如何評估數據中心的碳足跡第66號白皮書版本0數據中心碳排放越來越受到全球關注。美國環境保護署（EPA）將數據中心作為美國能源消耗的主要源頭之一。EPA為政府數據中心設定的能效目標是：在2011年實現20%的碳足跡縮減。歐盟（EU）成員國也已經同意到2012年將他們的溫室氣體排放量相比1990年降低8%。有關各方也將更加敦促數據中心業主報告他們的碳排放情況。本白皮書將介紹一種用于評估數據中心碳足跡的簡單辦法——即一種基于網絡的免費評估工具。該工具適用于對全球各數據中心進行碳足跡評估。數據中心總體碳排放概況發電對碳排放的影響數據中心能耗與碳排放評估電力碳足跡的工具469GElectric:碳排放和能源問題正越來越頻繁地登上全球媒體的頭版頭條。政府、非盈利機構和公司企業都在定期分析研究他們的碳足跡。他們的目標是衡量自身活動對全球變暖的影響，并制定相應的行動計劃積極減少碳排放。根據美國環境保護署（EPA）的報告，美國數據中心2006年的耗電量達到610億千瓦時，占到同年全美耗電總量的1.5%，成本約合45億美元。數據中心已經被認定為增長最快的耗能源頭之一。EPA已經授權政府部門制定能效戰略計劃，要求政府數據中心到2011年將能效提高20%1，并且可能很快會要求企業數據中心遵守強制性二氧化碳（CO2）排放限制規定。早在2004年之前，歐盟15個成員國已經承諾遵守《京都議定書》的原則。他們同意到2012年將其溫室氣體排放量相比1990年降低8%2。此外，歐洲委員會（EC）也制定了《數據中心能效行為準則》，規定了一系列自主自發的節能增效辦法，為未來更為嚴格的能效政策奠定了最低標準。最終的目標是使數據中心的效率提高30%。圖1全球大氣層CO2濃度的增長狀況390380大氣CO大氣CO2濃度360350340330320310195519601965197019751980198519901995200020052010年份來源：在2007年，西歐國家的數據中心每年的耗電量達到56萬億瓦時（TWh），這個數字非常之驚人。根據歐盟的預測，這一數字很可能到2020年翻倍，達到104萬億瓦時（TWh）3。如果不通過能效管理方面的創新來加以控制，歐盟很有可能不能實現它們的總體碳排放量降低和阻止氣候變化的目標。數據中心的能耗以及如何利用它們估算碳足跡是本白皮書的主要探討內容。圖1所示的是世界各地的大氣層二氧化碳增長狀況。如何讓數據中心變得“綠色環保”呢？為了回答這個問題，數據中心專業人員必須首先確定數據中心的能耗，然后將能耗換算成碳排放量。在判斷數據中心的碳足跡是否正在減少時，第一步是要正確計算出能耗。有三個關鍵變量會對數據中心能耗產生重要影響：數據中心所在的位置、IT負載以及電氣效率。我們可以利用施耐德電氣的一系列TradeOffTools?權衡工具來模擬這些變量發生變化時會產生的影響。關鍵術語的定義在確定一個數據中心的環境影響時，準確理解用來說明測量數據的術語非常重要。以下是一些在談論數據中心環境影響時經常使用的術語：1美國環境保護署《服務器和數據中心能耗國會報告》—公共法109-431，2007年8月2日2歐洲環境署《2008年歐洲溫室氣體排放趨勢和預測》2008年EEA5號報告3歐洲委員會《數據中心能效行為準則》1.0版，2008年10月30日施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本02二氧化碳排放系數（“碳足跡”）這是一個關于溫室氣體排放量的測量數據，包括汽車行駛或為電站供電等日常活動所產生的二氧化碳（CO2）。如果是電站，測量數據包括從發電端到用電端整個過程中的發電、輸電及配電損耗。在本白皮書中，我們將數據中心的碳足跡定義為與一個數據中心總耗電量相等的碳排放。數據中心所處的地理位置在這里也扮演著重要角色。比如，相比位于嚴重依賴煤電、石油發電或天然氣發電地區的數據中心來說，位于主要依靠水力發電、核電或風力發電地區的數據中心的碳足跡較低。