心能源管理体系实施指南》(国家标准)。

我国现有涉及数据中心资源能源利用、能效/能耗评价、节能评价、绿色数据中心评价的国家标准、地方标准、行业标准和规范性文件超过20项,但在实际应用中指标计算边界和数据监测口径不一。为规范数据中心能效评价,2021年10月《数据中心能效限定值及能效等级》(GB40879-2021)作为强制性国家标准正式发布,规定了能效限定值等强制性能效准入要求,也代表着数据中心建立了规范、统一的数据中心能效评价方法,将为该领域实现绿色低碳发展提供关键的标准工具。

此外,不少地方已经开始了数据中心专项节能标准的有益尝试,如北京出台了《数据中心节能设计规范》,上海出台了《数据中心机房单位能源消耗限额》,山东出台了《数据中心能源管理效果评价导则》等。

在绿色数据中心评价标准方面,得益于国家绿色数据中心试点工作的开展,国内绿色数据中心评价标准较多,相关机构相继出台了《绿色数据中心评估准则》、《绿色数据中心评价标准》以及《国家绿色数据中心试点评价指标体系(2017)》,对绿色数据中心建设起到很好的指导作用。

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图1 国内数据中心节能相关标准体系

2.1 数据中心节能设计标准

在《数据中心设计规范》(GB50174-2017)、《互联网数据中心工程技术规范》(GB51195-2016)中均有数据中心节能设计内容。除了上述国家标准外,北京市出台了专门的数据中心节能设计规范——《数据中心节能设计规范》,这也是首个地方数据中心节能设计标准。

(1)《数据中心设计规范》(GB50174-2017)

《数据中心设计规范》(GB50174-2017)给出了最为详细的节能举措,可操作性较强、易于实现,是指导数据中心制冷系统节能提效的重要标准。该标准对于绿色数据中心建设,既有数据中心节能改造具有较强的指导意义。

该标准的一大亮点是对机房环境,特别是主机房气流组织形式进行的界定。

表1 《数据中心设计规范》对主机房气流组织形式的界定

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此外,标准还对机房空调提出了节能设计要求,除了要求空调系统应根据当地气候条件,充分利用自然冷源,根据情况设置蓄冷设施和全新风空调系统,在进行空调系统设计时,应分别计算自然冷却和余热回收的经济效益,并应采用经济效益最大的节能设计方案。

其他措施还包括:1)对单台机柜发热量大于4kW的主机房,宜采用活动地板下送风(上回风)、行间制冷空调前送风(后回风)等方式,并宜采取冷热通道隔离措施;2)根据负荷变化情况,空调系统宜采用变频、自动控制等技术进行负荷调节;3)空调系统的新风量应取下列两项中的最大值:按工作人员计算,每人40m3/h;维持室内正压所需风量;4)大型数据中心宜采用水冷冷水机组空调系统,也可采用风冷冷水机组空调系统;采用水冷冷水机组的空调系统,冬季可利用室外冷却塔作为冷源;采用风冷冷水机组的空调系统,设计时应采用自然冷却技术

(2)《互联网数据中心工程技术规范》(GB51195-2016)

《互联网数据中心工程技术规范》(GB51195-2016)从数据中心的设计、建设施工、验收出发,制定了强制性的规范,并加入了节能设计要求。比如要求采用通透式机架或半封闭式机架、优化气流组织形势、对空调机房温度、湿度等进行控制。

同时,要求在满足设备运行的前提下,宜提高机房的环境温度设定值。根据气候特点,宜采用直接引入式新风系统、隔离式热交换系统或带自然冷却盘管的机房专用空调设备,利用室外低温空气对机房降温。根据气候特点,宜在冬季利用冷却塔向集中式空调系统供冷。直接引入式的新风系统宜采用变风量模式,夏天减少冬天增加风量。在节能管理方面,可采用空调群控技术。同时,对互联网数据中心的PUE提出要求,如新建IDC的PUE年平均值不宜大于1.6,扩建时该值不宜大于1.8。

(3)北京《数据中心节能设计规范》(DB11/T1282-2015)

2015年,北京出台了《数据中心节能设计规范》(DB11/T1282-2015),该标准是国内首次数据中心节能设计规范。对数据中心选址、建筑、给排水、供暖、空调、通风和电气系统等节能设计做出系统性的规定。此外,还包括了数据中心能源利用技术指标和用能监测系统等内容。

表2 北京《数据中心节能设计规范》对空调系统参数的规定

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2.2 数据中心能效评价标准

随着绿色节能观念的逐渐深入,数据中心能效评价和等级认证也层出不穷,在国内比较权威的是国家绿色数据中心评价和认证,在国际上,最有代表性的是LEED认证和Uptime认证。

