如何评估数据中心的碳足迹 第 66 号白皮书 版本 0 作者 Dennis Bouley > 摘要 数据中心碳排放越来越受到全球关注。美国环境保护 署（EPA）将数据中心作为美国能源消耗的主要源头 之一。EPA 为政府数据中心设定的能效目标是：在 2011 年实现 20%的碳足迹缩减。欧盟（EU）成员国也 已经同意到 2012 年将他们的温室气体排放量相比 1990 年降低 8%。有关各方也将更加敦促数据中心业 主报告他们的碳排放情况。本白皮书将介绍一种用于 评估数据中心碳足迹的简单办法——即一种基于网络 的免费评估工具。该工具适用于对全球各数据中心进 行碳足迹评估。 白皮书现收录于施耐德电气白皮书资料库 由施耐德电气数据中心科研中心发表， DCSC@Schneider-Electric.com 目录 点击内容即可跳转至具体章节 简介 2 数据中心总体碳排放概况 4 发电对碳排放的影响 6 数据中心能耗与碳排放 的相关性 7 评估电力碳足迹的工具 9 结论 13 资源 14 如何评估数据中心的碳足迹 简介 碳排放和能源问题正越来越频繁地登上全球媒体的头版头条。政府、非盈利机构和公司企业都在 定期分析研究他们的碳足迹。他们的目标是衡量自身活动对全球变暖的影响，并制定相应的行动 计划积极减少碳排放。 根据美国环境保护署（EPA）的报告，美国数据中心 2006 年的耗电量达到 610 亿千瓦时，占到 同年全美耗电总量的 1.5%，成本约合 45 亿美元。数据中心已经被认定为增长最快的耗能源头之 一。EPA已经授权政府部门制定能效战略计划，要求政府数据中心到 2011 年将能效提高 20% 1 ， 并且可能很快会要求企业数据中心遵守强制性二氧化碳（CO2）排放限制规定。 早在 2004 年之前，欧盟 15 个成员国已经承诺遵守《京都议定书》的原则。他们同意到 2012 年 将其温室气体排放量相比 1990 年降低 8% 2 。此外，欧洲委员会（EC）也制定了《数据中心能 效行为准则》，规定了一系列自主自发的节能增效办法，为未来更为严格的能效政策奠定了最低 标准。最终的目标是使数据中心的效率提高 30%。 390 大气CO2浓度 380 图1 全球大气层 CO2 浓度的增 长状况 370 360 350 340 330 320 310 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 年份 1995 2000 2005 2010 来源：http://co2now.org 在 2007 年，西欧国家的数据中心每年的耗电量达到 56 万亿瓦时（TWh），这个数字非常之惊 人。根据欧盟的预测，这一数字很可能到 2020 年翻倍，达到 104 万亿瓦时（TWh） 3 。如果不 通过能效管理方面的创新来加以控制，欧盟很有可能不能实现它们的总体碳排放量降低和阻止气 候变化的目标。数据中心的能耗以及如何利用它们估算碳足迹是本白皮书的主要探讨内容。图 1 所示的是世界各地的大气层二氧化碳增长状况。 如何让数据中心变得“绿色环保”呢？为了回答这个问题，数据中心专业人员必须首先确定数据 中心的能耗，然后将能耗换算成碳排放量。在判断数据中心的碳足迹是否正在减少时，第一步是 要正确计算出能耗。有三个关键变量会对数据中心能耗产生重要影响：数据中心所在的位置、IT 负载以及电气效率。我们可以利用施耐德电气的一系列TradeOff Tools™权衡工具来模拟这些变 量发生变化时会产生的影响。 关键术语的定义 在确定一个数据中心的环境影响时，准确理解用来说明测量数据的术语非常重要。以下是一些在 谈论数据中心环境影响时经常使用的术语： 1 美国环境保护署《服务器和数据中心能耗国会报告》 — 公共法 109-431，2007 年 8 月 2 日 2 欧洲环境署《2008 年欧洲温室气体排放趋势和预测》2008 年 EEA 5 号报告 3 欧洲委员会《数据中心能效行为准则》1.0 版，2008 年 10 月 30 日 施耐德电气 — 数据中心科研中心 第 66 号白皮书 版本 0 2 如何评估数据中心的碳足迹 二氧化碳排放系数（“碳足迹”） 这是一个关于温室气体排放量的测量数据，包括 汽车行驶或为电站供电等日常活动所产生的二氧化碳（CO2）。如果是电站，测量数据包括从发 电端到用电端整个过程中的发电、输电及配电损耗。在本白皮书中，我们将数据中心的碳足迹定 义为与一个数据中心总耗电量相等的碳排放。 数据中心所处的地理位置在这里也扮演着重要角色。比如，相比位于严重依赖煤电、石油发电或 天然气发电地区的数据中心来说，位于主要依靠水力发电、核电或风力发电地区的数据中心的碳 足迹较低。 峰荷发电厂 市电公司为应对发电高峰期的需求会运行一个辅助电厂，叫做“峰荷发电厂”。 这些辅助电厂通过烧煤发电，会产生大量二氧化碳。根据各个地区市电电网的具体情况，峰荷发 电厂可能每天都会工作数小时或者每年才会工作若干小时。市电公司依靠这些老旧低效的发电厂 在供电高峰时期满足供电需求 — 比如，炎夏的下午和傍晚，这个时间段公司还没有下班或者人 们已经回到家开始准备晚餐。