峰荷發電廠市電公司為應對發電高峰期的需求會運行一個輔助電廠，叫做“峰荷發電廠”。這些輔助電廠通過燒煤發電，會產生大量二氧化碳。根據各個地區市電電網的具體情況，峰荷發電廠可能每天都會工作數小時或者每年才會工作若干小時。市電公司依靠這些老舊低效的發電廠在供電高峰時期滿足供電需求—比如，炎夏的下午和傍晚，這個時間段公司還沒有下班或者人們已經回到家開始準備晚餐。如果峰荷發電廠對于數據中心所在的地理區域來說是重要的供電來源，那么它還會影響“數據中心碳排放量計算器”工具的“減排”數據輸出（詳情會在后文中介紹）。減排當數據中心的耗電量降低時，對市電的電力需求就會隨之減少，從而降低碳排放和減少碳足跡。如果耗電量降低還減少了市電公司對峰荷發電廠的使用，那么減排量可以進一步加大。“減排”是“數據中心碳排放量計算器”工具可選的計算項之一，詳情我們會在后文中介紹。如果峰荷發電廠對于數據中心所在的地理區域來說是一項重要的供電來源，那么這個數據將是比碳足跡更為精確的減排指標。二氧化碳（CO2或“碳”）二氧化碳是對地球溫室效應影響最大的氣體，占我們大氣層中溫室氣體的76%4。二氧化碳被大量排放到大氣層中，在大氣層中可存在約100年。從數據中心總體生命周期來看，“碳排放”術語也包含數據中心內所有組件（如服務器、UPS、建筑外壁、制冷系統等）在制造過程所排放的二氧化碳。這類碳排放可以用“隱含碳”這一術語加以表達。“碳排放”術語還包括數據中心在運營中（耗電產生的碳排放）、維護時（即，消耗品的更換，比如電池、電容器等）以及數據中心生命周期完結時組件報廢處理所產生的碳排放（請參見圖2）。本白皮書的主要內容以及后面將介紹的工具都將著重探討數據中心運營過程中的能耗所產生的二氧化碳排放。碳排放交通運輸?電力?水?員工交通工具?其它數據中心運營報廢處理4聯合國政府間氣候變化專門委員會IPCC《第四次評估報告》2007年施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本03對1MW數據中心進行量化鉛9,525千克(21,000磅)鋁33,112千克(73,000磅)焊料5,443千克(12,000磅)假設條件：數據中心的生命周期為10年，冗余性高，有兩次IT設備更新，包括電源/制冷/機架/IT，不包括建筑翻新本白皮書主要介紹如何評估數據中心運營過程中的耗能所產生的碳排放量，碳排放量可以利用我們后文介紹的計算器工具進行評估。但完整的碳足跡分析還應當包括（1）圖2所示的數據中心生命周期各階段的“隱含碳”，以及（2）如果是專門的數據中心樓宇，那么還應包括大樓本身的碳排放。這些碳排放的評估不在本文的探討范圍內，但是我們可以從下面的表格中進行大致的對1MW數據中心進行量化磚石磚，石，水泥漿鋼梁，鉛管，銅線，鋁板，樓梯，欄桿，樓面板，格柵，釘子，螺絲，螺栓，鋁制防水板，金屬片材，鋁制通風裝置，百葉房間框條，電纜包覆層，門，窗隔熱/防潮保護層保溫層，防潮層水清潔用水，制冷用水，消防用水化工材料膠劑，乙二醇，清潔劑，防水密封劑，滅火劑柏油屋頂，路面，人行道，停車場在建筑施工時，如何根據碳排放量列出各項材料的明細呢？表15所示即為建筑“外殼”施工中基本材料的相關明細表。5愛丁堡碳管理中心，蘇格蘭林業委員會溫室氣體排放對比分析—建筑木材的碳效益，2006年8月施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本04表1*表內的負數實際上代表對二氧化碳排放有正面作用（即，超出了二氧化碳排放的中和值），因為使用的是回收材料。商務辦公樓和數據中心的耗能方式不同。數據中心耗能屬于能源密集型；相比辦公樓，它的耗電量和制冷量需求更多。也就是說普通辦公樓的建造材料碳排放在其總體碳排放中相對占有更大的比例，因為辦公樓的能源強度相對較低。事實上，數據中心的能源強度可能是辦公樓的40倍。因此，數據中心更像是工業設施而不是辦公樓。數據中心設計針對的對象是計算機，而非人；因此大多數數據中心沒有窗戶，也不具備基本的通風。