“東數(shù)西算”背景下數(shù)據(jù)中心碳減排效益分析

周瑜，張煒樂，段婉婷

內(nèi)蒙古大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021

0 引言

（1）算力的發(fā)展背景

近年來，隨著5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)逐漸與數(shù)字化相融合，數(shù)字經(jīng)濟也逐漸成為改變?nèi)蚋偁幐窬值闹匾α俊０l(fā)展數(shù)字經(jīng)濟是在當(dāng)今時代浪潮下的戰(zhàn)略選擇，而算力作為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的強引擎、數(shù)字經(jīng)濟時代的核心競爭力，近年來人們對它的需求呈急速增長態(tài)勢，積累數(shù)據(jù)資源、提升算力水平、做大做強算力產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為許多國家的共同目標(biāo)。在這樣的背景之下，2020年12月23日，國家發(fā)展改革委、工信部等部委在《關(guān)于加快構(gòu)建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導(dǎo)意見》中提出“推動算力資源服務(wù)化”，對算力資源的需求結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。2022年，我國正式啟動“東數(shù)西算”工程[1]，構(gòu)建全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)。

作為承接算力的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)據(jù)中心近年來也如雨后春筍般涌現(xiàn)在全國各地。圖1顯示了2017—2022年我國數(shù)據(jù)中心的機架規(guī)模及其變化，從中可以看出，近6年來數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模年增速基本維持在30%左右，算力發(fā)展水平飛速提高。

圖1 2017—2022年我國數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模及變化

從數(shù)據(jù)中心的布局來看，當(dāng)前我國的數(shù)據(jù)中心主要集中在長三角、粵港澳大灣區(qū)和京津冀等較為發(fā)達的地區(qū)，算力需求也集中在這些地區(qū)。截至2021年年底，北京及周邊、上海及周邊的數(shù)據(jù)中心機架數(shù)量在全國分別占比第一、第二，但是受到土地資源、能耗指標(biāo)等因素的制約，這些地區(qū)的數(shù)據(jù)中心無法滿足日益增長的算力需求。而西部地區(qū)對算力、存儲能力的需求較小，數(shù)據(jù)中心的布局較為分散，且整體利用率偏低[2]，出現(xiàn)了算力資源過剩的情況。這就造成了當(dāng)前數(shù)據(jù)中心算力資源在地理位置上的分布不均衡的局面，同時也使數(shù)據(jù)中心對數(shù)字經(jīng)濟的實際價值未能完全體現(xiàn)。

（2）發(fā)展的能耗問題

與數(shù)據(jù)中心規(guī)模的高速擴張并行的是各類能源消耗的急速增長，由于我國電力的主要來源為燃料的火電，巨量的電能消耗對應(yīng)著大量的二氧化碳排放。2021年數(shù)據(jù)中心耗電量已經(jīng)超過了2 000億千瓦時，占到全社會用電量的2.6%，碳排放量則占到全國的1.14%。據(jù)估計，我國的數(shù)據(jù)中心在2030年將消耗400億千瓦時的電力，占全國用電量的4%。此外，數(shù)據(jù)中心的高碳排放量問題也愈發(fā)地受到重視，在這樣的背景下，數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展受到了數(shù)據(jù)中心能耗問題的約束，而解決該問題就成了數(shù)字經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展的頭等大事。為此，國家提出要進行“東數(shù)西算”工程，通過在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏8個地區(qū)建設(shè)算力樞紐節(jié)點，打造數(shù)據(jù)中心集群，把算力資源集中化、規(guī)?；?。通過把東部地區(qū)待處理的計算任務(wù)合理分配到西部地區(qū)進行處理，打通東西部地區(qū)算力資源的通道，做到算力資源的共享、流通。

