如何打造一座 LEED 认证的绿色数据中心

近年来，随着信息处理及通讯技术的飞跃发展及高速普及，IT设备的增长速度也是十分惊人。据统计，目前全球数据中心的电力消耗总量已经占据了全球电力使用量的百分之三，根据IDC的估算，在IT行业中，能源消耗成本已经达到其硬件采购成本的25%，而数据正以52%的复合年均增长率不断攀升。2016年同业审核研究报告中发现，若不显著提高效率，ICT产业将消耗全球总电力的20％，2025年碳排将高达全球碳排放量的5.5％，仅次于美国、中国和印度的碳排。有行业分析师认为，到2025年，全球数据中心使用的电力总量按现在的电力价格来估算的话，将会超过百亿美元。
数据中心耗电量非常巨大，政府已充分意识到降低碳排放量的必要性。在某些发达城市，数据中心很难获得足够的电能。例如，北京市经济和信息化委员会已正式宣布，北京市将禁止新建和扩建数据中心。绿色节能成为数据中心发展优先考虑的重点，如何在确保数据高度安全和高度可靠的前提下，打造一个真正“绿色节能”的数据中心，而关于数据中心绿色节能的认证也层出不穷，最具代表性的就是LEED认证。


绿色建筑评估体系LEED


LEED（Leadership in Energy and Environmental Design, 能源与环境先导设计），是自愿采用的评估体系标准，主要目的是规范一个完整、准确的绿色建筑概念，推动绿色集成技术发展，为建造绿色建筑提供一套可实施的技术路线，是目前在世界各国的各类建筑环保评估、绿色建筑评估以及建筑可持续性评估标准中被认为是最完善、最有影响力的评估标准。
LEED是性能性标准，主要强调在整体、综合性能方面达到“绿化”要求。为建筑物的设计和管理提供环保战略，旨在降低能耗，节省材料，从而减少有害温室气体排放。LEED体现了资源的合理利用，推进建筑一体化的设计实践。
LEED 绿色建筑评估体系主要强调建筑整个生命周期的可持续性，包括了设计、施工、调试、营运、拆除等过程，需要发展商、建筑师、结构工程师、机电工程师、灯光设计师、园林设计师、施工单位、监理单位等的全面参与和配合。


LEED认证评价要素


LEED评估体系及其技术框架由五大方面及若干指标构成，主要从整合过程(Integrative Process) (2分)、选址与交通(Location and Transportation) (18分)、用水效率(Water Efficiency) (12分)、能源与大气(Energy and Atmosphere) (38分)、材料与资源(Materials and Resources) (13分)、室内环境质量(Indoor Environmental Quality) (17分)、创新设计流程(Innovation & Design Process) (6分)、地区优先(Regional Priority) (4分) 进行综合评判其对环境的影响，并根据各方面指标综合打分，按分数高低分为白金(≧80分)、金(≧60分)、银(≧50分)、铜(≧40分)4个认证级别，如图一，以反映其绿色水平。


LEED数据中心的关键因素


如上述所在LEED绿色数据中心的评价中，不单单只是评估PUE，可说是一个全生命周期的综合评量，而在整个LEED的评价体系里，有以下几个关键因素：

1、能源效率优化

通过实现数据中心及其各系统的最低节能等级以减少因过度使用能源而带来的环境和经济危害。可通过能源仿真软件，进行全年的能耗分析与ASHRAE 90.1所定义之基准值进行比较，分析节能措施，预测所有受影响系统的潜在节能机会和成本影响，依据节能成本的百分比进行得分计算。

美国能源部曾经调查指出，数据中心耗能相较于一般办公室高出约100倍，而通过实际用电量的量测除了IT设备的用电量之外，空调与UPS的用电量占非IT设备用电量的97.8%，除了提升IT设备的效率之外，另一重点则是提高空调与UPS的使用效率。

2、 能源管理

测量的计量装置需永久性的安装并自动收集及可让使用者通过Web浏览器进行远程访问，通过能源管理系统进行能耗分类统计及数据分析，让用户了解用能习惯及发现能耗浪费，同时进行能源使用效率监测并提供时、日、月、年管理报表，数据需至少保存18个月以上，为持续改善能源使用效率提供依据。

3、 再生能源

利用再生能源系统来减少项目的能源费用，依据再生能源的用量百分比进行得分计算。

4、 环保制品

采用环保制冷剂、使用具有可持续性报告的产品以及当地材料，减少原材料、制造过程中及运输中产生的碳排及暖化气体的排放，将碳排减至最低。


5、 施工管理

施工过程中需回收和/或再利用无害的营建和拆建材料，尽量减少废弃物的产生，并保持施工环境空气质量、挥发性材料施工方法检讨及材物料存放管理。

6、 性能验证

性能验证是申请绿色数据中心的必要条件，在ASHRAE Guideline中，对性能验证定义为“建筑物系统功能之设计、试车、运转之过程，以使系统能运转于保持其设计原意为目的”。性能验证程序的实施，将使业主、设计单位、施工单位互相整合，在计划阶段、设计时间、工程施工阶段、竣工系统性能测试阶段及营运维护管理，均须依照业主项目需求(Owner’s Project Requirements, OPR)与设计基准(Basic of Design)，执行试运行能使数据中心的能源使用效率提升。


7、 运营管理

人员及设备进驻后，此时应具有一个可视化的机房运维管理系统(DCIM)，协助管理者持续的监测能源使用效率，并比较实际运转后的效能是否有达到原设计的要求，以及提供管理者了解操作习惯并找出减少浪费能源的机会点，持续的调试系统、优化系统。


