朱子尚 , 蘆 巖, 趙旭東 , 孫燕怡

(1. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院, 北京 100013； 2. 英國(guó)赫爾大學(xué)工程學(xué)院， 英國(guó) HU67RX;3. 英國(guó)諾丁漢大學(xué)建筑環(huán)境學(xué)院， 英國(guó) NG72RD)

1 數(shù)據(jù)中心環(huán)境成本介紹與研究概要

1.1 數(shù)據(jù)中心能耗與環(huán)境影響概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)和通信行業(yè)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心這種容納計(jì)算機(jī)服務(wù)器及其一切供電、冷卻等保障設(shè)備的建筑形式開(kāi)始成為整個(gè)行業(yè)重要的組成部分[1]，其建設(shè)數(shù)量和規(guī)模都呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。全球現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心類(lèi)建筑350×104個(gè)以上，其中大部分均是擁有少于5臺(tái)機(jī)柜，使用面積100 m2以下的小微型中心。截止到2014年，歐洲與美國(guó)已分別建成超過(guò)1 000座大型計(jì)算中心(以單個(gè)中心超過(guò)200臺(tái)機(jī)柜計(jì)算)，我國(guó)也擁有150余座同類(lèi)設(shè)施，同時(shí)在建與待建數(shù)量直線上升[2-3]。研究數(shù)據(jù)顯示，從2000～2005年，該領(lǐng)域電力消耗增長(zhǎng)了一倍，并在2005～2010年間繼續(xù)增長(zhǎng)56 %[4]。截止到2010年，數(shù)據(jù)中心能耗占全球電力總消耗的1.3 %，占中國(guó)電力消耗的1 %左右[5]。按此發(fā)展趨勢(shì)，到2020年，僅歐洲的數(shù)據(jù)中心就將消耗至少104TWh電力，全球數(shù)據(jù)中心能耗將占人類(lèi)社會(huì)總能耗的15～20 %[6]。數(shù)據(jù)中心能耗主要來(lái)自于IT設(shè)備能耗和建筑系統(tǒng)能耗，后者包括制冷、通風(fēng)、照明、變電等設(shè)備，在這其中，IT設(shè)備本身與制冷平均能耗分別占總能耗的44 %與40 %。按常用的PUE指標(biāo)來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)數(shù)據(jù)中心PUE值介于1.3～3.0， 其中老項(xiàng)目PUE常常高于3，而歐美新數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目平均值為1.8～1.89，個(gè)別項(xiàng)目甚至低于1.6[7]。中國(guó)則在2015年提出的綠色數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)技術(shù)細(xì)則中，規(guī)定新建的大型數(shù)據(jù)中心PUE不超過(guò)1.8， 而小型數(shù)據(jù)中心不得高于2.0[8]。盡管各國(guó)都對(duì)數(shù)據(jù)中心的能效提出了具體要求，但由于巨大的能耗基數(shù)和其高品位能源的比例，其仍帶來(lái)巨大的污染物排放并造成不可忽視的環(huán)境影響。

1.2 數(shù)據(jù)中心全生命周期環(huán)境成本

對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的研究主要集中于IT設(shè)備本身、制冷空調(diào)系統(tǒng)與UPS供電系統(tǒng)等方面，主要研究目標(biāo)為以上設(shè)備運(yùn)行的電能消耗及其產(chǎn)生的相應(yīng)碳排放。而數(shù)據(jù)中心(特別是大型數(shù)據(jù)中心)，作為一種單獨(dú)建筑形式，其建筑層面全生命周期能耗及碳排放的研究相對(duì)較少。實(shí)際上，在數(shù)據(jù)中心類(lèi)建筑的全生命周期中，除IT與制冷設(shè)備外，建筑本身的設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)行也會(huì)對(duì)其全生命周期環(huán)境成本產(chǎn)生相應(yīng)影響。這些影響體現(xiàn)在包括數(shù)據(jù)中心建筑本身和關(guān)鍵設(shè)備的建材生產(chǎn)、運(yùn)輸、建造、運(yùn)行、維護(hù)直至最終拆除的整個(gè)生命周期各個(gè)階段。 因此，對(duì)數(shù)據(jù)中心建筑的全生命周期范圍的能耗和環(huán)境性能研究具有非常重要的意義。

