從能源利用角度探討數(shù)據(jù)中心發(fā)展戰(zhàn)略

何承堯

1 信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛

當(dāng)今，信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異，迅猛異常，以“云計算”和“大數(shù)據(jù)”為概念特征引領(lǐng)信息產(chǎn)業(yè)向廣度、深度不斷擴展，"信息爆炸"所產(chǎn)生的海量，甚至天量數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)交換，其存儲和流通需求，催生了互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center）的建設(shè)和蓬勃發(fā)展。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料顯示：2008年至2013年6年間，我國數(shù)據(jù)中心的市場規(guī)模增長了5.4倍，年均增長率超過30%，預(yù)計至2016年，仍將保持年均30%的增長率。目前，我國的數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器共約500萬臺。就上海而言，按“四個中心”：國際經(jīng)濟中心、國際金融中心、國際貿(mào)易中心、國際航運中心及“科技創(chuàng)新中心”、智慧城市等功能要求，據(jù)測算將需要建設(shè)一批數(shù)據(jù)中心，安裝大約2000萬臺服務(wù)器。

2 數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展與節(jié)能減排的矛盾日益突顯

數(shù)據(jù)中心雖是IT行業(yè)的“寵兒”，卻是不折不扣、名副其實的耗能大戶。以擬建的某數(shù)據(jù)中心為例：本期建設(shè)服務(wù)器機架9500個，裝機功率43 450 kW。取數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)PUE=1.5，年用電量為4億kWh。該數(shù)據(jù)中心規(guī)劃最終建設(shè)規(guī)模為30 000個機架，全部建成運行后，按以上數(shù)據(jù)推算年用電量為12.63億kWh，約為上海市“一產(chǎn)”用電量的1.7倍，全市用電量的0.9%。換言之，一個數(shù)據(jù)中心的用電量約為全市用電量的1%。

若按上海全部數(shù)據(jù)中心安裝2 000萬臺服務(wù)器估算，全部設(shè)備的裝機功率為450萬kW，年用電量將達283.8億kWh，約為2013年全市用電量的20%。這意味著要為這2 000萬臺服務(wù)器增建一個大型發(fā)電基地，大量增加發(fā)電設(shè)備的容量，而且，按上海市供電煤耗0.3 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh計，則每年要消耗85萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，將對全市實現(xiàn)能耗總量控制目標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

從萬元產(chǎn)值能耗指標(biāo)來看：上述數(shù)據(jù)中心本期項目年綜合能耗為12.06萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，年產(chǎn)值為65 846萬元，萬元產(chǎn)值能耗為1.832 t標(biāo)準(zhǔn)煤，為2013年上海市萬元產(chǎn)值能耗0.545 t標(biāo)準(zhǔn)煤的3.36倍。這清楚表明：數(shù)據(jù)中心的建設(shè)將嚴(yán)重影響上海萬元產(chǎn)值能耗下降目標(biāo)的完成。

綜上所述，無論從全市能源消費量的總量控制目標(biāo)，或是從萬元產(chǎn)值能耗下降的目標(biāo)看，數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模的建設(shè)將帶來能耗上升較大的負面影響，促使我們能源工作者進行深入的思考，另辟蹊徑，探討數(shù)據(jù)中心的發(fā)展策略，爭取在發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)的同時，兼顧節(jié)能減排，收到“魚和熊掌兼得”的效果。

3 數(shù)據(jù)中心的用能特點

為了降低和控制數(shù)據(jù)中心的能源消耗，就必須認(rèn)真、深入地分析數(shù)據(jù)中心的用能特點：

3.1 機房功率密度高，電力負荷集中、強度大，負荷特性全年呈剛性

以每臺服務(wù)器機架4.5 kW計，數(shù)據(jù)中心如安裝10 000個機架，則裝機功率為4.5萬kW，加上輔助設(shè)備功率，總裝機功率可達6.75萬kW（取PUE=1.5）。如安裝30 000個機架，則總裝機功率達20.25萬kW，而且數(shù)據(jù)中心全年不間斷運行，負荷峰谷差較小，呈剛性，這就要求有強勁的電網(wǎng)為它供電，以策安全。

3.2 空調(diào)負荷大，且以內(nèi)熱源為主，全年負荷基本平穩(wěn)