全球首个LEED V4 认证非单体数据中心


2018年3月，台达吴江数据中心成为全球首个获得LEED v4 ID+C黄金级认证的非单体数据中心。依据国标B+级及LEED绿色数据中心进行规划、设计及建造。其中导入节能的方案外，基于安全的运维考虑放入人脸辩识系统进行人员管制。


1、 绿色机房 能源效率优化是关键

中国工信部提出，2015年新建大型云计算数据中心的能耗效率（PUE）值需达到1.5以下。而台达吴江数据中心2017全年PUE为1.29，相较于工信部所提出的效率更是提升41%。其中的做法为：

1) 冷/热通道隔离

冷/热通道的隔离可说是最简单也是最有效的一个节能方案，如图六所示。将冷与热区隔可大幅减少冷空气跟热空气的混合，能消除机架正面的垂直温度梯度，造成IT设备的入口温度提高，而降低了冷却的效率，进而导致IT设备热宕机。同时，通过实际的测试逐步调升冷通道的温度有助于降低空调用电，但如果温度超过25℃，反而造成IT设备用电上升，也更容易造成热宕机，如此调整冷通道的温度提升至25℃可达到优化空调用电的目的。


2) 列间空调接近热点，有效去除热量

由于模块化数据网络设备基本上是水平方向进出风，应用模块化列间空调，可满足水平方向进出风的气流组织，贴近热源并大幅缩减空气循环的路径，如图七所示，减少风机的静压损失及管道的热损失，可以有效移除热点。选用模块化组合机组。通过主从控制，主机将多台模块所采集的温、湿度参数取其平均值，实现步调一致的效果。


3) 高效变频空调设备

数据中心的IT设备建置往往需要依据实际的营运逐步增加，再加上空调设备皆会设置备援，此时可变转速的空调设备即可灵活弹性的运用。在中低负载时，列间空调多台同时运转下，此时高节能EC风扇降低转速及压缩机亦进行变频的流量控制，依据实际工作负载调整转速，减少电力损耗（如：风量下载10%，用电量可下降27%），可达到低负载高效率的运转。


4) 善用自然资源（新风节能系统）

通过吴江当地气候资料的分析，发现吴江地区每年有约一半的时间可引进新风做自然冷却，如图九所示。善用如此优越的自然环境资源，将可大大降低能源的使用。利用新风风机及排风风机搭配PLC进行新风自然冷却，如图十所示，新风引入的判断依据室外温度、相对湿度及焓值与室内所需条件进行比较，当室外条件皆低于设定值时即全载引进新风，此时可关闭列间空调系统，可达到最低能源使用。


5) 高效率模块化UPS

传统的数据中心的负载大概是UPS的30%~40%，而使用传统的UPS，此时效率大概为87%，相对的采用高效率模块化UPS（台达DPH系列），其运转效率则提升至95%，相较于传统式UPS提升了8%的效率。以一个100kW的负载来说，一年可节省约7万度的用电，而模块化UPS，又可依据IT设备的增减，增减UPS的模块，让UPS处于高效率的状态运转。


6) 持续优化绿色机房 可视化数据中心基础设施管理系统

数据中心基础设施管理系统（DCIM）在可视化部份具有分类、分时、组织及指针管理，能源使用分析报表可使用Trend、Bar、Pie Chart等，协助管理者快速的洞察IT基础设施维运、资产管理、水电空调管理、能源管理、环境控制、安全监控、门禁管制、空间配置等众多关键信息。搭载DCIM的智能化机房，能够自动调适机房的环境，让IT设备正常运作。


2、 绿色电力 太阳能光伏发电

台达吴江研发制造中心在建筑物的屋顶设置了403.2 kWp的太阳能光伏发电，如图十三。每年产生43万度的电力，提供给工厂及数据中心，约占数据中心全年用电的4.05%。


3、 绿色运维 自动故障检测和诊断（AFDD）及移动巡检

数据中心的故障如果是因为出现了断电或人为错误操作等所导致，就比较容易进行检查和恢复。但如果是数据中心的故障是在平常运行过程中而慢慢产生的呢?一个数据中心通常布置相当多的传感器、驱动器及设备，而采集的数据也相当巨量，如一个传感器一秒抓取一次，那一年就有3千万笔，那如果有100个就有31亿笔数据，而这些数据怎么转换成信息，而信息再通过分析而产生管理者需要的报表，那就需要DCIM系统中的自动故障检测和诊断(Automated Fault Detection and Diagnostics简称AFDD)的功能，而诊断数据中心的故障就像是看病一样，根据不同的指标，并通过经验建立分析规则来判断可能的故障位置，并提醒管理者提前进行维护，达到预防保养的目的，也增进了数据中心的可度靠。另一个就是移动巡检的功能，通过系统建立一个检查对象并产生QR code并将贴在检查对象，可使用手机扫描QR code即可将相关的检查记录上传至系统，系统即可对此进行分析，而上层管理者也可对系统进行核对，减少纸本的记录及增加分析的速度。


总结


人们生活水平的逐渐提高，科技发展的日新月异，绿色节能理念深入人心，物联网、AI、AR / VR，云端、行动、和大数据分析等技术的兴起，对于数据中心的绿色节能成为行业发展优先考虑的重点。而数据中心绿色节能需要发挥相当的创意，不应受到传统思维的局限。例如：富士康在贵阳的数据中心即充分的善用大自然的资源。

而对于管理数据中心的管理者而言，一套好的DCIM系统，提供自动化、可视化及故障诊断的预警功能(AFDD)，以综合平台提高管理的便利性。协助管理者方便快速的管理及分析，找出并修正IT低效率的部分，减少碳排放，最终让数据中心的效能和生命周期管理达到优化的目标。