基于碳中和的數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展策略研究

周婷 李婷 常傳源

摘 要：【目的】雙碳目標(biāo)下，分析數(shù)據(jù)中心的碳中和路徑，為數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展提供方向?！痉椒ā恳曰谔贾泻偷臄?shù)據(jù)中心相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，分析數(shù)據(jù)中心從選址規(guī)劃到設(shè)計(jì)、設(shè)備選用、生產(chǎn)、運(yùn)維全壽命周期節(jié)能優(yōu)化方法?！窘Y(jié)果】數(shù)據(jù)中心的碳中和路徑涉及制冷、供配電、ICT設(shè)備等各方面，仍存在技術(shù)上的短缺與政策、標(biāo)準(zhǔn)等指導(dǎo)性不足的問(wèn)題?！窘Y(jié)論】全壽命周期的節(jié)能降耗離不開(kāi)新型能源技術(shù)的發(fā)展，以促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：碳中和；數(shù)據(jù)中心；節(jié)能技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP308；X322? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）06-0155-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.031

Research on Green Development Strategy of Data Center Based on

Carbon Neutralization

ZHOU Ting1? ?LI Ting1? ?CHANG Chuanyuan2

（1. Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology， Xuzhou 221000， China; 2. China Information Consulting＆Designing Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210000，China）

Abstract：[Purposes] Under the dual-carbon goal， analyze the carbon neutralization path of the data center， and provide the direction for the green development of the data center. [Methods] Based on the relevant policies and standards of the data center based on carbon neutrality， the energy saving optimization method of the whole life cycle of the data center from the site planning to the design， equipment selection， production， operation and maintenance is analyzed. [Findings] The carbon neutralization path of the data center involves refrigeration， power supply and distribution， ICT equipment and other aspects. There are still technical shortages and insufficient guidance of policies and standards. [Conclusions] The energy saving and consumption reduction in the whole life cycle cannot be separated from the development of new energy technologies to promote the realization of the goal of carbon neutrality.

Keywords： carbon neutralization; data center; energy saving technology

0 引言

我國(guó)于2020年9月22日在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基石，數(shù)據(jù)中心正加緊走向集約化、規(guī)?；途G色化。作為碳排放“大戶(hù)”，中國(guó)數(shù)據(jù)中心年碳排放量已超過(guò)3 300萬(wàn)輛汽車(chē)的年碳排放量。從整體來(lái)看IT設(shè)備系統(tǒng)所產(chǎn)生的功耗約占數(shù)據(jù)中心總功耗的45%?；A(chǔ)環(huán)境配套中，空調(diào)系統(tǒng)用電量已與IT設(shè)備相當(dāng)，優(yōu)化制冷系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心提高能源效率的重要環(huán)節(jié)，供配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)約占數(shù)據(jù)中心總耗電量的10%和5%。

1 低碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)政策指引

碳中和簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是減少排放、增加吸收，從國(guó)家層面，環(huán)境部、工信部等部門(mén)已經(jīng)發(fā)布一系列政策助力推進(jìn)數(shù)據(jù)中心和5G等基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。具體見(jiàn)表1。

頭部互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛響應(yīng)國(guó)家政策，啟動(dòng)碳中和目標(biāo)和碳減排路線圖規(guī)劃，踐行碳中和戰(zhàn)略。螞蟻集團(tuán)承諾2030年實(shí)現(xiàn)凈零排放，推動(dòng)供應(yīng)鏈減排、積極采用液冷等新技術(shù)，加強(qiáng)溫室氣體排放控制科學(xué)管理等具體實(shí)施路徑；2021年阿里巴巴發(fā)布邁向零碳時(shí)代報(bào)告，阿里云杭州數(shù)據(jù)中心作為全球最大浸沒(méi)式液冷服務(wù)器集群，PUE（電源使用效率）逼近理論極限值1.0，每年可節(jié)電7 000萬(wàn)kW·h，阿里廣東河源數(shù)據(jù)中心采用深層湖水制冷，成為阿里首個(gè)實(shí)現(xiàn)碳中和的大型數(shù)據(jù)中心［1］；與此同時(shí)百度也公布在2030年實(shí)現(xiàn)集團(tuán)運(yùn)營(yíng)層面的碳中和目標(biāo)。