此外，辦公樓的工作時間線和數據中心也有很大不同，辦公樓的使用壽命是50年，而數據中心的使用壽命只有10年。圖367所示為辦公樓和數據中心的能耗比較。請注意表1顯示的二氧化碳排放數據，包括所有材料和設備的生產、運輸和報廢過程—這部分碳排放稱之為“隱含碳”。假設，數據中心內有一臺新服務器，它在制造和運輸過程中產生的“隱含碳”應當加到該服務器所在數據中心的總體碳足跡中（包括（制冷）耗水）、耗電、（原材料供應商的）排煙以及員工交通工具（駕車或商務飛行出差）。單就員工交通工具來說，其所產生的碳排放也是非常可觀。如果一家大型公司擁有100,000名員工，其中50%每年平均乘坐飛機出差兩次。假設每次出差材料材料–建筑外壁5,700ft2（530m2）辦公設施面積地基（混凝土）4%地面（混凝土板，保溫層）39.9天花板（灰泥板）結構（鋼梁）外墻（磚，保溫層）內墻（木框架和灰泥板）樓梯（混凝土）窗（玻璃和窗框）0.59室內門（刨花板）*-0.4-0.3%室外門（塑料）0.6屋頂（木材，混凝土，保溫層）23.4總計6勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）53483《高性能數據中心》，WilliamTschudi、TengFungXu、DaleSartor、JayStein，2004年3月30日7/RDEE/documents/sector-meeting/4bi-officebuilding.pdf（改編自ESource2006）施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本05的往返飛行（比如飛到紐約出差再飛回來）8將產生0.33噸碳足跡。那么這家公司員工交通每年產生的碳排放將達到33,000噸（100,000次出差飛行x0.33噸/次）。此外，所有服務器和數據中心相關設備在運營期間也會產生二氧化碳。關注全球變暖問題的公司和政府正積極倡議為所有公司分配碳排放指標。根據這項配置計劃，超出碳排放指標的公司將被處以罰金和其它懲罰。這種規定碳排放額度以及允許碳排放額度進行交換的理念也正在全球許多地區推廣（如，在數據中心或周圍地區植樹可以減少碳足跡）。全球碳足跡測量值包括公司內的所有生產流程和采購行為。圖3所示為辦公樓和數據中心的能耗比較。9能耗比較冷卻塔4%/UPS/PU廚房1%冰箱1%數據中心要了解數據中心耗電對碳足跡的影響，應當首先了解供電設施。與能源相關的二氧化碳排放占到全球二氧化碳排放的60%（在大多數發達國家這一比例更高達80%）。由于市電公司需要將許多不同類型的原生能量轉換成電能，因此其規模會異常龐大。市電公司采用許多不同的原材料進行發電，如煤、天然氣、石油、核反應堆、水力、潮汐和風力。市電公司用來發電的“混合”能源或者能源的“屬性”對數據中心的碳足跡有重要影響。礦物燃料，是二氧化碳排放的最大源頭（請參見表2）10，而其目前仍然在全球能源供應中占據主要地位（2007年約82%）。市電公司具體使用哪種礦物燃料作為發電原料也具有有重要影響。盡管在2007年煤只占一次能源總體供應量的26%，但是它卻在全球CO2排放量中占到了42%（請參見表2）。煤每釋放一個單位的能量都會產生嚴重的碳排放。與天然氣相比，煤的能源強度接而且，當數據中心從市電公司購電時，在將燃料轉換成電力并將其輸送到用電端的過程中將產生三倍的碳排放。8愛丁堡碳管理中心《選定項目和活動的碳排放評估》，ECCM4號技術文件，2000年10月9圖3所示的制冷系統是一個帶有冷卻塔采用DX系統的CRAC。冷凍水系統和干式冷卻器系統的總體制冷負載相當，但是構成的CRAC、冷水機和冷卻塔數量不同。10國際能源署《燃料燃燒產生的CO2排放》2009版施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本06表2排放燃料類型在全球一次能源供應量中所占%在全球CO2排放占比石油煤天然氣其它**包括核能、水力、地熱、太陽能、潮汐、風力、易燃可再生能源和廢料發電是溫室氣體排放的三大源頭之一（另外兩個分別是汽車/交通工具和森林砍伐/農業）。