“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心的碳排放核算方法與實(shí)例分析

黃緒剛 趙 輝 楊 旭

一、引言

早在上世紀(jì)九十年代，全世界多數(shù)國(guó)家就已經(jīng)意識(shí)到了溫室氣體會(huì)給人類(lèi)生活造成氣候變暖、冰川融化和海平面升高等自然災(zāi)害。聯(lián)合國(guó)大會(huì)在1992 年5 月9 日通過(guò)了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，旨在將大氣溫室氣體濃度維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。聯(lián)合國(guó)本著服務(wù)于全人類(lèi)的思想不斷對(duì)相關(guān)協(xié)定進(jìn)行補(bǔ)充及修訂，其中較具有代表性和約束力的國(guó)際協(xié)議有《京都議定書(shū)》和《巴黎協(xié)定》，二者都聚焦于溫室氣體排放等熱點(diǎn)問(wèn)題。2020 年，習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話(huà)設(shè)立了“30·60”碳達(dá)峰碳中和總體發(fā)展目標(biāo)，為中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的“40 年長(zhǎng)征”拉開(kāi)序幕。

實(shí)現(xiàn)碳中和的基本路徑之一是減少溫室氣體排放。溫室氣體是指二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等氣體的統(tǒng)稱(chēng)，由于二氧化碳對(duì)全球升溫的貢獻(xiàn)百分比較大，因此研究者通常采用同等二氧化碳排放當(dāng)量來(lái)衡量溫室氣體的排放水平。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外環(huán)保領(lǐng)域?qū)Χ趸嫉葴厥覛怏w的排放評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)總體一致，但根據(jù)不同國(guó)家基本國(guó)情和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素作出相應(yīng)調(diào)整和修正。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)通過(guò)的《2019 年精細(xì)化2006IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》（簡(jiǎn)稱(chēng)《IPCC 指南》）取得國(guó)際上廣泛的認(rèn)可，指引世界多數(shù)國(guó)家建立溫室氣體核算體系。其采用國(guó)家和區(qū)域?qū)用娼y(tǒng)一的排放因子和活動(dòng)數(shù)據(jù)促使各國(guó)制定透明、可比較的計(jì)算方法，盡可能降低誤差。在中國(guó)，國(guó)家發(fā)改委于2013 年出臺(tái)首批10 個(gè)行業(yè)的企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（下文簡(jiǎn)稱(chēng)《行業(yè)指南》），并在隨后兩年相繼發(fā)布14 個(gè)《行業(yè)指南》。隨著國(guó)家、地方、企業(yè)三級(jí)溫室氣體排放核算工作體系的持續(xù)構(gòu)建，中國(guó)溫室氣體排放數(shù)據(jù)衡量制度逐步建立且排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善。

二、數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

2022 年中國(guó)信息通信研究院發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心白皮書(shū)》認(rèn)為，“數(shù)據(jù)中心是算力的物理承載，是數(shù)字化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施”。近年來(lái)，國(guó)家高度重視數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先后出臺(tái)多種政策鼓勵(lì)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展全面演進(jìn)，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心發(fā)展面向大型化、智能化、綠色化。

隨著“東數(shù)西算”工程的實(shí)施和多樣化的數(shù)據(jù)中心算力需求增加，數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)及其建設(shè)數(shù)目逐漸增多提升了以數(shù)據(jù)中心為代表的信息通信業(yè)溫室氣體排放貢獻(xiàn)比，大量數(shù)據(jù)中心的開(kāi)發(fā)與建設(shè)帶來(lái)的溫室氣體排放增多問(wèn)題日益顯現(xiàn)。目前，全國(guó)碳市場(chǎng)已納入發(fā)電、石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙和民航等8 個(gè)高能耗行業(yè)，但僅北京、深圳將信息通信行業(yè)納入試點(diǎn)碳市場(chǎng)，國(guó)家層面對(duì)數(shù)據(jù)中心納入碳市場(chǎng)的政策尚不明確。2022 年7 月廣東省人民政府辦公廳發(fā)布的《廣東省發(fā)展綠色金融支持碳達(dá)峰行動(dòng)實(shí)施方案》提出將逐步把交通運(yùn)輸業(yè)、數(shù)據(jù)中心、陶瓷生產(chǎn)、紡織業(yè)等高碳排放領(lǐng)域與超高超限超能耗公共建筑納入碳排放交易試點(diǎn)，這種“試點(diǎn)先行”的方案實(shí)施釋放出數(shù)據(jù)中心即將納入碳市場(chǎng)的重要信號(hào)。因此，數(shù)據(jù)中心應(yīng)及早部署碳排放核算工作，為信息通信行業(yè)全面納入碳市場(chǎng)做出準(zhǔn)備。

依照國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《行業(yè)指南》，國(guó)家層面暫未對(duì)數(shù)據(jù)中心溫室氣體的排放量衡量標(biāo)準(zhǔn)有明確的界定，目前可供參考且較具權(quán)威性的數(shù)據(jù)中心溫室氣體核算方法是由中國(guó)電子協(xié)會(huì)發(fā)布的《數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放核算指南（2021 年版）》。該技術(shù)文件從詞語(yǔ)定義、核算邊界、核算方法、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和報(bào)告編制等多方面提供了一套較為科學(xué)的數(shù)據(jù)中心溫室氣體衡量標(biāo)準(zhǔn)。本文依托南方區(qū)域某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，收集分析大量數(shù)據(jù)并采用上述技術(shù)文件提供的溫室氣體核算方法對(duì)該項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)中心年度溫室氣體排放量進(jìn)行估算，為項(xiàng)目業(yè)主完成碳配額履約提供指導(dǎo)性建議。