2 基于“雙碳”的數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)指引

近年來(lái)，盡管數(shù)據(jù)中心的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)快速迭代發(fā)展，但由于行業(yè)的成長(zhǎng)和市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)中心的總能耗仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行碳核算核查和低碳能力評(píng)估成為行業(yè)發(fā)展和行業(yè)碳排放管理的重要需求。2021年10月國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心能效限定值和能效等級(jí)》發(fā)布，規(guī)定了數(shù)據(jù)中心的能效等級(jí)與技術(shù)要求、統(tǒng)計(jì)范圍、測(cè)試與計(jì)算方法。數(shù)據(jù)中心能效等級(jí)由中國(guó)信息通信研究院牽頭編制的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求數(shù)據(jù)中心》（T/EES 0001—2021）定義了相關(guān)概念、計(jì)量要求、報(bào)告內(nèi)容和格式等要求，為業(yè)界進(jìn)行數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放核算和報(bào)告提供了參考依據(jù)?！稊?shù)據(jù)中心碳利用效率技術(shù)要求和測(cè)試規(guī)范》（T/CCSA 327—2021）定義了數(shù)據(jù)中心碳利用效率指標(biāo)，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算該指標(biāo)，推進(jìn)數(shù)據(jù)中心碳排放量化分析。2021年團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（T/CA 301—2021）明確了零碳數(shù)據(jù)中心的概念，規(guī)定了零碳對(duì)數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃、選址、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、拆除和回收利用等全壽命周期各階段的技術(shù)要求，明確了各環(huán)節(jié)的碳排放計(jì)算方法，并提出了實(shí)現(xiàn)零碳數(shù)據(jù)中心相應(yīng)的技術(shù)要求。2022年工信部發(fā)布了《數(shù)據(jù)中心節(jié)能診斷服務(wù)指南（2022年版）》，描述了數(shù)據(jù)中心節(jié)能診斷的服務(wù)程序、方法和基本要求等內(nèi)容，適用于指導(dǎo)開(kāi)展節(jié)能診斷服務(wù)的機(jī)構(gòu)。由中國(guó)信息通信研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所牽頭撰寫(xiě)的《數(shù)據(jù)中心碳核算指南》對(duì)數(shù)據(jù)中心碳核算方法進(jìn)行了分析和整理，從核算邊界、計(jì)量要求、核算方法、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和溫室氣體排放報(bào)告等維度進(jìn)行了重點(diǎn)分析，提出了數(shù)據(jù)中心低碳等級(jí)評(píng)估方法。低碳在數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)上，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較多，國(guó)家層面標(biāo)準(zhǔn)較少，缺乏指導(dǎo)性強(qiáng)、體系完善的標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)中心減碳規(guī)劃設(shè)計(jì)、能效評(píng)估與驗(yàn)收上也相對(duì)缺乏［2］。

3 數(shù)據(jù)中心的“碳中和”實(shí)現(xiàn)路徑

3.1 設(shè)計(jì)階段

數(shù)據(jù)中心宜選址氣候適宜、環(huán)境空氣清潔、能充分利用自然冷源的區(qū)域。數(shù)據(jù)中心可以根據(jù)不同的地理位置、氣候條件選擇制冷散熱方法，提高制冷效率。中西部地區(qū)電量充沛，氣候干燥，空氣質(zhì)量較高，滿(mǎn)足新風(fēng)制冷環(huán)境要求，能夠提高自然冷源利用效率［3］。目前我國(guó)推進(jìn)數(shù)據(jù)中心全國(guó)一體化發(fā)展，中西部的內(nèi)蒙古、貴州、寧夏等地在電力、土地稅收等方面給數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)建設(shè)優(yōu)惠，能夠有效降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。