“東數(shù)西算”工程可有效提高我國算力資源的利用率[3]。相較于東部地區(qū)，西部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心憑借著自然資源稟賦在節(jié)能減排上具有很大的潛力。一方面是西部地區(qū)豐富的可再生能源?？稍偕茉醋鳛槟茉崔D(zhuǎn)型的核心，具有高效、清潔、低碳、環(huán)保等特點，從“東數(shù)西算”工程的4個西部算力節(jié)點來看，貴州地區(qū)有豐富的水電資源，其他3個地區(qū)則有豐富的風(fēng)電資源[4]。將該資源充分應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心之上，既能降低能耗與碳排放量，又能對西部地區(qū)清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到激勵作用。另一方面是西部地區(qū)的氣候因素。西部地區(qū)的氣候較為涼爽，平均溫度較低，數(shù)據(jù)中心在很多時間僅依靠自然冷風(fēng)便能起到降溫的效果，節(jié)約了制冷設(shè)備上的能耗，起到了節(jié)能降碳的作用。

（3）工作負載的轉(zhuǎn)移

數(shù)據(jù)中心的工作負載在時空上具有靈活性[5]。在空間維度上，數(shù)據(jù)中心的工作任務(wù)可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)從一個數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移到另一個數(shù)據(jù)中心進行處理。在時間維度上，數(shù)據(jù)中心需要處理的工作負載具有較大的隨機性和不確定性[6]，但是只要在該工作任務(wù)的截止日期之前完成即可，除去那些時效性要求較高的工作任務(wù)，其他非實時任務(wù)可以適當(dāng)?shù)剡M行延遲處理。在“東數(shù)西算”工程中，時效性要求較高的工作任務(wù)主要安排在當(dāng)?shù)財?shù)據(jù)中心進行處理，而那些對時效性要求不高的工作任務(wù)，則可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到西部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心進行處理。

由于高計算請求，數(shù)據(jù)中心每天都在消耗著巨大的能量，同時也造成了大量的碳排放，節(jié)能減排成為制約數(shù)據(jù)中心發(fā)展的主要障礙之一。學(xué)者們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，可以利用數(shù)據(jù)中心在工作負載上的靈活性這一特點，通過負載轉(zhuǎn)移[7]來降低能耗與碳排放量。Sajid等人[8]基于數(shù)據(jù)中心的地理分布對能耗成本優(yōu)化問題進行了研究，并提出了一種基于區(qū)塊鏈的分散式工作負載分布和管理模型；通過引入基于區(qū)塊鏈的安全工作負載調(diào)度方法，考慮了電價和工作負載到達過程的時空差異，提出了地理分布式數(shù)據(jù)中心能源成本優(yōu)化問題的基本方法。Guo等人[9]提出數(shù)據(jù)中心具有空間轉(zhuǎn)移能源消耗的能力，可以通過將數(shù)據(jù)中心的工作負載轉(zhuǎn)移至低電價地區(qū)來降低能耗成本。Ammari等人[10]認為數(shù)據(jù)中心負載轉(zhuǎn)移過程可以通過使用螢火蟲算法來實現(xiàn)，在保證服務(wù)可靠性的前提下進行調(diào)度。

上述學(xué)者都證明了數(shù)據(jù)中心的工作負載轉(zhuǎn)移是可行的，但是他們只關(guān)注了負載轉(zhuǎn)移在能耗成本上的效益，對其在節(jié)能減排效益上未做深入研究。部分學(xué)者[11-13]的研究更深一步，對數(shù)據(jù)中心的負載轉(zhuǎn)移在節(jié)能減排上的潛力進行了挖掘，提出數(shù)據(jù)中心的負載轉(zhuǎn)移可以與可再生能源相結(jié)合，達到節(jié)能減排的目的。可再生能源的生成受到光照、風(fēng)力等因素的影響，因此具有不穩(wěn)定性，同時數(shù)據(jù)中心因需要持續(xù)的能源供給，故而可再生能源無法直接應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心。Kwon[11]將可再生能源與數(shù)據(jù)中心的儲能系統(tǒng)相結(jié)合，在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下降低了數(shù)據(jù)中心的電網(wǎng)用電。Peng等人[12]通過將數(shù)據(jù)中心的電力來源在電網(wǎng)能源、UPS系統(tǒng)和可再生能源之間進行切換，將數(shù)據(jù)中心峰值負載時期的工作轉(zhuǎn)移至可再生能源產(chǎn)出時期進行處理，降低了數(shù)據(jù)中心的碳排放量。Goiri等人[13]構(gòu)建了名為GreenSlot的工作調(diào)度器，通過預(yù)測不久后可再生能源的產(chǎn)出量來進行工作負載的調(diào)度，提高清潔能源的使用率。