數(shù)據(jù)中心的能耗主要包括：

——IT設(shè)備的能耗（主機能耗）

——其他設(shè)備的能耗（包括：電氣、空調(diào)、照明、通風(fēng)、動力等設(shè)備）的能耗（輔機能耗）

其中，空調(diào)能耗占了輔機能耗的絕大部分，而空調(diào)能耗中，主要是排放內(nèi)熱源所散發(fā)出來的熱量，IT設(shè)備運行中散發(fā)出來的熱量占了大部分，電氣設(shè)備運行中散發(fā)出來的熱量次之，照明設(shè)備散發(fā)出來的熱量再次之。由于機房基本無人值守、辦公，因此，由新風(fēng)帶進室內(nèi)的熱量有限。外熱源主要是由太陽光的輻射從廠房圍護結(jié)構(gòu)（包括屋頂和四面墻壁，門窗等）帶進室內(nèi)的熱量。由于廠房圍護結(jié)構(gòu)的窗墻比可以控制得較小，屋頂和墻壁如能達到熱工性能標(biāo)準(zhǔn)，則由外熱源所產(chǎn)生的空調(diào)負荷相對比較小，僅略高于照明設(shè)備發(fā)熱所產(chǎn)生的空調(diào)負荷，而且低于電氣設(shè)備發(fā)熱而產(chǎn)生的空調(diào)負荷。而機房全年不間斷運行，年運行小時為8 760 h，因而，由內(nèi)熱源所產(chǎn)生的空調(diào)負荷是基本穩(wěn)定的，季節(jié)性負荷差異較小。

4 數(shù)據(jù)中心的發(fā)展策略

數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，為互聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的存儲和流通提供服務(wù)，而互聯(lián)網(wǎng)是由光纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，光的傳輸速度高達30萬km/s，即使兩地相隔遙遠，信號傳輸是轉(zhuǎn)瞬即到。因此，數(shù)據(jù)中心的布局可不受地理位置的限制，不必完全布局在中心城市。按照數(shù)據(jù)中心電力負荷集中，強度大的用能特點，應(yīng)將它布置在靠近能源基地（如：大型水電站，火電站，大型煤礦坑口電站等），同時由于數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負荷大，可將它布置在高緯度地區(qū)。由于，上海處于夏熱冬冷地區(qū)，又是能源凈輸入地、西電東送目的地，針對上海的具體情況，特提出如下建議：

4.1 數(shù)據(jù)中心配置自備電廠兼作調(diào)峰電廠

數(shù)據(jù)中心配置自備電廠，其所發(fā)之電可就近供應(yīng)數(shù)據(jù)中心使用，并將網(wǎng)電作為備用，既減輕了電網(wǎng)的供電壓力，又減少了輸電線損。以上海市某擬建數(shù)據(jù)中心為例：數(shù)據(jù)中心選用以天然氣為燃料的兩臺9E級燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，單臺發(fā)電功率20萬kW，一臺運行即可滿足數(shù)據(jù)中心用電負荷的需求;另一臺作為備用，網(wǎng)電作為再備用，雙重保險。同時自備電廠兼有調(diào)峰功能，用電高峰時，啟動備用機組，可提供20萬kW調(diào)峰容量。這種設(shè)計的好處是：

（1）對數(shù)據(jù)中心而言，可節(jié)省百余臺備用柴油機組（按100%容量備用，且N+1冗余，備用柴油機總裝機功率為22萬kW。）及相關(guān)設(shè)備的投資和運行、維護費用。

（2） 提高了數(shù)據(jù)中心供電的安全可靠性.由原來兩路網(wǎng)電供電，柴油發(fā)電機備用，改為兩臺燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組一用一備，再加上兩路網(wǎng)電備用，相當(dāng)于再增加一道保險，提高了供電的安全可靠性.

（3）數(shù)據(jù)中心采用自備電廠所發(fā)的電較購買網(wǎng)電價格便宜，可降低數(shù)據(jù)中心運行成本，提高經(jīng)濟效益。

（4）兼顧調(diào)峰功能，為電網(wǎng)減少峰谷差作貢獻。由于數(shù)據(jù)中心的用電負荷是剛性的，用電高峰時，數(shù)據(jù)中心采用自備電廠所發(fā)的電，相當(dāng)于減輕了電網(wǎng)的負擔(dān)，并可啟動備用燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電上網(wǎng)，提供20萬kW頂峰容量，有利于減少電網(wǎng)峰谷差。

（5）燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的汽輪機可采用抽汽—背壓汽輪機或背壓式汽輪機，將燃氣輪機發(fā)電后的煙氣余熱，通過溴化鋰吸收式制冷機轉(zhuǎn)化成冷量向數(shù)據(jù)中心供冷，可大大提高綜合能源利用率。空調(diào)負荷的不足部分可用自發(fā)電驅(qū)動電制冷機予以補充，部分蒸汽還可提供必須的熱負荷，自備電廠也就成了數(shù)據(jù)中心電、冷、熱三聯(lián)供的能源中心。

4.2 將數(shù)據(jù)中心建在液化天然氣接收站和氣化廠附近，利用液化天然氣氣化時所產(chǎn)生的冷量，作為數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷的冷源