在建設(shè)成本上，數(shù)據(jù)中心可以采用全模塊化設(shè)計(jì)，將基礎(chǔ)環(huán)境不同子系統(tǒng)預(yù)集成于預(yù)制模塊內(nèi)，在建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)工廠到站點(diǎn)的快速部署，減少土建施工作業(yè)時(shí)間。制冷、供配電、消防、監(jiān)控等所有模塊在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)原裝與調(diào)試，材料回收率高，能夠有效降低建設(shè)過(guò)程中的建筑垃圾，具有全生命周期低碳的優(yōu)勢(shì)。

3.2 運(yùn)營(yíng)階段

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心在運(yùn)維過(guò)程中存在信號(hào)干擾、應(yīng)用保障等問(wèn)題，人工運(yùn)維效率較差，在應(yīng)對(duì)突發(fā)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)難以做出及時(shí)的網(wǎng)絡(luò)故障處理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)。在運(yùn)營(yíng)階段思考如何通過(guò)科學(xué)管理，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)與節(jié)能降耗的需求，對(duì)大型數(shù)據(jù)中心分區(qū)域分系統(tǒng)進(jìn)行PUE分析，根據(jù)IT負(fù)載和室外溫濕度調(diào)節(jié)冷水機(jī)組、水泵、冷卻塔、閥門(mén)和空調(diào)末端等，結(jié)合環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和氣流組織優(yōu)化空調(diào)運(yùn)行模式［4］。可以采用智能管理系統(tǒng)進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)，包括耗水量、IT設(shè)備耗電量、基礎(chǔ)設(shè)施耗電量、蓄冷量、蓄電量、可再生能源使用率以及換算后的數(shù)據(jù)中心碳排放等，減少人員巡檢工作的功能，減少運(yùn)維過(guò)程碳排放。在智能運(yùn)維上谷歌利用AI算法自動(dòng)管理數(shù)據(jù)中心的復(fù)雜冷卻設(shè)備，每5分鐘對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的冷卻設(shè)備進(jìn)行采樣，AI模型基于采樣結(jié)果來(lái)決定采取哪些措施來(lái)優(yōu)化電耗，使得整套冷卻設(shè)備具備自動(dòng)微調(diào)的能力。

3.3 低碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)技術(shù)

3.3.1 空調(diào)節(jié)能技術(shù)。優(yōu)先選用間接蒸發(fā)、水側(cè)自然冷卻等利用自然冷源的方式降低PUE，盡量延長(zhǎng)自然冷卻時(shí)間，減少壓縮機(jī)開(kāi)啟的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)機(jī)房的節(jié)能，烏蘭察布地區(qū)一年開(kāi)啟壓縮機(jī)的時(shí)間不到30 d，實(shí)現(xiàn)機(jī)房的節(jié)能。從冷媒來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的定壓比熱容為1.004 kJ/（kg·K），水的比熱容為4.2 kJ/（kg·K），對(duì)于單機(jī)柜功率20 kW以上的超高密數(shù)據(jù)中心，可以采用液冷制冷方式，包括冷板式液冷和浸沒(méi)式液冷，從而提升換熱效率。用于阿里浸沒(méi)式液冷的氟化液比熱容和汽化潛熱分別為1 110 kJ/（kg·K）和88 kJ/kg，液體冷卻可以提供更好的換熱效果，從而液冷技術(shù)可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心高功率、高密部署、低PUE的使用需求［5］。主機(jī)房的空調(diào)形式應(yīng)與氣流組織匹配，采用封閉熱通道技術(shù)，冷熱氣流隔離，減少冷量混合損失，提升制冷效率；通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬尋優(yōu)最佳冷熱通道間距。當(dāng)能夠滿(mǎn)足信息設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)宜加大送回風(fēng)溫差，減少風(fēng)量，降低風(fēng)機(jī)輸送功率，保證冷熱通道的正負(fù)壓和氣流速度均衡，保證每個(gè)機(jī)柜能夠均勻送風(fēng)，減少風(fēng)量不平衡帶來(lái)的空調(diào)能量損失［6］。