本文的研究目標(biāo)不僅局限于能耗和污染物排放本身，而是通過(guò)引入環(huán)境成本的概念，對(duì)于由數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的二氧化碳等價(jià)物(CO2e)、氮氧化物(NOx)、SO2、大氣懸浮顆粒物(PM)等環(huán)境污染物進(jìn)行綜合分析。本文對(duì)環(huán)境成本及其表達(dá)形式的定義為：針對(duì)上述污染物，以現(xiàn)行技術(shù)條件下該污染物造成的綜合社會(huì)損失或?yàn)橹泻蜕鲜鑫廴疚锼韪冻龅目偝杀緸橛?jì)算方法，使用貨幣為統(tǒng)一的計(jì)量單位，對(duì)多種污染物的綜合環(huán)境危害進(jìn)行以貨幣為單位的直觀統(tǒng)計(jì)和分析。該方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)分析建筑環(huán)境影響這種這種包含多種污染物的復(fù)合影響時(shí)，在不同污染物此消彼長(zhǎng)造成的環(huán)境影響變化之間建立了直觀可比性。具體污染物的貨幣化計(jì)量方法，則通過(guò)針對(duì)該區(qū)域的污染研究、政策法規(guī)規(guī)定、污染物排放權(quán)交易市場(chǎng)等方式獲取。

本文通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心建筑全生命周期各個(gè)階段的污染物排放分析，提出該類(lèi)建筑的全生命周期環(huán)境成本計(jì)算方法。以第2章介紹的案例數(shù)據(jù)中心為例，在第3章中運(yùn)用該方法對(duì)來(lái)自建材、設(shè)備、建造、運(yùn)行直到拆除的全生命周期污染物排放和環(huán)境成本進(jìn)行計(jì)算。并通過(guò)對(duì)該案例冷卻系統(tǒng)的一項(xiàng)改進(jìn)方案的計(jì)算，得出能效改善措施對(duì)數(shù)據(jù)中心全生命周期環(huán)境成本的影響。通過(guò)計(jì)算分析，文末得數(shù)據(jù)中心類(lèi)建筑全生命周期環(huán)境成本的分布特征與改善方法，并對(duì)本研究的前景進(jìn)行討論。

2 案例數(shù)據(jù)中心介紹

本章選用具體案例，對(duì)其建筑設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)中心相關(guān)設(shè)備配置進(jìn)行全面介紹。我國(guó)北方地區(qū)新建的某大型數(shù)據(jù)中心，(數(shù)據(jù)中心及附屬建筑建筑群效果見(jiàn)圖1)共3層，建筑面積9 200 m2，容納機(jī)柜750個(gè)，單個(gè)機(jī)柜設(shè)計(jì)能量密度為9.8 kW/機(jī)柜，供電系統(tǒng)按標(biāo)準(zhǔn)配置，包括30臺(tái)300 kVA的UPS(不計(jì)備用)，型號(hào)不做具體研究，其能耗按數(shù)據(jù)中心總能耗的12 %計(jì)算(統(tǒng)計(jì)平均值)，建筑的照明系統(tǒng)采用熒光燈(CFL)，房間照度500 lx，每天運(yùn)行12 h。數(shù)據(jù)中心建筑設(shè)計(jì)概況見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)據(jù)中心及附屬建筑建筑群效果圖

建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)承重結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)外墻:空心小型混凝土砌塊+35mmEPS保溫板+大理石幕墻內(nèi)墻:砂加氣混凝土砌塊+石灰砂漿屋面2cm防水砂漿+陶?；炷?40mmEPS保溫板+120mm厚的普通混凝土門(mén)窗斷橋鋁合金雙層玻璃窗+木質(zhì)防火門(mén)

冷卻系統(tǒng)采用水冷式冷水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷7 900 kW。冷卻系統(tǒng)有現(xiàn)有設(shè)計(jì)(方案一)采用傳統(tǒng)水冷空調(diào)方案，全年連續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)包括4臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組，冷凍水供水溫度為12 ℃，回水溫度為18 ℃，板式換熱器處冷卻水供水溫度為10 ℃，回水溫度為15 ℃。水泵采用定頻方案。冷卻系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2，閥門(mén)1～4開(kāi)啟，5、6關(guān)閉。系統(tǒng)硬件參數(shù)見(jiàn)表2(為方便計(jì)算，不計(jì)備份機(jī)組)。

圖2 冷卻系統(tǒng)原理

為提高冷卻系統(tǒng)能效，案例數(shù)據(jù)中心擬在原設(shè)計(jì)的的硬件基礎(chǔ)上，追加投資120×104元，更換變頻水泵，對(duì)系統(tǒng)在冬季的運(yùn)行邏輯進(jìn)行調(diào)整，加入“Free Cooling”運(yùn)行模式(方案二)。該系統(tǒng)在夏季的運(yùn)行方式與方案一相同，采用冷水機(jī)組制冷，冷卻塔散熱；過(guò)渡季采用冷水機(jī)組與“Free-Cooling”共同運(yùn)行的模式；冬季則完全采用Free-Cooling運(yùn)行模式。“Free Cooling”在外界濕球溫度低于0 ℃時(shí)開(kāi)啟，冷水機(jī)