在減少數據中心耗電（溫室氣體排放）時面臨的最大的挑戰之一是將數據中心活動與耗電聯系起來。當IT和物理基礎設施負載通電后處理信息或當制冷系統將數據中心產生的熱量排放到室外以保持數據中心內溫度穩定時，數據中心就會耗電。用以發電的燃料或能源是影響CO2排放年度同比變化的重要因素。因為在條件允許的情況下，水力和核能發電可以代替礦物能源發電。如果不能使用水力或核能發電而使用礦物燃料發電作為代替，CO2排放量就會增加。相反，大量使用核能、水力和可再生能源發電則可以大幅降低CO2排影響數據中心碳足跡的主要因素有三個：第一個關鍵因素：數據中心位置氣候變量，比如室外溫度和濕度都是能耗的影響因素。處于極端溫度和濕度條件的地理區域會消耗更多的能源，因為數據中心的物理基礎設施需要工作更長時間來保持穩定且適當的溫度和濕度。數據中心所在地區的本地發電站也會對數據中心的碳足跡產生很大影響（請參見圖4）12。比如，在法國，大多數市電公司利用核能發電。從日常運營的角度來看，位于法國的數據中心相比位于美國中西部的數據中心來說所產生的碳足跡相對要低。美國數據中心的發電原料一般采用混合能源，其中包括60%煤、20%石油、10%天然氣、5%水力和5%風力。而位于法國中部的數據中心，其95%的電能都由核電站供應。核反應堆不會釋放二氧化碳。而煤電站則會釋放二氧化碳。11美國能源部/環境保護署《美國發電產生的二氧化碳排放》2000年7月12/fuel/mix.htm-2010年2月8日http://ec.europa.eu/energy/energy_policy/doc/factsheets/mix/mixfren.pdf-2010年2月15日施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本07圖4石油，煤，天然氣，核電核電78%可再生能源9%可再生能源9%核電核電78%71%數據中心所處地理位置的獨特性也會影響“減排”的頻率。減排反映的是本地市電電網中峰荷發電廠的平均使用率。當能耗需求降低時，峰荷發電廠就會減少使用（或者關閉使用）。這里的“減排”只針對礦物燃料發電機。過去，峰荷發電廠通常是陳舊低效的設備。而現在大多數峰荷發電廠已經被更換為更加潔凈、更加高效的設備，但仍然只在電能需求高峰期使用。通常用電高峰期出現在工作日的早晨和下午臨近傍晚前后。在這些時間段中，許多工作場所還沒下班或者人們已經下班回家開始準備晚餐并且打開空調或采暖（視數據中心所處具體地理位置和季節而定）。而這些時間段正是峰荷發電廠可能投入工作的時間段，從而導致本地數據中心碳足跡升高（請參見圖5）。IT負載反映出數據中心內IT設備的能耗需求。IT負載包含組成IT業務架構的所有IT硬件：如服務器、路由器、計算機、存儲設備、通信設備以及用以保護他們的安保系統、消防系統和監控系統。負載可能增加（受業務處理需求增加的影響），也可能減少（受虛擬化或整合的影響）。負載越高，就需要越多的電能來保證數據中心正常工作，相應地碳足跡也越高。第三個關鍵因素：電氣效率不幸的是，對數據中心物理基礎設施過大選型的傳統做法對數據中心總體效率有著負面影響，因此也會影響到碳足跡。數據中心過大選型是為了規避在低估數據中心容量時可能產生的失誤。過大選型導致設備得不到充分利用（比如服務器一天24小時都會插電，但是實際很少被用到）。幸運的是，“邊成長邊投資”的擴展原則可以幫助優化設備使用率。此外，經過改進的容量計劃軟件現在已經可以幫助我們更精確地估算數據中心的容量以及耗電量。數據中心內的許多因素都會對效率產生影響。從數據中心總體設計（服務器行的方向、電源架構、制冷架構、服務器設計、冗余水平、IT負載等）到具體的技術設備部署（UPS、冷水機、節能模式）都會影響到效率。