3.3.2 電力節(jié)能技術(shù)。數(shù)據(jù)中心是不間斷電源場(chǎng)景，不間斷電源UPS功率是用電容量的1.2～1.5倍，使用節(jié)能超高效模塊化UPS，優(yōu)化供電和冗余結(jié)構(gòu)，使UPS主機(jī)工作在高效低耗區(qū)間內(nèi)，效率達(dá)到97%以上。同時(shí)采用智能在線運(yùn)行模式，效率高達(dá)99%，減少供電損耗。采用預(yù)制化電力模塊，減少低壓供電鏈路路徑，增加主動(dòng)運(yùn)維措施，減少線損和接觸異常帶來(lái)的電損。機(jī)柜區(qū)域采用模塊化智能小母線，更可靠、易維護(hù)、高效率、靈活擴(kuò)容，減少電纜使用。

隨著高壓直流網(wǎng)絡(luò)直流供電技術(shù)的逐步成熟，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)甚至可以直接接入高壓直流供電甚至輸電網(wǎng)絡(luò)，從而免去交流接入的交直流變換環(huán)節(jié)，與大容量高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)合也更為靈活多變，未來(lái)數(shù)據(jù)中心的后備電源系統(tǒng)如果實(shí)現(xiàn)用氫能發(fā)電或儲(chǔ)能技術(shù)替代柴油機(jī)發(fā)電，最終將實(shí)現(xiàn)100%的綠電使用和零碳數(shù)據(jù)中心［7］。

在清潔能源使用上，鼓勵(lì)企業(yè)購(gòu)買(mǎi)綠色電力。通過(guò)建立綠色電力購(gòu)買(mǎi)與碳排放抵消政策，暢通綠色電力采購(gòu)渠道。推廣鋰電池使用，探索氫燃料電池和氫能在數(shù)據(jù)中心不同場(chǎng)景電源應(yīng)用方案。推進(jìn)新型儲(chǔ)能技術(shù)、智能光伏與供配電技術(shù)的融合應(yīng)用［8］。

3.3.3 ICT設(shè)備節(jié)能技術(shù)。ICT設(shè)備的高效節(jié)能技術(shù)包括全閃存化存儲(chǔ)、全光纖化網(wǎng)絡(luò)、無(wú)損以太網(wǎng)絡(luò)等，都可應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心節(jié)能提效。全閃存化存儲(chǔ)在相同的容量下，閃存相較于HDD的電力能耗降低70%，功耗大幅降低，能夠進(jìn)一步壓縮產(chǎn)生同等業(yè)務(wù)輸出的總能耗，同時(shí)占用空間節(jié)約50%。全光纖化網(wǎng)絡(luò)用光纖替代傳統(tǒng)的銅芯通信線纜可以大幅提高網(wǎng)絡(luò)的高比特?cái)?shù)據(jù)傳輸能力以及大吞吐量的交叉能力，并且傳輸距離更長(zhǎng)，布線也更加靈活。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)，節(jié)約了大量用于傳統(tǒng)通信線纜中的銅、鋁等金屬材料，而光纖中所采用的玻璃或塑料等芯材制造過(guò)程能耗更少，尤其是這類(lèi)材料耐腐蝕性能更好，壽命更長(zhǎng)，在長(zhǎng)期角度能夠減少運(yùn)維產(chǎn)生的成本與能耗排放。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能采用單板級(jí)相變散熱技術(shù)和毫秒級(jí)切換電源模塊技術(shù)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，能耗降低約50%的能耗。

