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    如何打造一個LEED認證的綠色數據中心

    近年來,隨著資訊處理及通訊技術的飛躍發展及高速普及,IT設備的增長速度也是十分驚人。據統計,目前全球數據中心的電力消耗總量已經佔據了全球電力使用量的百分之三,根據IDC的估算,在IT行業中,能源消耗成本已經達到其硬體採購成本的25%。而資料卻正以52%的複合年均增長率不斷攀升。2016年同儕審核研究報告中發現,若不顯著提高效率,ICT產業將消耗全球總電力的20%,2025年碳排將高達全球碳排放量的5.5%,僅次於美國、中國和印度的碳排。有行業分析師認為,到2025年,全球數據中心使用的電力總量按現在的電力價格來估算的話,將會超過百億美元。資料中心耗電量非常巨大,政府已充分意識到降低碳排放量的必要性。在某些發達城市,資料中心很難獲得足夠的電能。例如,北京經信委已正式宣佈,北京市將禁止新建和擴建資料中心。綠色節能成為數據中心發展優先考慮的重點,如何在確保資料高度安全和高度可靠的前提下,打造一個真正“綠色節能”的數據中心,而關於數據中心綠色節能的認證也層出不窮,最具代表性的就是LEED認證。

     

    綠色建築評估體系LEED

    LEED(Leadership in Energy and Environmental Design, 能源與環境先導設計),是自願採用的評估體系標準,主要目的是規範一個完整、準確的綠色建築概念,推動綠色集成技術發展,為建造綠色建築提供一套可實施的技術路線。是目前在世界各國的各類建築環保評估、綠色建築評估以及建築可持續性評估標準中被認為是最完善、最有影響力的評估標準。

    LEED?是性能性標準,主要強調在整體、綜合性能方面達到“綠化”要求。為建築物的設計和管理提供環保戰略,旨在降低能耗,節省材料,從而減少有害溫室氣體排放。LEED體現了資源的合理利用,推進建築一體化的設計實踐。

    LEED?綠色建築評估體系主要強調建築整個生命週期的可持續性,包括了設計、施工、調試、營運、拆除等過程,需要發展商、建築師、結構工程師、機電工程師、燈光設計師、園林設計師、施工單位、監理單位等的全面參與和配合。

     

    LEED認證評價要素

    LEED評估體系及其技術框架由五大方面及若干指標構成,主要從整合過程(Integrative Process) (2分)、選址與交通(Location and Transportation) (18分)、用水效率(Water Efficiency) (12分)、能源與大氣(Energy and Atmosphere) (38分)、材料與資源(Materials and Resources) (13分)、室內環境質量(Indoor Environmental Quality) (17分)、創新設計流程(Innovation & Design Process) (6分)、地區優先(Regional Priority) (4分) 進行綜合評判其對環境的影響,並根據各方面指標綜合打分,按分數高低分為白金(≧80分)、金(≧60分)、銀(≧50分)、銅(≧40分)4個認證級別,如圖一,以反映其綠色水準。

    Levels of LEED Certification

    ▲ LEED 認證級別

     

    LEED數據中心的關鍵因素

    如上述所在LEED綠色數據中心的評價中,不單單只是評估PUE,可說是一個全生命週期的綜合評量,而在整個LEED的評價體系裡,有以下幾個關鍵因素:

    • 能源效率優化
      通過實現數據中心及其各系統的最低節能等級以減少因過度使用能源而帶來的環境和經濟危害。可透過能源模擬軟體,進行全年的能耗分析與ASHRAE 90.1所定義之基準值進行比較,分析節能措施,預測所有受影響系統的潛在節能機會和成本影響,依據節能成本的百分比進行得分計算。美國能源部曾經調查指出,資料中心耗能相較於一般辦公室高出約100倍,而透過實際用電量的量測除了IT設備的用電量之外,空調與UPS的用電量佔非IT設備用電量的97.8%,除了提昇IT設備的效率之外,另一重點則是提高空調與UPS的使用效率。

    • 能源管理
      量測的計量裝置需永久性的安裝並自動化的收集及可讓使用者透過Web流覽器進行遠端存取,透過能源管理系統進行能耗分類統計及資料分析,讓使用者瞭解用能習慣及發現能耗浪費,同時進行能源使用效率監測並提供時、日、月、年管理報表,數據需至少保存18個月以上,以為持續改善能源使用效率提供依據。