表2 冷卻系統(tǒng)概況

組停止運(yùn)行，經(jīng)冷卻塔流出的的冷卻水和從室內(nèi)精密空調(diào)流出的工質(zhì)在板式換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，將機(jī)房?jī)?nèi)的熱量帶走。在此過(guò)程閥門(mén)1～4關(guān)閉，5、6開(kāi)啟，冷水機(jī)組保持關(guān)閉，僅冷卻塔、水泵及室內(nèi)精密空調(diào)保持運(yùn)行。當(dāng)外界濕球溫度高于0 ℃時(shí)，“Free Cooling”無(wú)法滿足數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)制冷需求，此時(shí)冷水機(jī)組開(kāi)始間歇工作，系統(tǒng)逐步變回傳統(tǒng)的冷水空調(diào)制冷模式。

3 案例數(shù)據(jù)中污染物排放與環(huán)境成本計(jì)算方法

3.1 全生命周期與污染物排放研究范圍定義

按照通行的建筑生命周期分析方法，本文將數(shù)據(jù)中心建筑的全周期環(huán)境影響分為建筑本身及其設(shè)備的原材料生產(chǎn)加工、運(yùn)輸建造、運(yùn)行維護(hù)和最終拆除4個(gè)主要階段進(jìn)行研究。環(huán)境影響中所考量的污染物排放主要包括CO2e(二氧化碳等價(jià)物，包括CO2、SF6、CH4、N2O、HFC和PFCs)、NOx、SO2和PM(大氣懸浮顆粒物)(圖3)，其主要來(lái)自于材料生產(chǎn)過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)的直接排放和生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗所帶來(lái)的間接排放兩個(gè)方面，直接污染物排放后文逐項(xiàng)分析，間接污染物排放系數(shù)見(jiàn)表3。以上污染物在4個(gè)階段中的排放數(shù)據(jù)構(gòu)成了該數(shù)據(jù)中的全生命周期環(huán)境影響，而通過(guò)后文所述的方法，該環(huán)境影響被轉(zhuǎn)化為環(huán)境成本的概念進(jìn)行最終的比較研究。

圖3 數(shù)據(jù)中心排放來(lái)源

數(shù)據(jù)中心全生命周期污染物j排放量計(jì)算公式如下：

Pj=PM，j+PCon，j+POp，j+PDe，j

式中：PM，j為原材料生產(chǎn)加工階段污染物j排放量；PCon，j為運(yùn)輸建造階段污染物j排放量、POp，j為運(yùn)行維護(hù)階段污染物j排放量；PDe，j為最終拆除階段污染物j排放量。

3.2 原材料生產(chǎn)加工階段污染物排放

原材料生產(chǎn)加工階段污染物排放，發(fā)生在其“搖籃到大門(mén)(cradle to gate)”全過(guò)程。通過(guò)追溯單位數(shù)量的建材在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的直接與簡(jiǎn)介排放，產(chǎn)生該種建材的排放系數(shù)，然后結(jié)合該種建材的用量，得出其直接排放數(shù)據(jù)，應(yīng)注意的是，以上數(shù)據(jù)已包含了建材的回收再利用的因素，因此往往比新生產(chǎn)該種材料所長(zhǎng)生的數(shù)據(jù)要低。本文中對(duì)于基本建筑材料，如水泥、鋼筋等，一般以其重量為使用量單位，而由于統(tǒng)計(jì)方法的不同，門(mén)窗空調(diào)等復(fù)雜建筑構(gòu)件或設(shè)備，則以面積或功率等為基本研究單位。該階段污染物j排放量(PM，j)的計(jì)算公式如下：

表3 本例中能源帶使用導(dǎo)致間接污染物排放系數(shù)

式中：mi為i類(lèi)建筑材料/構(gòu)件的用量；δi為i類(lèi)建筑材料/構(gòu)件的浪費(fèi)率；PFM，j為i類(lèi)建筑材料/構(gòu)件對(duì)j污染物的排放系數(shù)；[tB/ti]為建筑使用壽命與i類(lèi)建筑材料/構(gòu)件壽命的比的向上取整值。

本例中建材用量取自該數(shù)據(jù)中心《建筑材料用量清單》，對(duì)應(yīng)的污染物排放系數(shù)則主要通過(guò)文獻(xiàn)查詢匯總整理獲得，其中CO2e排放參考文獻(xiàn) [9-11]的研究數(shù)據(jù)，其他污染物排放中，鋼材按照2014版《鋼鐵行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》[12]標(biāo)準(zhǔn)的下限取值，水泥、銅、鋁等材料按照《“十二五”主要污染物總量減排核算細(xì)則》[13]新增產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)取值，塑料制品按《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[14]限值計(jì)算，對(duì)于含有種原材料的建材，則按照其原料混合比進(jìn)行推算(如預(yù)拌混凝土)或用其主料代替(如用銅的數(shù)據(jù)代替電線)。主要建筑材料的用量及污染物排放系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 主要建筑材料的用量及污染物排放系數(shù)