(1)国际标准和认证

Uptime Institute成立于1993年,20余年来长期致力于数据中心基础设施的探索和研究,是全球公认的数据中心标准组织和第三方认证机构。其主要标准《 Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology) # (Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Operational Sustainability》是数据中心基础设施可用性、可靠性及运维管理服务能力认证的重要标准依据。

该标准由 Uptime长期研究数据中心领域的经验与终端用户的知识积累结合发展而成,在行业中具有深刻的影响力。Uptime Tier等级认证基于以上两个标准,是数据中心业界最知名、权威的认证,在全球范围得到了高度的认可。

Uptime认证将数据中心分为 Tier- Tier IV四个等级, Tier IV最高。 Uptime认证主要包含四部分: Tier Certification of Design Document(设计认证), Tier Certification of Constructed Facility(建造认证), Tier Certification of Operational Sustainability(运营认证),M8&O认证。

(2)国内绿色数据中心评价标准与指标

国内对于数据中心能效评价始于《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)。该标准给出了数据中心的电能等级和影响电能等级的主要因素,规定了数据中心电能能效的测量方法和计算方法。

在电能能效分级方面,该标准根据数据中心的电能利用效率,将数据中心分为5级,一级(节能)能效指标在1-1.6;二级(较节能)能效指标在1.6-1.8;三级(合格)能效指标在1.8-2;四级(较耗能)能效指标在2-2.2,能效指标超过2.2的数据中心属于高能耗。

此外,该标准还界定了制冷系统的适用范围、规定了评价绿色数据中心制冷效率的KPI。规定了数据中心能耗的范围,数据中心所处的气候环境(严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区)、数据中心的制冷形式(风冷式系统、水冷式系统)以及EEUE在不同气候条件下的调整值,对于指导数据中心用能效率评价具有重要价值。

从2015年,国内启动绿色数据中心试点工作以来,相关机构相继出台了《国家绿色数据中心试点评价指标体系(2017)》、《绿色数据中心评估准则》、《绿色数据中心评价标准》等,在上述标准和指标体系中,均将能源资源利用水平作为绿色数据中心评价的重要指标,并给与较高的权重。

其中,《国家绿色数据中心试点评价指标体系(2017)》是指导国家绿色数据中心建设和评价的重要规范,该指标体系主要包括先进适用技术推广使用、运维管理体系建设、能效提升、水资源利用、有害物质控制、废弃电器电子产品处理、可再生能源和清洁能源应用等方面内容。数据中心的电能适用效率低于1.2,将获得50分。应用高比例可再生能源或清洁能源,包括自有设施生产和外购的可再生能源或清洁能源,还将获得额外的加分项。

在《绿色数据中心评价标准》(T/ASC05-2019)中,进一步细化了数据中心IT设备、空调系统、电气系统的能效要求。在空调制冷方面,指标权重高达37分。分为8个小项,如主机房气流组织冷热通道分离,得4分;主机房气流组织采用CFD模拟优化,得5分;供暖热源采用余热回收且达到50%以上,得5分;其他热需求采用数据中心余热回收且达到50%以上,得3分;循环水机组、冷水机组性能提高6%以上,得8分。指标细化为绿色数据中心节能工作提供了可操作的方法和标准。

2021年10月《数据中心能效限定值及能效等级》(GB 40879-2021)正式发布,数据中心至此在能效方面有了规范性指导文件,文件中规定了数据中心的能效等级与技术要求、统计范围、测试与计算方法。为数据中心能效的对标、能效提升工作提供支撑。

2.3 数据中心能源管理标准

在数据中心设计和运行标准中,均有运维管理的内容要求。为了促进数据中心能源管理工作的统一和规范,2019年,国家出台了《数据中心能源管理体系实施指南》(GB/T37779-2019),该标准已经在2020年得到全面实施。

标准旨在指导数据中心规范建立、实施、保持和改进其他能源管理体系,持续提升其能源绩效。同时,根据数据中心设计、建造和运维的特点,对数据中心实施能源管理体系的策划、实施、检查等过程进行了重点阐述。该标准要求数据中心建立,实施、保持和改进能源管理体系,主要措施包括:

1)最高管理者对建立能源管理体系的必要性和紧追性有充分的认识,了解能源管理体系的要求以及相关法律法规、标准;清楚数据中心的自身规模、能力、需求等状况。

2)确定能源管理体系覆盖的边界和范围,并形成文件。应明确数据中心所处的地理位置、气候带、数据中心面积以及功能等,在界定能源管理体系的范围和边界时考虑数据中心的能源系统(如图1所示)。