    • 再生能源
      利用再生能源系統來減少專案的能源費用,依據再生能源的用量百分比進行得分計算。

    • 環保製品
      採用環保製冷劑、使用具有可持續性報告的產品以及當地材料,減少原材料、製造過程中及運輸中產生的碳排及暖化氣體的排放,造成對環境的破壞,也就是說需將碳排減至最低。
      Environmentally-friendly refrigerant
      ▲ 環保製冷劑

    • 施工管理
      施工過程中需回收和/或再利用無害的營建和拆建材料儘量減少廢棄物的產生,並保持施工環境空氣品質、揮發性材料施工工法檢討及材物料存放管理。

    • 性能驗證
      性能驗證是申請綠色數據中心的必要條件,在ASHRAE Guideline中,對性能驗證定義為「建築物系統功能之設計、試車、運轉之過程,以使系統能運轉於保持其設計原意為目的」。性能驗證程式之實施,將使業主、設計單位、施工單位互相整合,在計劃階段、設計階段、工程施工階段、竣工系統性能測試階段及營運維護管理,均須業主專案需求(Owner’s Project Requirements, OPR)與設計基準(Basic of Design),執行Commissioning能使數據中心的能源使用效率提升。
      LEED施工階段Commissioning步驟

    • 運營管理
      人員及設備進駐後,此時應具有一個可視化的機房維運管理系統(DCIM),協助管理者持續的監測能源使用效率並比較實際運轉後的效能是否有達到原設計的要求及提供管理者瞭解操作習慣並找出減少浪費能源的機會點,持續的調適系統優化系統。
      Illustration of the DCIM system with visualization support
      ▲ 可視化的機房維運管理系統示意

     

    全球首個LEED V4 認證非單體數據中心

    2018年3月,台達吳江資料中心成為全球首個獲得LEED v4 ID+C黃金級認證的非單體資料中心。依據國標B+級及LEED綠色數據中心進行規劃、設計及建造。其中導入節能的方案外,基於安全的維運考量放入人臉辯識系統進行人員管制。

    台達吳江數據中心

    ▲ 台達吳江數據中心

    • 綠色機房 能源效率優化是關鍵
      中國工信部還提出,2015年新建大型雲計算資料中心的能耗效率(PUE)值需達到1.5以下。而台達吳江資料中心全年2017年PUE為1.29,相較於工信部所提出的效率更是提升41%。其中的做法為:

      • 冷/熱通道隔離
        冷熱通道的隔離可說是最簡單也是最有效的一個節能方案,如圖六所示。將冷跟熱區隔可大幅減少冷空氣跟熱空氣的混合,能消除機架正面的垂直溫度梯度,造成IT設備的入口溫度提高,而降低了冷卻的效率,進而導致IT設備熱當機。同時,透過實際的測試逐步調昇冷通道的溫度有助於降低空調用電,但如果溫度超過25℃,反而造成IT設備用電上昇,也更容易造成熱當機,如此調整冷通道的溫度提昇至25℃可達到優化空調用電的目的。

        Separation of cold and hot aisles
        ▲ 冷熱通道隔離

      • 列間空調接近熱點,有效去除熱量
        由於模組化資料網路設備基本上是水準方向進出風,應用模組化列間空調,可滿足水準方向進出風的氣流組織,貼近熱源並大幅縮減空氣循環的路徑,如圖七所示,減少風機的靜壓損失及管道的熱損失,可以有效移除熱點。選用模組化組合機組。通過主從控制,主機將多台模組所採集的溫、濕度參數取其平均值,實現步調一致的效果。

        Air flow of in-row air-conditioning illustrated

        ▲ 列間空調氣流示意

      • 高效變頻空調設備
        數據中心的IT設備建置往往需要依據實際的營運逐步增加再加上空調設備皆會設置備援,此時可變轉速的空調設備即可靈活彈性的運用,在中低負載時,列間空調多台同時運轉下,此時高節能EC風扇降低轉速及壓縮機亦進行變頻的流量控制,依據實際工作負載調整轉速,減少電力損耗(如:風量下載10%,用電量可下降27%),可達到低負載高效率的運轉。