建筑構(gòu)件/設(shè)備污染物排放按照其組成成分累加而成，方法如下所述。制造過(guò)程中。每1 m2雙玻斷橋鋁合金窗按照20.3 kg鋁，16.9 kg玻璃(0.75 m2)計(jì)算；冷卻設(shè)備材料用量按文獻(xiàn) [15]提出的總制冷量與系統(tǒng)重量對(duì)應(yīng)關(guān)系11.1 kg/kW計(jì)算,設(shè)備總重量中鋼、銅、鋁的使用比例分別為80.55 %、14.3 %、5.2 %，分別計(jì)算后相加，可得冷卻系統(tǒng)制造過(guò)程單位制冷量的污染物排放系數(shù)；CFL照明設(shè)備制造中污染物排放數(shù)據(jù)計(jì)算采用DOE研究報(bào)告[16]推薦的平均值52.5 kWh/ Million Lumen-Hours計(jì)算，本案例照明面積取建筑面積的80 %，全壽命照明時(shí)間為21 900 h，計(jì)算可得照明系統(tǒng)制造過(guò)程的排放系數(shù)；IT設(shè)備的生產(chǎn)排放采用簡(jiǎn)化算法，其生產(chǎn)過(guò)程排放為用電導(dǎo)致的間接排放，每塊芯片/電路板電耗按廣東省2015年平均數(shù)據(jù)[17]:1.6 kWh/芯片計(jì)算，總芯片數(shù)量按每臺(tái)2 m標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜可安裝20臺(tái)2U服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器包括其CPU、內(nèi)存、主板、存儲(chǔ)在內(nèi)按6顆主要芯片/電路板計(jì)算，計(jì)算可得制造每臺(tái)機(jī)架的污染物排放系數(shù)。以上4種建筑構(gòu)件/設(shè)備的排放系數(shù)計(jì)算結(jié)果和設(shè)備用量見(jiàn)表5。

表5 主要建筑構(gòu)件/設(shè)備的用量及污染物排放系數(shù)

3.3 運(yùn)輸建造階段污染物排放

運(yùn)輸建造階段污染物排放(PCon，j)包含建筑材料/構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地(PCon-T，j)和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工(PCon-O，j)這個(gè)兩個(gè)子過(guò)程，其中前一子過(guò)程的環(huán)境影響主要取決于運(yùn)輸距離和運(yùn)輸工具，環(huán)境影響以直接污染物排放為主，而后一子過(guò)程的環(huán)境影響主要由施工中機(jī)械設(shè)備的使用產(chǎn)生，同時(shí)產(chǎn)生直接排放和間接排放。材料運(yùn)輸子過(guò)程j污染物排放(PCon-T，j)的計(jì)算公式如下：

式中：mi為i類(lèi)建筑材料/構(gòu)件的用量；PFCon-T,i為i材料所采用運(yùn)輸方式對(duì)j污染物的排放系數(shù)；Di為i材料的運(yùn)輸距離。本算例中，材料運(yùn)輸距離使用全國(guó)平均值(表5)。運(yùn)輸方式以國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)公路重型貨車(chē)與柴油為主，用其標(biāo)準(zhǔn)能耗[18]0.844 kWh/tkm計(jì)算，其CO2e、SO2、NOx和PM的運(yùn)輸排放系數(shù)分別為：222 g/tkm、0.2 g/tkm、2.9 g/tkm、0.017 g/tkm。

現(xiàn)場(chǎng)施工子過(guò)程j污染物排放(PCon-O，j)的計(jì)算公式如下：

PCon-O，j=EFCon-O·A·PFCon-O，j

式中：EFCon-O為施工過(guò)程能耗系數(shù)(kg/m2)；A為建筑面積；PFCon-O，j為施工過(guò)程中j污染物的排放系數(shù)(kg/kWh)。數(shù)據(jù)中心施工過(guò)程污染物排放主要來(lái)自施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備能耗帶來(lái)的間接排放，施工中造成的直接揚(yáng)塵則隨施工管理水平的高低而不同，本文未予統(tǒng)計(jì)。多層鋼混框架結(jié)構(gòu)建筑的施工能耗約為84.8 kWh/m2[19]，機(jī)械設(shè)備能耗中，柴油，電力分別占54.62 %和42.92 %，其他來(lái)源占2.4 %，忽略不計(jì)，由此可算得CO2e、SO2、NOx和PM的施工排放系數(shù)分別為：12 216 g/m2、11.2 g/m2、163.3 g/m2和0.97 g/m2。

3.4 建筑運(yùn)行階段污染物排放

數(shù)據(jù)中心建筑運(yùn)行階段的污染物j的排放量POp，j主要來(lái)自于其設(shè)備運(yùn)行所需能耗帶來(lái)的間接污染物排放(POp-ser，j)，以及少量冷卻設(shè)備制冷劑溢散形成的直接污染物排放(POp-fug，co2)兩部分。由前文所述，IT設(shè)備、冷卻、照明、供電四大系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心建筑能耗的絕大部分，也是本階段的主要研究對(duì)象。系統(tǒng)運(yùn)行能耗帶來(lái)的污染物j的間接排放(POp-ser，j)計(jì)算公式為：