3.3.4 儲(chǔ)能與回收技術(shù)。由于數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)負(fù)載的波動(dòng)與光伏、風(fēng)電等可再生能源產(chǎn)生波動(dòng)的峰谷并不匹配，還可以增加適度的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)的能源供應(yīng)進(jìn)行削峰填谷，從而提高可再生能源的使用比例，降低對(duì)傳統(tǒng)火電的依賴(lài)程度。儲(chǔ)能通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)電力存儲(chǔ)，鋰電由于其高能量密度、高輸出電壓等特點(diǎn)成為下一代數(shù)據(jù)中心后備儲(chǔ)能方案之一?！半p路市電+儲(chǔ)能”替代“雙路市電+一路油機(jī)”，儲(chǔ)能系統(tǒng)替代柴油發(fā)電機(jī)能有效減少碳排放和污染物排放。谷歌在比利時(shí)的StGhislain數(shù)據(jù)中心就采用鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)替代同等裝機(jī)容量的柴油發(fā)電機(jī)。國(guó)內(nèi)國(guó)家電網(wǎng)旗下公司也落地了不少融合儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心、變電站等多項(xiàng)城市基礎(chǔ)實(shí)施的“多站合一”項(xiàng)目。

在能源循環(huán)與階梯利用方面，大型數(shù)據(jù)中心特別是園區(qū)內(nèi)部可以將機(jī)房回收的冷凍水余熱通過(guò)熱泵機(jī)組二次升溫，為園區(qū)內(nèi)其他建筑或周邊社區(qū)提供供暖熱源。在夏季制冷工況下，熱泵機(jī)組可用于制冷，可作為數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的部分冗余配置。技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，可采用吸收式冷水機(jī)組熱回收，這樣既提高了機(jī)房冷卻效果又減少了能耗［9］，余熱回收技術(shù)原理如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)低碳數(shù)據(jù)中心的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、政策的解讀，分析了目前數(shù)據(jù)中心低碳建設(shè)的技術(shù)方向。未來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)將從選址規(guī)劃、能源選用、技術(shù)方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選用、運(yùn)行維護(hù)等各個(gè)方面發(fā)揮踐行碳中和的要求及碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。全壽命周期的低能耗離不開(kāi)新型能源技術(shù)的發(fā)展，包括制冷技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、電源技術(shù)。綠電交易與碳排放的交易核算上既需要國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策的支持，也需要商業(yè)與方案上的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國(guó)信息通信研究院.低碳數(shù)據(jù)中心發(fā)展白皮書(shū)［R］.2021.

［2］高書(shū)辰，潘京津.我國(guó)數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展現(xiàn)狀與路徑分析［J］.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2021（12）：53-54，58.

［3］陳心拓，周黎旸，張程賓，等.綠色高能效數(shù)據(jù)中心散熱冷卻技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2022，24（4）：94-104.

［4］于慶友.“碳中和”背景下數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維與管理［J］.電氣應(yīng)用，2021，40（9）：4-6.

［5］王艷松，張琦，孫聰，等.數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)發(fā)展分析［J］.電力信息與通信技術(shù)，2021，19（12）：69-74.

［6］金和平.零碳數(shù)據(jù)中心的實(shí)現(xiàn)路徑研究與實(shí)踐［J］.水電與抽水蓄能，2022，8（5）：1-5，10.

［7］侯永濤，王蕾.“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)發(fā)展方向探討［J］.郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2022（12）：66-70.

［8］工信部.信息通信行業(yè)綠色低碳發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃［R］.2022.

［9］許幸榮，劉琪，夏俊杰，等.大型數(shù)據(jù)中心低碳解決方案的現(xiàn)狀、趨勢(shì)和對(duì)策建議［J］.信息通信技術(shù)，2022，16（4）：16-22.

［10］國(guó)家信息中心.“碳達(dá)峰、碳中和”背景下數(shù)據(jù)中心綠色高質(zhì)量發(fā)展研究報(bào)告［R］.2022.