隨著地理分布式數(shù)據(jù)中心的出現(xiàn)，學(xué)者們的目光逐漸投向了處在不同地理位置的數(shù)據(jù)中心之間的負載轉(zhuǎn)移。Bird等人[14]對分布式數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用進行了分析，認為可以通過構(gòu)建一個小型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，將多個數(shù)據(jù)中心納入其中，根據(jù)各地可再生能源的產(chǎn)出情況來進行工作負載的轉(zhuǎn)移。Thimmel等人[15]也提出，由于可再生能源具有間歇性特性且不宜進行轉(zhuǎn)移，每年的棄風(fēng)棄光量極大，因此可以把數(shù)據(jù)中心作為媒介，通過轉(zhuǎn)移工作負載來提高可再生能源的利用率，同時對于數(shù)據(jù)中心來說也能起到節(jié)能降碳的作用。Niu等人[16]對工作任務(wù)的負載情況進行了分析預(yù)測，通過負載轉(zhuǎn)移將工作負載與可再生能源在時間上進行匹配，優(yōu)化了調(diào)度過程帶來的效益。Zheng等人[17]分析了數(shù)據(jù)中心的負載遷移在可再生能源利用和溫室氣體排放方面的潛力，通過模擬數(shù)據(jù)中心的工作負載從化石能源利用率高的PJM地區(qū)轉(zhuǎn)移到可再生能源利用率高的CAISO地區(qū)，認為數(shù)據(jù)中心在減少碳排放量方面具有很大的潛力。

數(shù)據(jù)中心在地理位置之間的負載轉(zhuǎn)移，不僅可以通過應(yīng)用可再生能源來達到降低能耗與碳排放量的目的，氣候條件也是一項很重要的影響因素。數(shù)據(jù)中心的核心設(shè)備——服務(wù)器在運行時會產(chǎn)生大量的熱量，而其自身溫度過高會影響其自身的性能，因此需要對應(yīng)的降溫措施。當(dāng)前大多數(shù)數(shù)據(jù)中心采用的是空調(diào)制冷的方式，而空調(diào)等制冷設(shè)備又是高能耗設(shè)備，據(jù)分析，數(shù)據(jù)中心的用電占比中，制冷設(shè)備最高可達30%[18]，僅次于服務(wù)器的功耗。雖然目前已有許多諸如液冷[19]等低能耗降溫措施，但是這些技術(shù)因自身條件的限制未得到廣泛使用，制冷設(shè)備的高能耗依舊是影響數(shù)據(jù)中心發(fā)展的一個重要問題。數(shù)據(jù)中心的工作負載轉(zhuǎn)移至氣候涼爽、溫度低的地區(qū)[20]，在一定的時間內(nèi)可以通過自然冷卻來給服務(wù)器降溫，有效地降低空調(diào)等制冷系統(tǒng)的能耗。Deymi-Dashtebayaz等人[21]對伊朗的10個不同氣候條件下的城市里的數(shù)據(jù)中心進行了研究，證明了相同配置下數(shù)據(jù)中心的能耗會因為氣候條件的不同而不同。Cho等人[22]認為處于氣候涼爽地區(qū)的數(shù)據(jù)中心具有節(jié)能潛力，可以使用自由冷卻技術(shù)來充分利用自然風(fēng)等因素降低數(shù)據(jù)中心的能耗。Liu等人[23]認為處于不同氣候條件下的數(shù)據(jù)中心的節(jié)能潛力不同，并通過改變自由冷卻技術(shù)的參數(shù)得到了數(shù)據(jù)中心的最大節(jié)能效益。上述研究說明，數(shù)據(jù)中心可以通過將工作負載轉(zhuǎn)移至氣候適宜的地區(qū)來降低制冷設(shè)備的能耗，從而降低數(shù)據(jù)中心的總體能耗與碳排放量。