式中：Ei,r為設(shè)備i對(duì)能源r的年均消耗量；PFr，j為能源r對(duì)污染物j的排放系數(shù)；T為建筑使用壽命。本例中四大系統(tǒng)所用能源皆為電能，我國(guó)電能污染物排放系數(shù)見(jiàn)表3。

IT設(shè)備按照滿負(fù)荷恒定功率進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)機(jī)柜功率9.8 kW，可得全部機(jī)柜總功率為7 350 kW，年耗電64.39 GWh，數(shù)據(jù)中心壽命周期內(nèi)(50a)總能耗為3 219.3 GWh。

供電及UPS設(shè)備的能耗采用簡(jiǎn)化算法，按其能耗IT設(shè)備總運(yùn)行能耗的29 %進(jìn)行計(jì)算[1]，則該部分年能耗為18.67 GWh，數(shù)據(jù)中心壽命周期內(nèi)總能耗為933 GWh。

照明設(shè)備能耗中，照度按GB 50034-2004《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[20]中對(duì)主機(jī)房的要求500 lx為準(zhǔn)，熒光燈發(fā)光效率選取DOE推薦的平均值52.5 kWh/ Million Lumen-Hours，日平均照明時(shí)間為12 h，則照明系統(tǒng)年耗電E=(500 lx·92000 m2·12·365)/106·2.36 kWh/MillionLumen-Hours=8.46GWh，數(shù)據(jù)中心壽命周期內(nèi)總能耗為423 GWh。

冷卻系統(tǒng)能耗使用能效比進(jìn)行理論計(jì)算，能效比隨室外溫度不同而動(dòng)態(tài)變化。本文采用GB 19413-2010《計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)房用單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[21]標(biāo)準(zhǔn)中全年能效比的方法進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)由于建筑保溫較好，室外溫度、照明設(shè)備、人員等熱源與IT設(shè)備相比比例極小，因此系統(tǒng)冷負(fù)荷以IT設(shè)備功率為準(zhǔn)。冷卻系統(tǒng)的全年能效比(AEER)按下式計(jì)算：

式中：AEER為冷卻系統(tǒng)全年能效比；EERi為i工況條件下的能效比；Ti為i工況溫度的分布系數(shù)。

冷卻系統(tǒng)中，冷水機(jī)組能效比受室外溫度變化影響最大，不同溫度的能效比數(shù)據(jù)采用大金產(chǎn)品數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算。方案二中，由于Free Cooling 的加入，室外溫度低于0℃時(shí)冷水機(jī)組停止工作，其此時(shí)EER為N/A。案例數(shù)據(jù)中心所在北方某地溫度分布系數(shù)和兩組方案中冷水機(jī)組相應(yīng)EER值如表6所示。除此之外，冷卻系統(tǒng)的整體AEER還需考慮冷卻塔、水泵和室內(nèi)機(jī)能耗，將其加入能耗計(jì)算后，方案一冷卻系統(tǒng)的全年能效比AEER為3.45，方案二中，室外溫度低于0 ℃時(shí)冷水機(jī)組能耗為0，此時(shí)只考慮其他系統(tǒng)能耗，該階段能效比較高，冷卻系統(tǒng)的全年能效比為4.97。兩組方案中冷卻系統(tǒng)EER與AEER見(jiàn)表7。由此，冷卻系統(tǒng)理論能耗可由設(shè)計(jì)冷負(fù)荷和全年能效比計(jì)算而來(lái)，方案一理論年能耗為20.06 GWh, 數(shù)據(jù)中心壽命周期內(nèi)總能耗為1 003 GWh,方案二的理論年能耗為13.92 GWh, 數(shù)據(jù)中心壽命周期內(nèi)總能耗為696 GWh。結(jié)合表3中電能排放系數(shù)，可得各項(xiàng)污染物排放量。

表7 兩組方案中冷卻系統(tǒng)EER與全年AEER值

冷卻設(shè)備制冷劑溢散形成的直接污染(POp-fug,co2)主要來(lái)自于冷卻設(shè)備安裝與拆除過(guò)程產(chǎn)生的集中溢散和使用過(guò)程的輕微溢散過(guò)程，通過(guò)計(jì)算，污染物排放將全部轉(zhuǎn)化為等效CO2，其計(jì)算公式為：

3.5 建筑拆除階段污染物排放

數(shù)據(jù)中心建筑拆除階段j污染物排放量(PDe，j)主要來(lái)自于建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)拆除過(guò)程、廢棄物運(yùn)輸過(guò)程以及最終處理過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)拆除過(guò)程排放來(lái)自于施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備能耗帶來(lái)的間接排放，施工直接揚(yáng)塵受管理水平影響較大，此處不計(jì)。污染物j排放PDe-on，j計(jì)算公式為：