如果峰荷发电厂对于数据中心所在的地理区域来说是重要的供电来 源，那么它还会影响“数据中心碳排放量计算器”工具的“减排”数据输出（详情会在后文中介 绍）。 减排 当数据中心的耗电量降低时，对市电的电力需求就会随之减少，从而降低碳排放和减少 碳足迹。如果耗电量降低还减少了市电公司对峰荷发电厂的使用，那么减排量可以进一步加大。 “减排”是“数据中心碳排放量计算器”工具可选的计算项之一，详情我们会在后文中介绍。如 果峰荷发电厂对于数据中心所在的地理区域来说是一项重要的供电来源，那么这个数据将是比碳 足迹更为精确的减排指标。 二氧化碳（CO2 或“碳”） 二氧化碳是对地球温室效应影响最大的气体，占我们大气 4 层中温室气体的 76% 。二氧化碳被大量排放到大气层中，在大气层中可存在约 100 年。从数据 中心总体生命周期来看，“碳排放”术语也包含数据中心内所有组件（如服务器、UPS、建筑外 壁、制冷系统等）在制造过程所排放的二氧化碳。这类碳排放可以用“隐含碳”这一术语加以表 达。“碳排放”术语还包括数据中心在运营中（耗电产生的碳排放）、维护时（即，消耗品的更 换，比如电池、电容器等）以及数据中心生命周期完结时组件报废处理所产生的碳排放（请参见 图 2）。本白皮书的主要内容以及后面将介绍的工具都将着重探讨数据中心运营过程中的能耗所 产生的二氧化碳排放。 生产制造 图2 包装 数据中心产品生命周期里 的各个碳排放阶段 交通运输 本白皮书主要探讨数据中心 运营过程中的能耗所产生的 碳排放 储存 • 电力 •水 • 员工交通工具 • 其它 数据中心运营 报废处理 4 联合国政府间气候变化专门委员会 IPCC《第四次评估报告》2007 年 施耐德电气 — 数据中心科研中心 第 66 号白皮书 版本 0 3 如何评估数据中心的碳足迹 数据中心总体 碳排放概况 本白皮书主要介绍如何评估数据中心运营过程中的耗能所产生的碳排放量，碳排放量可以利用我 们后文介绍的计算器工具进行评估 。但完整的碳足迹分析还应当包括（1）图 2 所示的数据中心 生命周期各阶段的“隐含碳”，以及（2）如果是专门的数据中心楼宇，那么还应包括大楼本身 的碳排放。这些碳排放的评估不在本文的探讨范围内，但是我们可以从下面的表格中进行大致的 了解： > 楼体设施 > 数据中心 对 1MW 数据中心进行量化 对 1MW 数据中心进行量化 电能 177,000,000 千瓦时 水 227,000,000 升(60,000,000 加仑) 铜 混凝土 砖石 金属 65,771 千克 (145,000 磅) 铅 9,525 千克 (21,000 磅) 塑料 14,968 千克 (33,000 磅) 铝 33,112 千克 (73,000 磅) 焊料 5,443 千克 (12,000 磅) 铁 171,004 千克（377,000 磅) 假设条件：数据中心的生命周期为 10 年，冗余 性高，有两次 IT 设备更新，包括电源/制冷/机 架/IT，不包括建筑翻新 砖，石，水泥浆 钢梁，铅管，铜线，铝板，楼梯，栏杆， 楼面板，格栅，钉子，螺丝，螺栓，铝制防水板， 金属片材，铝制通风装置，百叶 木材、塑料、复合材料 房间框条，电缆包覆层，门，窗 隔热/防潮保护层 保温层，防潮层 水 清洁用水，制冷用水，消防用水 化工材料 胶剂，乙二醇，清洁剂，防水密封剂，灭火剂 玻璃 柏油 屋顶，路面，人行道，停车场 木瓦，地砖 在建筑施工时，如何根据碳排放量列出各项材料的明细呢？表 1 5 所示即为建筑“外壳”施工中 基本材料的相关明细表。 5 爱丁堡碳管理中心，苏格兰林业委员会温室气体排放对比分析 — 建筑木材的碳效益，2006 年 8 月 施耐德电气 — 数据中心科研中心 第 66 号白皮书 版本 0 4 如何评估数据中心的碳足迹 材料 – 建筑外壁 5,700 ft （530 m2）办公设施面积 CO2（吨） %占比 4.7 4% 39.9 31% 天花板（灰泥板） 2.3 2% 结构（钢梁） 15.4 12% 外墙（砖，保温层） 32.1 25% 内墙（木框架和灰泥板） 8.7 7% 楼梯（混凝土） 1.1 1% 窗（玻璃和窗框） 0.59 0.4% 室内门（刨花板）* -0.4 -0.3% 室外门（塑料） 0.6 0.5% 屋顶（木材，混凝土，保温层） 23.4 18% 128.3 100% 2 地基（混凝土） 地面（混凝土板，保温层） 表1 建筑建材隐含碳明细表 总计 *表内的负数实际上代表对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），因为使用的是回 收材料。 办公楼与数据中心的比较？ 商务办公楼和数据中心的耗能方式不同。数据中心耗能属于能源密集型；相比办公楼，它的耗电 量和制冷量需求更多。也就是说普通办公楼的建造材料碳排放在其总体碳排放中相对占有更大的 比例，因为办公楼的能源强度相对较低。 事实上，数据中心的能源强度可能是办公楼的 40 倍。因此，数据中心更像是工业设施而不是办 公楼。数据中心设计针对的对象是计算机，而非人；因此大多数数据中心没有窗户，也不具备基 本的通风。此外，办公楼的工作时间线和数据中心也有很大不同，办公楼的使用寿命是 50 年， 而数据中心的使用寿命只有 1