以上研究說明了數(shù)據(jù)中心可以通過工作負載的轉(zhuǎn)移來提高清潔能源的利用率或利用自然冷源，從而降低數(shù)據(jù)中心的能耗并減少碳排放量。在“東數(shù)西算”背景下，數(shù)據(jù)中心的負載轉(zhuǎn)移由可再生能源利用率較小的東部數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移到可再生能源利用率較大的西部數(shù)據(jù)中心，并且是由不宜使用自然冷源的地區(qū)轉(zhuǎn)移至適宜使用自然冷源的地區(qū)。關(guān)于清潔能源的應(yīng)用大多數(shù)學(xué)者考慮的是將清潔能源與工作負載在時間上的匹配，為了應(yīng)對可再生能源產(chǎn)生的間歇性特點，將工作負載轉(zhuǎn)移到可再生能源產(chǎn)出的時間段上，提高可再生能源的利用率。關(guān)于自然冷源的應(yīng)用，現(xiàn)有研究也都集中在同一地區(qū)在使用自然冷源前后的能耗變化，并未對不同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心使用自然冷源前后的能耗變化進行研究。上述研究對本文具有參考意義，但卻無法應(yīng)用在“東數(shù)西算”的背景之下，并且鮮有研究將清潔能源和自然冷源相結(jié)合進行分析。本文則將兩個因素相結(jié)合，并考慮了工作負載傳輸過程新建傳輸管道的額外碳排放量，使用了碳排放因子法[24]對“東數(shù)西算”工程中負載轉(zhuǎn)移過程的碳排放效益進行分析，并以“東數(shù)西算”工程的八大節(jié)點為研究對象進行算例分析，通過分析結(jié)果為算力承接點提供發(fā)展建議。

1 碳排放量核算方法

當(dāng)前國際上關(guān)于碳排放量的核算方法并未形成一致的意見，應(yīng)用較為廣泛的方法主要有實測法、物料平衡法和排放因子法等。本文使用排放因子法來進行碳排放量的計算，該方法是由IPCC（政府間氣候變化專門委員會）提出的，又叫碳排放系數(shù)法。

1.1 考慮可再生能源

東部地區(qū)與西部地區(qū)的發(fā)電結(jié)構(gòu)中各發(fā)電類型的發(fā)電量占比并不相同。相較于東部地區(qū)，西部地區(qū)的發(fā)電結(jié)構(gòu)中可再生能源發(fā)電量占比較高。假設(shè)在東西部地區(qū)的發(fā)電結(jié)構(gòu)由火力發(fā)電和可再生能源發(fā)電兩者構(gòu)成，僅考慮發(fā)電結(jié)構(gòu)中各發(fā)電類型發(fā)電量占比的不同，相同的數(shù)據(jù)中心在處理相同的工作負載時，消耗的電力是相同的。故西部數(shù)據(jù)中心在接收來自東部數(shù)據(jù)中心的工作負載的過程中減少的碳排放量可表達為：

其中，Ei為數(shù)據(jù)中心在處理工作負載時消耗的電力，Cf為火力發(fā)電的碳排放因子，Cr為可再生能源發(fā)電的碳排放因子，m是東部地區(qū)發(fā)電結(jié)構(gòu)中的火力發(fā)電占比，n是西部地區(qū)發(fā)電結(jié)構(gòu)中的火力發(fā)電占比。

1.2 考慮氣候因素

數(shù)據(jù)中心的能耗有很大一部分來自冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)耗電量是衡量數(shù)據(jù)中心能耗利用率的一項重要因素。在西部地區(qū)，由于氣候較為涼爽，服務(wù)器產(chǎn)生的熱量有相當(dāng)一部分可以通過自然冷卻消散，因此冷卻系統(tǒng)消耗的能量會相對減少，從而降低數(shù)據(jù)中心的電能使用效率（PUE）[25]，提高數(shù)據(jù)中心的電能使用效率。

本節(jié)共列舉兩種方法用來計算冷卻設(shè)備在不同地區(qū)消耗的能源，但在模型構(gòu)建和算例分析時僅考慮第一個方法。

方法1：PUE是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的基本和有效的指標(biāo)之一，是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源的比值。PUE值越接近1，表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高。當(dāng)PUE值超過1時，則表示數(shù)據(jù)中心需要額外電力開銷以支持IT負載。因此，PUE的值越高，數(shù)據(jù)中心的整體效率越低。