PDe-on，j=EFDe-on·A·PFDe-on，j

式中：EFDe-on為建筑單位面積現(xiàn)場(chǎng)拆除工作平均能耗(MJ/m2);A為數(shù)據(jù)中心建筑面積；PFDe-on為現(xiàn)場(chǎng)拆除工作j污染物排放系數(shù)(kg/MJ)。按統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),破拆設(shè)備總能耗約9.6 kWh/m2，絕大部分來(lái)自柴油，排放數(shù)據(jù)使用柴油發(fā)送機(jī)排放系數(shù)。

廢棄物運(yùn)輸過(guò)程污染物排放(PDe-T)的計(jì)算方法與3.2節(jié)中建筑材料運(yùn)輸污染物排放的方法相同，運(yùn)輸距離Di為i類(lèi)廢棄物從建筑場(chǎng)地到其處理場(chǎng)的平均距離。建筑垃圾運(yùn)輸距離按處理方式的不同，分為填埋式26 km、焚燒式和回收再利用式46 km兩種，每種建材處理方式的比例見(jiàn)表6所示[23]。建筑垃圾運(yùn)輸以國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)公路重型貨車(chē)與柴油為主，其排放計(jì)算方法見(jiàn)建材運(yùn)輸部分。

廢棄物最終處理過(guò)程污染物排放主要發(fā)生在其焚燒或填埋過(guò)程(回收再利用過(guò)程的排放已在新建筑材料階段得以體現(xiàn)，故本階段不計(jì))，污染物j排放的計(jì)算公式為：

式中：Mi為i類(lèi)廢棄物的質(zhì)量；Ri,LF為i類(lèi)廢棄物使用填埋處理方式所占的比例；Ri,I為i類(lèi)廢棄物使用焚燒方式處理的比例；PFi,LF為i類(lèi)廢棄物使用填埋處理方式時(shí)污染物j的排放系數(shù)(kg/kg)；PFi,I為i類(lèi)廢棄物使用焚燒處理方式時(shí)污染物j的排放系數(shù)(kg/kg)。最終處理方式在建筑垃圾中所占的比例如表8所示。最終處理過(guò)程中，無(wú)機(jī)物填埋幾乎不產(chǎn)生氣體排放，而回收再利用產(chǎn)生的污染物以已被計(jì)入到包含再生材料的建材的生產(chǎn)排放中，所以在此不作計(jì)算。建筑垃圾焚燒主要針對(duì)塑料等石化產(chǎn)品，假設(shè)使用標(biāo)準(zhǔn)垃圾焚燒發(fā)電場(chǎng)(熱回收率75 %)[24]對(duì)其進(jìn)行處理，每kg垃圾可產(chǎn)生2.5 kWh電能，此過(guò)程中污染物排放與2.5 kWh電能換算而來(lái)的減排值抵消后，垃圾焚燒可帶來(lái)CO2e、SO2、NOx和PM的排放系數(shù)(減排系數(shù))分別為-13.7 g/kg、-0.042 g/kg、-0.033 g/kg和-0.007 g/kg。

表8 建筑垃圾終處理比例

3.6 總環(huán)境成本核算

數(shù)據(jù)中心全生命周期總環(huán)境成本為四個(gè)階段中各項(xiàng)污染物排所帶來(lái)的綜合環(huán)境危害的貨幣化表現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心全生命周期總環(huán)境成本(C)計(jì)算公式如下：

式中:Pj生命周期中j類(lèi)污染物排放總量，由上文計(jì)算而來(lái)；CFj為該地區(qū)j類(lèi)污染物環(huán)境成本系數(shù)(kg/RMB)，由該區(qū)域的治污法規(guī)、污染物排放權(quán)交易市場(chǎng)價(jià)格等多種數(shù)據(jù)綜合而來(lái)。由于我國(guó)碳交易市場(chǎng)還未完全開(kāi)放運(yùn)行，其價(jià)格無(wú)法完全代表CO2排放的減排、治污成本和帶來(lái)的環(huán)境社會(huì)危害，本文采用歐盟碳排放交易系統(tǒng)的價(jià)格作為CO2的環(huán)境成本指標(biāo)，其2014年平均現(xiàn)貨價(jià)格核0.0397元人民幣/kg。根據(jù)中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)2012年數(shù)據(jù)[25]，綜合考慮治污成本和人民健康成本后，我國(guó)SO2與NOx排放的環(huán)境成本為12.577元人民幣/kg和12.172元人民幣/kg。PM排放的環(huán)境和社會(huì)成本采用《2013年全球疾病負(fù)擔(dān)評(píng)估》[26]數(shù)據(jù)，考慮PM造成的社會(huì)醫(yī)療成本后，PM排放的環(huán)境成本為204.590元人民幣/kg。