        高效變頻空調設備示意

        ▲ 高效變頻空調設備示意

      • 善用自然資源 (新風節能系統)
        透過吳江當地氣候資料的分析,發現吳江地區每年有約一半的時間可引進新風做自然冷卻,如圖九所示。善用如此優越的自然環境資源,將可大大降低能源的使用。利用新風風機及排風風機搭配PLC進行新風自然冷卻,如圖十所示,新風引入之判斷依據室外溫度、相對濕度及焓值與室內所需條件進行比較,當室外條件皆低於設定值時即全載引進新風,此時可關閉列間空調系統,可達到最低能源使用。

        Temperature distribution in China throughout the year

        ▲ 中國地區全年溫度分佈圖

        Illustration of energy-saving new wind system
        ▲ 新風節能系統示意

      • 高效模組式UPS
        傳統的數據中心的負載大概是UPS的30%~40%,而使用傳統的UPS,此時效率大概為87%,相對的採用高效模組式UPS (DPH),其運轉效率則提昇至95%,相較於傳統式的提昇了8%的效率,以一個100kW的負載來說,一年可節省約7萬度的用電,而模組式的UPS,又可依據IT設備的增減,增減UPS的模組,讓UPS處於高效率的狀態運轉。

        Comparison of high-performance modular UPS (DPH) and conventional UPS efficiency
        ▲ 高效模組式UPS(DPH)與傳統UPS效率比較

     

    • 持續優化綠色機房 可視化機房維運管理系統
      可視化的機房維運管理系統(DCIM)在可視化部份具有分類、分時、組織及指標管理,能源使用分析報表可使用Trend、Bar、Pie Chart等,協助管理者快速的洞察IT基礎設施維運、資產管理、水電空調管理、能源管理、環境控制、安全監控、門禁管制、空間配置等眾多關鍵資訊。搭載DCIM的智能化機房,能夠自動調適機房的環境,讓IT設備正常運作。

      DCIM system with visualization support

      ▲可視化的機房維運管理系統(DCIM)

    • 綠色電力 太陽能光伏發電
      本案在建築物的屋頂設置了403.2 kWp的太陽能光伏發電,如圖十三。每年產生43萬度的電力,提供給工廠及數據中心,約佔數據中心全年用電的4.05%。在台達美洲區總部的數據中心更是全部採用再生能源。

      Solar power

      ▲ 太陽能光伏發電

    • 綠色維運 自動故障檢測和診斷(AFDD)及移動巡檢
      數據中心的故障如果是因為出現了斷電或人為錯誤操作等所導致,就比較容易的進行檢查和恢復。但如果是數據中心的故障是在平常運行過程中而慢慢產生的呢?一個數據中心通常佈置相當多的感測器、驅動器及設備,而採集的數據也相當巨量,如一個感測器一秒抓取一次,那一年就有3千萬筆,那如果有100個就有31億筆資料,而這些資料怎麼轉換成資訊,而資訊再透過分析而產生管理者需要的報表,那就需要機房維運管理系統(DCIM)中的自動故障檢測和診斷(Automated Fault Detection and Diagnostics簡稱AFDD)的功能,而诊断数据中心的故障就像是看病一样,根據不同的指標並透過經驗建立分析規則來判断可能的故障位置,並提醒管理者提前進行維護,達到預防保養的目的,也增進了數據中心的可度靠。另一個就是移動巡檢的功能,透過系統建立一個檢查對象並產生QR code並將貼在檢查對象,可透過手機掃描QR code即可將相關的檢查記錄上傳至系統,系統即可對此進行分析,而上層管理者也可透過系統進行核對,減少紙本的記錄及增加分析的速度。

      Automatic Fault Detection and Diagnosis example

      ▲ 故障檢測和診斷(AFDD)示意

      移動巡檢
      ▲ 移動巡檢

     

    總結

    人們生活水準的逐漸提高,科技發展的日新月異,綠色節能理念深入人心,物聯網、AI、AR / VR,雲端、行動、和大數據分析等技術的興起,對於資料中心的綠色節能成為行業發展優先考慮的重點。而資料中心綠色節能需要發揮相當的創意,不應受到傳統思維的局限。例如:富士康在貴陽的數據中心即充分的善用大自然的資源。

    而對於管理數據中心的管理者而言,一套好的機房維運管理系統(DCIM),提供自動化、可視化及故障診斷的預警功能(AFDD),以綜合平臺提高管理的便利性。協助管理者方便快速的管理及分析,找出並修正IT低效率的部分,減少碳排放,最終讓數據中心的效能和生命週期管理達到最佳化的目標。

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