關于如何管理影響數據中心效率的因素，請參見本文最后列出的相關白皮施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本08常規負荷發電廠峰荷電廠峰荷電廠峰荷電廠的比率峰荷電廠數據中心數據中心點擊圖標鏈接至最新在線工具為IT用戶配置數據中心能源成本和碳排放自動評估工具，如施耐德電氣的TradeOffTools?權衡工具中的“數據中心碳排放量計算器”、“數據中心效率計算器”、“IT碳排放與能源分配計算器”以及“數據中心功率計算器”，都可以幫助數據中心專業人員了解如何用電以及效率變化會對碳足跡有什么影響。這些工具未計入評估隱含碳，即數據中心用材和設備在制造、運輸和報廢過程中產生的碳排放以及建筑施工過程中產生的碳排放。利用這些在線網頁工具，您可以快速估算您數據中心的碳足跡。上面這四個工具采用相同的標準格式設計，條件輸入在左，計算結果在右。數據中心功率計算器“數據中心功率計算器”可用以定義IT負載的基本特性，計算支持該負載所需的電力。互動式計算工具，允許用戶通過更改服務器、大型主機和儲存器的負載特性來體驗“如果...會怎樣”的模擬情景，然后計算總負載并得出相應的市電供電需求。數據中心效率計算器“數據中心效率計算器”可用以定義數據中心的基本配置，基于數據中心的重要特性計算其效率和電力成本。互動式計算工具，允許用戶輸入供電和制冷基礎設施的詳細信息，而所得出的結果則是基于效率模型對所輸入基本信息進行驗證。IT碳排放與能源分配計算器這一計算器可用于為數據中心用戶分配碳排放和能源成本。其目標是讓用戶了解他們的能源成本問題，并鼓勵他們采取節能措施，比如虛擬化和舊服務器報廢。關于數據中心用戶節能方法的更多詳情，請參見第161號白皮書《為IT用戶配置數據中心能源成本和碳排放》。施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本09數據中心碳排放量計算器數據中心碳排放計算器可通過將能源使用率轉換成碳排放量的方式計算數據中心的“綠色環保”特性。這一工具將根據數據中心所在位置、效率和IT負載的變化顯示它們對二氧化碳排放和耗電碳排放量計算器內輸入的數據簡明直觀：?原先和后來兩種情景的物理基礎設施詳情?原先和后來的IT負載?數據中心的地理位置根據DCiE/PUE和IT負載計算出的總耗電量（單位為千瓦時），乘以數據中心所在地理位置的電能碳排放率，然后轉換成等量的汽車排放量。除了用以測量和計算DCiE/PUE的數據之外，不需要到現場收集任何特定數據。在計算碳排放量時，不同國家和州省的數據摘自EIA報告（美國能源信息署）13。關于等量的汽車排放量，根據EPA公布的數據，假設其二氧化碳排放為4.5噸/年。這四個計算器工具可以相互協作—即一個工具的輸出結果可以作為另一個工具的輸入數據。雖然這四個工具可以相互結合使用，但是根據您所掌握數據的多少，您可能只需要用到其中的部分計算器工具。比如，如果您已經知道IT負載，那就不需要用到功率計算器。如果您已經知道PUE值，那就不需要用到效率計算器（除非需要對原始PUE值進行驗證）。比如：您想估算數據中心一年能耗所產生的碳足跡并為特定用戶組計算出預計成本。您可以借助施耐德電氣的TradeOffTools?權衡工具，按照圖6的步驟完成估算。13碳排放計算器里的碳排放數據來自美國能源部的文件《溫室氣體自愿報告》（附錄F：電氣碳排放因素，2007年）。http:///oiaf/1605/pdf/Appendix%20F_r071023.pdf2009年12月施耐德電氣—數據中心科研中心第66號白皮書版本010點擊圖標鏈接至最新在線工具步驟示例用戶對工具輸入其它工具的輸入本案例中用戶用戶對工具輸入其它工具的輸入本案例中用戶所需的“答案”功率選型工具工具輸出工具輸出效率計算工具用戶輸入效率計算工具用戶輸入碳排放量計算工具用戶輸入能源分配工具工具輸出?年度能源成本(每機柜)工具輸出工具輸出?數據中心碳足跡施耐德電氣—數據中心科研中心