4 案例數(shù)據(jù)中心全生命周期環(huán)境成本分析

上文詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)中心全生命周期污染物排放和環(huán)境成本，并以案例數(shù)據(jù)中心為例進(jìn)行了計(jì)算，現(xiàn)設(shè)計(jì)方案下(方案一)該數(shù)據(jù)中心各階段污染物排放及其帶來(lái)的環(huán)境成本見(jiàn)表9所示。經(jīng)計(jì)算，案例數(shù)據(jù)中心全壽命周期CO2e、SO2、NOx和PM污染物排放分別為4 216 900 t、13 838 t、10 169 t和2 130 t。四種污染物排放中，來(lái)自運(yùn)行階段的排放都占到該污染物總排放量的90 %以上，該階段NOx排放更是占到NOx總排放的99.85 %。該數(shù)據(jù)中心全周期環(huán)境成本為90 100.8萬(wàn)元，環(huán)境成本中98.3 %來(lái)自數(shù)據(jù)中心運(yùn)行電耗帶來(lái)的間接排放，1.68 %來(lái)自建筑材料和設(shè)備生產(chǎn)與更新，而來(lái)自建筑施工和拆除階段的環(huán)境成本所占比例極小?？偝杀局?，雖然CO2排放總量最大，但由于多個(gè)國(guó)際交易體系的建立，使其減排成本逐漸降低，其帶來(lái)的環(huán)境成本反而之占總成本的19 %，而由于PM對(duì)人體的直接危害在今年集中爆發(fā)，切中國(guó)PM減排任務(wù)重難度大，使其環(huán)境成本在近年居高不下，此部分環(huán)境成本高達(dá)總量的48 %，除此之外，來(lái)自SO2和NOx的環(huán)境成本占總成本的19 %和14 %。

表9 案例數(shù)據(jù)中心全生命周期排放與環(huán)境成本統(tǒng)計(jì)(以方案一為例)

在建材生產(chǎn)階段，SO2排放帶來(lái)的環(huán)境成本占該階段總成本的83.38 %，且其在鋼材、水泥、砌塊和塑料制品等主要建材品種的環(huán)境成本中都占有最大比例。建筑施工階段的環(huán)境成本主要來(lái)自NOx，占該階段總成本的70.5 %，該部分成本主要來(lái)源于建材道路運(yùn)輸中和現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械中所使用的柴油機(jī)，其原因在于我國(guó)柴油油品現(xiàn)況與柴油機(jī)氮氧化物處理技術(shù)的瓶頸，隨“國(guó)五”柴油標(biāo)準(zhǔn)的全面實(shí)施，該部分環(huán)境成本將會(huì)顯著下降。建筑運(yùn)行階段的主要環(huán)境成本來(lái)源于PM排放，其原因在于該階段所用能源為電能，而我國(guó)發(fā)電以燃煤為主，顆粒物排放是其主要污染之一，本文預(yù)測(cè)基于我國(guó)現(xiàn)階段能源結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，而隨著我國(guó)煤電除塵技術(shù)的提升和可再生能源使用比例的增加，數(shù)據(jù)中心50 a生命周期中，該階段的PM環(huán)境成本會(huì)逐步下降。建筑拆除階段的環(huán)境成本主要來(lái)自NOx，與施工階段類(lèi)似，其同樣來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)拆除設(shè)備和道路建筑垃圾運(yùn)輸過(guò)程中所用的柴油機(jī)，而垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的提升，也會(huì)對(duì)該部分環(huán)境成本產(chǎn)生抵消效果。

在采用傳統(tǒng)冷水機(jī)組冷卻系統(tǒng)(方案一)時(shí)，案例數(shù)據(jù)中心預(yù)計(jì)年CO2e、SO2、NOx和PM排放分別為84 131.3 t、256.6 t、203 t和42.4 t，產(chǎn)生的總環(huán)境成本為1 771.4×104元，其中來(lái)自IT設(shè)備和冷卻設(shè)備的環(huán)境成本分別為1 022.2×104元和318.5×104元，其PUE指標(biāo)為1.73，略低于我國(guó)綠色數(shù)據(jù)中心規(guī)范中對(duì)新建大型數(shù)據(jù)中心PU不高于 1.8的要求。如果該數(shù)據(jù)中心增加120×104元建設(shè)投資，冷卻系統(tǒng)加入Free Cooling模式(方案二)，則其PUE指標(biāo)降低至1.64，其預(yù)計(jì)年運(yùn)行CO2e、SO2、NOx和PM排放分別為79 501.7 t、242.5 t、191.9 t、40 t，排放減少來(lái)自冷卻設(shè)備，環(huán)境成本相較方案一減少環(huán)境成本97.4×104元(30.6 %)，該數(shù)據(jù)中心全生命周期可減少環(huán)境成本4 873.9×104元。若按照環(huán)境成本的降低額，即使不計(jì)實(shí)際電費(fèi)節(jié)省額，僅1.3年即可收回free cooling設(shè)備投資。計(jì)算可得，對(duì)于該案例數(shù)據(jù)中心，通過(guò)提高供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)能效等方式，其PUE每降低0.1，年預(yù)計(jì)CO2e、SO2、NOx和PM排放可分別降低4 855 t、14.8 t、11.7 t和2.4 t，合計(jì)降低環(huán)境成本102.2×104元，全壽命周期環(huán)境成本降低5 111.2×104元。案例數(shù)據(jù)中心年運(yùn)行階段污染物排放與環(huán)境成本見(jiàn)表10所示。