數(shù)據(jù)中心電能使用效率的計算式如下：

其中，EA為數(shù)據(jù)中心的總能耗，EIT為數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的能耗。

由于氣候因素，東西部地區(qū)冷卻系統(tǒng)的用電量不同，東部地區(qū)與西部地區(qū)相同規(guī)格的數(shù)據(jù)中心PUE值也不同。令

其中，PUEe代表東部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的PUE值，PUEw代表西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的PUE值，Ee代表東部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的能耗，Ew代表西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的能耗，代表東部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的IT負載，代表西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的IT負載。

東部數(shù)據(jù)中心與西部數(shù)據(jù)中心在處理相同的工作負載時，IT設(shè)備消耗的能源是相同的，將兩式結(jié)合可得：

西部地區(qū)與東部地區(qū)數(shù)據(jù)中心耗電比等于兩地數(shù)據(jù)中心PUE之比。式（5）表示數(shù)據(jù)中心在東部地區(qū)處理一定的工作負載消耗能源為Ee時，將該工作負載轉(zhuǎn)移至西部數(shù)據(jù)中心消耗的能源為（其中

將可再生能源的因素加入進行考慮：

得到數(shù)據(jù)中心在負載轉(zhuǎn)移過程中由可再生能源和氣候因素造成的碳排放量的變化量：

其中，Ce代表東部數(shù)據(jù)造成的碳排放量，We代表西部數(shù)據(jù)中心造成的碳排放量。

方法2：有機構(gòu)估算稱，即使按照工業(yè)平均電價每千瓦時0.5元來計算，數(shù)據(jù)中心所在地氣溫每降低1℃，10萬臺服務(wù)器的標(biāo)準數(shù)據(jù)中心機房每天可節(jié)約9.6萬元。據(jù)此可推算：數(shù)據(jù)中心所在地氣溫每降低1℃，一臺服務(wù)器每天可節(jié)約0.96元，節(jié)省電力1.92千瓦時。在負載轉(zhuǎn)移的過程中，一臺服務(wù)器在一年內(nèi)因東西部地區(qū)氣候溫度的不同而節(jié)約的電力為：

其中，Te表示東部數(shù)據(jù)中心在一年內(nèi)每天平均溫度的累加值，Tw表示西部數(shù)據(jù)中心在一年內(nèi)每天平均溫度的累加值。

其中，Va,b表示服務(wù)器數(shù)量為N1的數(shù)據(jù)中心a和b因溫度差距而造成的碳排放量差值。

1.3 考慮傳輸過程

數(shù)據(jù)中心之間負載的轉(zhuǎn)移，不可避免地需要搭建光纖線路，在此過程中會造成額外的碳排放。此過程中的碳排放來源主要有兩點：鋪設(shè)管道和磚砌手孔。生命周期評估方法[26]是電子工業(yè)中的一種重要的評價方法，可用于量化相關(guān)電子產(chǎn)品的碳排放。考慮到工作負載的傳輸過程，本文主要計算相關(guān)設(shè)備制造、運輸階段造成的生命周期碳排放。

（1）制造階段

該部分主要考慮的是搭建傳輸通道需要的原材料在制造過程中造成的碳排放。長距離的光纖搭建普遍使用的是地埋式，使用的管道為PVC工程塑料。PVC在生產(chǎn)過程中主要是有兩方面的碳排放：一方面是在生產(chǎn)過程中因化學(xué)反應(yīng)造成的直接碳排放，另一方面是在生產(chǎn)過程中消耗能源造成的間接碳排放。