目前，我國的數(shù)據(jù)中心的PUE大多處于2.2~3.0之間，少數(shù)采用先進技術(shù)的數(shù)據(jù)中心的PUE為1.6左右，而世界上最先進的數(shù)據(jù)中心，即Facebook建在北極圈的數(shù)據(jù)中心的PUE僅為1.07，它充分利用了北極寒冷的氣候環(huán)境和大量的冷水資源作為天然冷源，有效地降低了用于空調(diào)制冷的用電量。上海處于夏熱冬冷地區(qū)，要降低數(shù)據(jù)中心的PUE值難度極大，但是，上海有其獨特的有利條件——建有液化天然氣接收站。當(dāng)液化天然氣氣化時，將釋放大量的冷量，1 t液化天然氣釋放的冷量為19.82萬kcal?，F(xiàn)在，液化天然氣的氣化廠是利用海水加熱氣化，或在頂峰時采用天然氣燃燒直接加熱使天然氣氣化，不僅讓大量的冷量被海水帶走，而且要消耗能源，對海洋環(huán)境也帶來一定的影響。

如果將數(shù)據(jù)中心建在液化天然氣接收站和氣化廠附近，則可將液化天然氣氣化時所釋放的冷量作為冷源，提供數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷，大大為減少空調(diào)制冷的用電量，從而有效地降低PUE值。此外，還可節(jié)省數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)（包括空調(diào)機組、冷卻水泵、冷卻塔等）的投資和運行費用。

上海的液化天然氣接收站一期規(guī)模為300萬t/年，液化天然氣氣化時所產(chǎn)生的冷量（包括液化天然氣氣化時釋放的潛熱和從液化氣儲存溫度升高至環(huán)境溫度的顯熱，按830 kj/kg，即198.25 kcal/kg計。）將近6 000億kcal/年，即使利用率為50%，則為3 000億kcal/年，能滿足上海市遠期全部數(shù)據(jù)中心的空調(diào)容量。

若再將為數(shù)據(jù)中心配套、以天然氣為燃料，采用燃氣——蒸氣聯(lián)合循環(huán)機組的自備電廠建在一起，則更有利于提高綜合能源利用率，如將燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中的汽輪機改為抽汽—凝汽式汽輪機或凝汽式汽輪機，則可利用液化天然氣氣化冷量供空調(diào)制冷后排放的水的剩余冷量加入凝汽式汽輪機的凝汽器作循環(huán)冷卻水，由于此水的水溫仍低于環(huán)境中的海水水溫，便可提高凝汽器的真空度，使汽輪機發(fā)出更多的電量，提高發(fā)電效率。由此，數(shù)據(jù)中心的PUE值有望降低至1.1～1.2，大大減輕上海這類超大型城市的能源負擔(dān)，也有利于數(shù)據(jù)中心的持續(xù)發(fā)展。

3）上海應(yīng)及早規(guī)劃，適當(dāng)控制數(shù)據(jù)中心的發(fā)展規(guī)模

鑒于上海是能源凈輸入的特大城市，又處于夏熱冬冷地區(qū)，節(jié)能減排的任務(wù)很重，大量的數(shù)據(jù)中心如建在本地，導(dǎo)致從數(shù)千里之外“西電東送”的電，相當(dāng)一部分又被數(shù)據(jù)中心消耗了，為此，可考慮將數(shù)據(jù)中心建在能源基地附近和高緯度地區(qū)，通過互聯(lián)網(wǎng)光纜遠程交換和儲存數(shù)據(jù)信息，既完全不會影響使用功能，并能利用當(dāng)?shù)爻渥愕哪茉春蜌夂驐l件，可有效減輕上海的能源供應(yīng)壓力和降低遠程輸電的損耗。

如前所述，數(shù)據(jù)中心如建在上海，擬建在液化天然氣接收站和氣化廠附近，就近利用液化天然氣氣化時所產(chǎn)生的冷能，以降低數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗，但空調(diào)能耗僅占數(shù)據(jù)中心總能耗三成左右，它仍然是一個超級能耗大戶，對上海實現(xiàn)能耗總量控制目標(biāo)相當(dāng)不利。同時，根據(jù)中心的萬元產(chǎn)值能耗高達1.832 t標(biāo)準(zhǔn)煤，勢必影響“十三五”期間以后萬元產(chǎn)值能耗下降目標(biāo)的完成。為此，筆者建議：對上海數(shù)據(jù)中心的建設(shè)應(yīng)及早規(guī)劃研究，在滿足上?！八膫€中心”、”科技創(chuàng)新中心“和”智慧城市”要求的前提下，合理，適當(dāng)?shù)乜刂茢?shù)據(jù)中心的發(fā)展規(guī)模，并對布局進行統(tǒng)籌配置。