5 結(jié)論

通過(guò)本文所述的數(shù)據(jù)中心全生命周期環(huán)境成本計(jì)算方法和其在案例數(shù)據(jù)中心上的計(jì)算實(shí)例，可得出如下結(jié)論：

(1)基于我國(guó)現(xiàn)階段數(shù)據(jù)中心建筑模式和能源利用情況，在數(shù)據(jù)中心全生命周期中，超過(guò)95 %的環(huán)境成本來(lái)自數(shù)據(jù)中心運(yùn)行過(guò)程電耗所導(dǎo)致的污染物排放，本案例數(shù)據(jù)中心PUE優(yōu)于國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)，而隨著PUE的增加和數(shù)據(jù)中心建筑運(yùn)行壽命的延長(zhǎng)，該環(huán)境成本的比例還將繼續(xù)上升。數(shù)據(jù)中心主要設(shè)備全部依靠電力運(yùn)行，我國(guó)的以煤電為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了居高的PM和SO2排放，這也是該部分環(huán)境成本高企的重要原因。當(dāng)然，本研究中IT設(shè)備采用額訂功率滿負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)際情況中IT設(shè)備能耗隨數(shù)據(jù)處理需求實(shí)時(shí)波動(dòng)，所帶來(lái)的IT設(shè)備和冷卻系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境成本都要小于本算例結(jié)果。

(2)由于數(shù)據(jù)中心建筑的特殊性，其建筑本身帶來(lái)環(huán)境成本所占比例較小。本案例中建筑本身帶來(lái)環(huán)境成本僅與數(shù)據(jù)中心運(yùn)行一年所帶來(lái)的環(huán)境成本相當(dāng)。且來(lái)自建筑材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、建筑施工等環(huán)節(jié)的環(huán)境影響主要受我國(guó)鋼鐵、水泥工業(yè)和柴油提煉工業(yè)的制約，此部分環(huán)境影響會(huì)隨以上行業(yè)節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的逐步實(shí)施和完善而逐漸減小。通過(guò)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)在環(huán)境成本節(jié)約上，可通過(guò)節(jié)約鋼材等關(guān)鍵建材用量，起到有限的作用。

表10 案例數(shù)據(jù)中心年運(yùn)行階段排放與環(huán)境成本統(tǒng)計(jì)

(3)數(shù)據(jù)中心節(jié)能增效可帶來(lái)巨大的環(huán)境收益。以IT設(shè)備為例，750臺(tái)機(jī)架運(yùn)行帶來(lái)的年環(huán)境成本高達(dá)1 000×104元以上，而沒(méi)六年更新一次IT設(shè)備所帶來(lái)的環(huán)境成本僅為20.6×104元，以新IT設(shè)備相同計(jì)算能力下比老設(shè)備節(jié)能30 %計(jì)算，每次更新IT設(shè)備節(jié)省的年環(huán)境成本可達(dá)300×104元以上。同時(shí)，經(jīng)上文計(jì)算，投資冷卻設(shè)備提高其能效，也可節(jié)省巨額的環(huán)境成本。

本研究通過(guò)介紹數(shù)據(jù)中心全生命周期環(huán)境成本計(jì)算方法并通過(guò)案例數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，在全生命周期長(zhǎng)度層面，對(duì)數(shù)據(jù)中心的污染物排放和環(huán)境成本特性進(jìn)行了全面闡述。通過(guò)冷卻系統(tǒng)改造案例對(duì)提高數(shù)據(jù)中心能效所起的巨大作用進(jìn)行了分析和研究。當(dāng)然，本研究采用簡(jiǎn)化靜態(tài)模型，現(xiàn)實(shí)中，數(shù)據(jù)中心環(huán)境成本還受周?chē)h(huán)境溫度變化、IT設(shè)備能效進(jìn)步、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來(lái)的減排效應(yīng)和全球污染物排放成本價(jià)格浮動(dòng)等諸多因素的動(dòng)態(tài)影響。今后的研究中，應(yīng)對(duì)以上影響因素逐項(xiàng)分析并建立動(dòng)態(tài)方程，方可對(duì)數(shù)據(jù)中心類(lèi)建筑全生命周期環(huán)境成本進(jìn)行更詳細(xì)準(zhǔn)確的解讀。