則東部數(shù)據(jù)中心與西部數(shù)據(jù)中心之間因使用PVC管道而造成的額外碳排放量為：

其中，Cpvc代表的是生產(chǎn)1米PVC管道造成的碳排放量，是東部與西部數(shù)據(jù)中心之間的距離，單位為米。

長途鋪設(shè)管道的過程中需要搭建人（手）孔來保證管道的安全，按照規(guī)定長途管道手孔設(shè)置間隔不應(yīng)超過1 km。

建造一個磚砌手孔的碳排放量為：

其中，i代表的是材料種類，Ci代表的是各種材料的碳排放因子，Mi代表的是各種材料的質(zhì)量。

故傳輸過程中相關(guān)材料的制造造成的額外碳排放量為：

其中，CEm是制造階段的碳排放量，Vp是生產(chǎn)PVC管道造成的碳排放量，Vh是建造一個磚砌手孔造成的碳排放量，S是磚砌手孔的數(shù)量。

（2）運輸階段

道路運輸是相關(guān)設(shè)備的最主要運輸方式，工作負載遷移需要的設(shè)備從生產(chǎn)地轉(zhuǎn)移到施工處，運輸過程則需要消耗相應(yīng)的燃料能源，造成額外的碳排放。根據(jù)道路運輸?shù)奶寂欧畔禂?shù)、材料消耗量和運輸距離，計算運輸階段的碳排放量，如下式所示：

其中，CEt為運輸階段的碳排放量，j為材料類型，qj為j的量，dj為j的生產(chǎn)地點到基站的距離，fj為j的運輸車輛的碳排放系數(shù)。

（3）傳輸過程的總碳排放

在工作負載遷移的過程中造成的總碳排放量根據(jù)生命周期評估法計算如下：

1.4 碳排放量總變化值

在考慮可再生能源的使用、氣候因素、傳輸過程3個因素的情況下，數(shù)據(jù)中心進行負載遷移造成的碳排放量的變化值為：

2 算例分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

（1）發(fā)電結(jié)構(gòu)及PUE值

“東數(shù)西算”工程各個節(jié)點的火力發(fā)電占比，本文采用的數(shù)據(jù)是來自國家統(tǒng)計局統(tǒng)計的2021年全國各個地區(qū)的發(fā)電結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其中京津冀樞紐考慮的是張家口集群所處的河北省的發(fā)電結(jié)構(gòu)，長三角樞紐考慮的是蕪湖集群所處的安徽省的發(fā)電結(jié)構(gòu)，具體信息見表1。本文假設(shè)東部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的PUE值均為1.5，西部數(shù)據(jù)中心的PUE值均為1.3。

表1 2021年各地區(qū)發(fā)電結(jié)構(gòu)

（2）傳輸通道建設(shè)

尚建選等人[27]經(jīng)過計算得出PVC在生產(chǎn)過程中造成的總碳排放量為7.4 tCO2e/t PVC。PVC塑料管道的密度為1.34 g/cm3，目前常用的PVC管道的規(guī)格為外徑110 mm，內(nèi)徑100 mm，通過計算可得規(guī)格為110 mm×100 mm、長度為1 m的PVC管道的質(zhì)量為22.09 g，碳排放量為0.1635 kg。故鋪設(shè)長度為1 m的PVC管道所消耗原材料造成的碳排放量為0.1635 kg。

磚砌手孔的材料清單見表2。結(jié)合各類材料的碳排放因子，經(jīng)計算可知一個規(guī)格為90 cm×120 cm的磚砌手孔的碳排放量為678 kg，在實際生活中，磚砌手孔之間的間隔不得超過1 km。本文以1 km為間隔計算磚砌手孔的數(shù)量。

表2 磚砌手孔的材料清單（90 cm×120 cm）

根據(jù)《建筑碳排放計算標(biāo)準》可知，在進行建材運輸階段碳排放量計算時，混凝土的默認運輸距離值應(yīng)為40 km，其他建材的默認運輸距離值應(yīng)為500 km。各類運輸方式的碳排放因子見表3。

表3 各類運輸方式的碳排放因子

2.2 結(jié)果分析

從表4的計算結(jié)果來看，在僅考慮可再生能源的應(yīng)用和氣候因素的情況下，數(shù)據(jù)中心將一定量的工作負載從京津冀地區(qū)轉(zhuǎn)移至內(nèi)蒙古地區(qū)時，該工作負載在京津冀地區(qū)每消耗1 kw·h的電力,在進行轉(zhuǎn)移處理后就能減少0.2166 kg的碳排放量。通過對比東部三大數(shù)據(jù)節(jié)點分別向西部四大計算節(jié)點進行負載轉(zhuǎn)移的碳排放減少量可知，東部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心向甘肅省的數(shù)據(jù)中心集群進行轉(zhuǎn)移時單位降碳量最高，內(nèi)蒙古地區(qū)其次，之后則是貴州和寧夏。甘肅省單位降碳量最高主要是因為該地區(qū)近年來依托于豐厚的自然條件大力發(fā)展可再生能源生產(chǎn)技術(shù)，在2021年甘肅省的發(fā)電結(jié)構(gòu)中，風(fēng)力發(fā)電占比達到了16.08%，水力發(fā)電占比則為19.05%。