3)开展能源评审,借助能源统计、能源监测、能源审计和检测等工具,了解数据中心能效水平,策划、实施可行的能源管理方案,以持续改进能源绩效。

4)策划可行的方法,确定适宜的管理方式,以满足能源管理体系的各项要求,持续改进能源绩效和能源管理体系。

该标准的制定和实施对于数据中心综合系统地进行节能管理,落实能源管理职责,持续改进能源利用效率的意义重大。

2.4 数据中心节能相关地方标准

由于数据中心能耗高,对地方节能工作造成了很大的压力。近年来,在数据中心较为集中、能源供需紧张的一线城市和经济发达地区,已经开始了数据中心地方节能标准的研制。如上海制定了数据中心能耗限额标准,北京制定了数据中心节能设计、评价、能耗定额和公共机构绿色数据中心等一系列标准。

1. 上海市——数据中心能耗限额标准

2012年,上海市发布了《数据中心机房单位能源消耗限额》(DB31/651-2012),这是国内首个针对数据中心能耗管理的地方标准。该标准已经在2013年2月1日正式出台实施。2020年得到修订。在2012年的标准中,针对现有数据中心不同投入使用年限的机房,制订了不同标准的单位能耗限定值。在制冷系统的能源消耗测量指标中,规定了制冷系统总电力消耗指标与水消耗指标。

针对互联网数据中心的要求则更为严格。2019年,上海市在《上海市互联网数据中心建设导则》将新建的PUE值严格控制在不超过1.3,对制冷系统的节能提出了严格要求,比如主机房宜采用模块化的部署方式、冷却水储水量宜满足系统12小时用水、空调制冷设备应优先选用配置变频、变容量冷却设备,模块化冷水机组,冷却系统能效比应满足PUE指标控制的要求;应使用各种创新技术提高制冷效率,包括但不限于外供冷、蓄冷技术、冷热通道密封、盲板密封、余热利用、热泵技术等;新风系统宜采用热回收方式或者独立预处理方式;宜充分利用自然冷源,全年自然冷源使用时间不宜低于3000小时。

上海市在国家标准《互联网数据中心工程技术规范》与《数据中心设计规范》的基础上,增设了更为具体明确的指导原则。比如在空调选型、冷却水的应用、制冷设备的模块化、以及自然冷源的使用时长等,均具有明确和具体的要求,对于上海市数据中心节能工作指导性强。

随着数据中心能效的不断升级,为了适应新时期数据中心节能工作要求,2020年8月,上海市《数据中心能源消耗限额》(DB31/652-2020)代替DB31/652-2012,明确新建数据中心CPUE值(综合电能利用效率)不超过1.3,在用数据中心CPUE不超过1.7,改建后的数据中心CPUE值不超过1.4,通过鼓励高端绿色数据中心发展,对小散老旧数据中心逐步关停并转,推动数据中心绿色发展。此外,2020年起,上海市能效中心对IDC的管理实行能耗数据月报统计制度。上海市能效中心通过搭建“上海市数据中心在线能源审计平台”,实现了线上报送管理。

2. 北京市——数据中心节能系列标准

北京市制定的数据中心节能标准较多,在节能设计、评价、管理、能耗限额等方面都有相应的标准出台。除了通用的标准之外,2014年,北京市印发《北京市公共机构绿色数据中心评价标准》,对公共机构绿色数据中心建设和评价提出了要求。

该标准规定了公共机构绿色数据中心所应具备的节能措施,主要包括:

1)基本项:数据中心规划以“重点冷却IT设备”为原则、未出现局部过冷或过热现象、采用自然冷却技术、室内外温差超过10℃时,自然冷却空调机组能效比(EER)应不小于8.0、采用冷光源照明。

2)优选项:制冷设备采用智能控制管理技术,应通过空调机组群控软件,实现对空调系统的节能控制,根据每列机架的实时散热量,动态调节空调的制冷量、采用机柜级冷却设计、采用单机柜电流监测、在国内首次进行某项绿色节能方面的新技术、新工艺或新产品的应用,并在业内分享经验、对自身产生的热量进行再利用。

在制冷环节,《北京市公共机构绿色数据中心评价标准》提及了若干非常详细的创新性评价指标,例如利用冷光源照明、单机柜电流检测等,具有较高的借鉴意义。此外,北京市的评价标准侧重于节能技术的推广与监测,这对于制冷系统节能改造具有较大意义。

除了上述标准外,北京市还出台了数据中心能效测量专项标准——《数据中心能效监测与评价技术导则》(DB11/T1638-2019),该标准规定了数据中心能效监测方法、数据采集要求和能效评价方法,有利于指导数据中心规范能耗监测方法、监测内容和数据记录,推动数据中心进行能耗对标,促进企业节能减排。

2019年12月,北京市发布了《数据中心能源效率限额》(DB11/T 1139-2019)代替DB11/T 1139-2014,明确规定了数据中心能源效率(PUE)限额指标,限定值1.4,准入值1.3。地方标准的出台凸显了北京市对数据中心能源效率的关于与重视,进一步提高的数据准入门槛。


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