表4 不同轉(zhuǎn)移路徑下的單位降碳量

匯總以上提到的參數(shù)設(shè)置，通過計算可得數(shù)據(jù)中心在進行負載轉(zhuǎn)移時所需搭建傳輸過程的單位碳排放量為1 557.5 kgCO2e/km。

為了更加明確地分析數(shù)據(jù)中心通過負載轉(zhuǎn)移造成的碳排放變化量，將以上內(nèi)容進行結(jié)合分析。在Zheng等人[17]的研究中，一個有40 000臺服務(wù)器且功率為10 MW的數(shù)據(jù)中心在一周內(nèi)的總能耗為2 190 577 kW·h。本文以如此規(guī)格的數(shù)據(jù)中心進行研究。研究結(jié)果見表5，第二列表示案例數(shù)據(jù)中心在一周內(nèi)減少的碳排放量，第三列則是按照傳輸通道使用壽命為50年進行計算得出在一周內(nèi)的碳排放量。

表5 不同負載轉(zhuǎn)移路徑下的碳排放量變化情況

從上述分析結(jié)果來看，相較于因為可再生能源和氣候因素而降低的碳排放量，因為搭建傳輸通道而增加的碳排放量是極低的，在“東數(shù)西算”的背景下進行數(shù)據(jù)中心負載轉(zhuǎn)移對于節(jié)能降碳來說起到了正向促進作用。

2.3 靈敏度分析

靈敏度分析是模型參數(shù)不確定性分析的一部分，它主要分析模型參數(shù)在取值范圍內(nèi)發(fā)生少量變化而導(dǎo)致模型輸出結(jié)果的變化。本節(jié)以可再生能源利用率、算力承接點PUE值為自變量，以碳減排效益為因變量，完成負載轉(zhuǎn)移過程的靈敏度分析。其他參數(shù)保持不變，具體設(shè)置如下：數(shù)據(jù)中心在處理工作負載時消耗的電力為1 kW·h，東部地區(qū)火力發(fā)電占比為85%，火力發(fā)電碳排放因子為0.81 kgCO2e/(kW·h)，可再生能源碳排放因子為0，東部地區(qū)數(shù)據(jù)中心PUE值為1.5。

西部地區(qū)PUE值對于碳減排效益來說有重要影響。PUE指的是一個數(shù)據(jù)中心的電能使用效率，它越小越好，且最低值為1。PUE可用來衡量一個數(shù)據(jù)中心中非IT設(shè)備的用電量，西部地區(qū)憑借著涼爽的天氣可降低制冷系統(tǒng)的用電量，從而降低數(shù)據(jù)中心的PUE值，并同時減少碳排放量。在保持其他參數(shù)不變的條件下，分析西部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心PUE值對碳減排效益的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 碳減排效益隨西部地區(qū)PUE值的變化

由圖2可知，西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心PUE值與碳減排效益呈反比關(guān)系，PUE值每降低10%，碳減排效益就能提升3.24%，PUE值最低為1，此時的碳減排效益為0.365 kgCO2e/(kW·h)。

可再生能源的比例對于碳減排效益來說有著重要影響。西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心對可再生能源的消納程度更大，意味著減少的碳排放量越多。在保持其他條件不變的條件下，分析西部地區(qū)可再生能源的比例對碳減排效益的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 碳減排效益隨西部地區(qū)可再生能源比例的變化

由圖3可知，西部地區(qū)可再生能源比例與碳減排效益呈正比，可再生能源比例每增加10%，碳減排效益就能提升7.37%。可再生能源比例最高為100%，此時的碳減排效益為0.6885 kgCO2e/(kW·h)。

3 結(jié)論與建議

本文針對“東數(shù)西算”背景下數(shù)據(jù)中心的負載轉(zhuǎn)移帶來的減排問題，在考慮可再生能源和氣候條件的基礎(chǔ)上構(gòu)建了碳排放量核算模型，并使用生命周期評估方法充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸過程所需搭建傳輸通道造成的額外碳排放。研究結(jié)果如下。①不同地區(qū)用電結(jié)構(gòu)中可再生能源的比例和氣候條件的不同會對數(shù)據(jù)中心的碳排放造成影響，在保持數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備能耗不變的條件下，可再生能源比例的提高以及電能使用效率的降低都會對碳排放量的降低起到促進作用。不同的工作負載轉(zhuǎn)移路徑下有不同的單位降碳量，最高碳減排轉(zhuǎn)移路徑主要取決于負載接收方用電結(jié)構(gòu)中的可再生能源比例和PUE值，例如，算例分析中在PUE相同的情況下，甘肅地區(qū)得益于豐厚的自然條件和先進的可再生能源生產(chǎn)技術(shù)，其碳減排能力位于4個地區(qū)的最高水平。②相較于數(shù)據(jù)中心因工作負載轉(zhuǎn)移所減少的碳排放量，傳輸過程中的額外碳排放量可以忽略不計，也就是說“東數(shù)西算”工程具有顯著且正向的碳減排效益。③以算力承接點的可再生能源利用率和PUE值為自變量對碳減排模型進行了靈敏度分析，通過提高數(shù)據(jù)中心的電能使用效率，碳減排效益最高可為0.365 kgCO2e/(kW·h)，且當(dāng)數(shù)據(jù)中心的電力完全由可再生能源提供時，碳減排效益為0.6885 kgCO2e/(kW·h)。

本文的研究結(jié)果已經(jīng)證明，依托于算力承接方豐富的自然資源稟賦，負載轉(zhuǎn)移過程會帶來正向的碳減排效益。結(jié)合本文的研究結(jié)果以及“東數(shù)西算”工程的實施路徑，提出以下建議。①提高電能使用效率。作為評判數(shù)據(jù)中心能效關(guān)鍵的指標(biāo)之一，PUE值一直備受重視，數(shù)據(jù)中心應(yīng)選址在平均溫度較低的地區(qū)，通過使用自然冷卻技術(shù)為服務(wù)器制冷創(chuàng)造有利條件，從而降低制冷系統(tǒng)的能耗，提高數(shù)據(jù)中心的電能使用效率。②發(fā)展可再生能源。數(shù)據(jù)中心的未來發(fā)展方向一定是綠色的、節(jié)能的，而可再生能源將會是該過程的關(guān)鍵因素，數(shù)據(jù)中心消納可再生能源具有廣闊的市場，且發(fā)展可再生能源有利于促進生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。研發(fā)更高效、更經(jīng)濟可靠的可再生能源發(fā)電技術(shù)，加大可再生能源的開發(fā)力度，加深可再生能源的消納程度，對解決數(shù)據(jù)中心的能耗問題有重要的作用，同時在儲能技術(shù)上的突破可以減少“棄光棄電”現(xiàn)象的發(fā)生，發(fā)展出數(shù)據(jù)中心和可再生能源有機結(jié)合的綠色新格局。③建立協(xié)作發(fā)展機制。西部地區(qū)可通過土地價格、電力成本、自然資源稟賦和相關(guān)政策來吸引數(shù)據(jù)中心項目落地，同時促進東部地區(qū)的工作負載向西部進行轉(zhuǎn)移，深挖西部地區(qū)的算力資源，通過推動數(shù)據(jù)要素在東西部跨域的流動，帶動?xùn)|部地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)將自身的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)延伸至西部地區(qū)，進而帶動西部地區(qū)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進東西部地區(qū)的協(xié)同聯(lián)動，實現(xiàn)資源的優(yōu)勢互補。④完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在大力發(fā)展數(shù)據(jù)中心的同時，其配套基礎(chǔ)設(shè)施諸如電站與電網(wǎng)的建設(shè)也要并肩前進，避免出現(xiàn)服務(wù)器“等電”的現(xiàn)象。同時東西部地區(qū)之間也要完善跨省網(wǎng)絡(luò)連通，為客戶提供更好更快的網(wǎng)絡(luò)帶寬服務(wù)。