三、數(shù)據(jù)中心的碳排放核算方法及步驟

（一）核算步驟

數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放核算和報(bào)告的完整工作流程包括以下步驟：1）確定核算邊界；2）識(shí)別排放源；3）收集活動(dòng)水平數(shù)據(jù)；4）選擇和獲取排放因子數(shù)據(jù)；5）分別計(jì)算化石燃料燃燒排放量、凈購(gòu)入的電力和熱力產(chǎn)生的排放量、廢水厭氧處理的排放量；6）匯總計(jì)算數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放量。

（二）核算邊界

1.組織邊界

以法人數(shù)據(jù)中心或視同法人的獨(dú)立核算數(shù)據(jù)中心為核算邊界，在運(yùn)營(yíng)控制權(quán)下對(duì)所有生產(chǎn)場(chǎng)所和生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生的溫室氣體排放進(jìn)行核算。設(shè)施范圍包括直接生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)。其中，直接生產(chǎn)系統(tǒng)是指一些生產(chǎn)工藝裝置，例如IT 設(shè)備；輔助生產(chǎn)系統(tǒng)則包括廠區(qū)內(nèi)的供水、供電、制冷、采暖等；附屬生產(chǎn)系統(tǒng)包括廠部以及廠區(qū)內(nèi)為生產(chǎn)服務(wù)的職工食堂、車(chē)間浴室等部門(mén)和單位。

2.排放源和溫室氣體種類(lèi)

數(shù)據(jù)中心需要核算的排放源和溫室氣體種類(lèi)包括但不限于：

1）化石燃料燃燒CO2排放。主要指數(shù)據(jù)中心用于動(dòng)力或熱力供應(yīng)的化石燃料（天然氣等）、移動(dòng)源車(chē)輛使用的化石燃料（柴油、汽油等）、食堂消耗的化石燃料（天然氣、液化石油氣等）等燃燒過(guò)程產(chǎn)生的CO2排放。

2）凈購(gòu)入電力和熱力產(chǎn)生的CO2排放。這部分排放由數(shù)據(jù)中心主體的消費(fèi)活動(dòng)引起，需要計(jì)入主體名下，但實(shí)際排放是發(fā)生在生產(chǎn)這些電力和熱力的企業(yè)。

3）工業(yè)廢水厭氧處理生產(chǎn)的CH4排放。指數(shù)據(jù)中心通過(guò)厭氧工藝處理工業(yè)廢水產(chǎn)生的CH4排放。

（三）核算方法

1.匯總公式

數(shù)據(jù)中心的溫室氣體排放總量等于核算邊界內(nèi)所有產(chǎn)生系統(tǒng)的化石燃料燃燒排放量、凈購(gòu)入的電力和熱力產(chǎn)生的排放量、廢水厭氧處理排放量、以及制冷劑逸散產(chǎn)生的排放量之和，其公式如式（1）所示。

式（1）中，E表示CO2排放總量；E燃燒表示化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放總量；E電熱表示凈購(gòu)入使用電力和熱力消費(fèi)產(chǎn)生的CO2排放總量；E廢水表示廢水厭氧處理產(chǎn)生的CO2排放量（計(jì)算時(shí)將CH4排放量折算為同等CO2排放當(dāng)量）；E逸散表示制冷設(shè)備造成的溫室氣體逸散排放量。它們的單位均為tCO2e（噸二氧化碳當(dāng)量）。

2.化石燃料燃燒排放E燃燒

E燃燒的計(jì)算是將數(shù)據(jù)中心在報(bào)告年度內(nèi)各種化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量進(jìn)行求和加總，其公式如式（2）所示。

式（2）中，i表示第i種化石燃料類(lèi)型，共有n種；ADi表示第i種化石燃料的活動(dòng)水平，單位為GJ（百萬(wàn)千焦）；EFi表示第i種化石燃料的CO2排放因子，單位為tCO2/GJ。

1）活動(dòng)水平數(shù)據(jù)獲取ADi

化石燃料燃燒水平是各種化石燃料的消耗量與平均低位發(fā)熱量的乘積，按式（3）計(jì)算。

式（3）中，F(xiàn)Ci表示第i種燃料的凈消耗量；NCVi表示第i種燃料的平均低位發(fā)熱量。

2）排放因子數(shù)據(jù)獲取EFi

排放因子計(jì)算公式如式（4）所示。

式（4）中，CCi表示第i種燃料的單位熱值含碳量，單位為tC/GJ（噸碳/百萬(wàn)千焦）；OFi表示第i種燃料的碳氧化率，單位為%。

3.凈購(gòu)入電力和熱力產(chǎn)生的排放E電熱

E電熱可拆分為凈購(gòu)入電力產(chǎn)生的排放E電和凈購(gòu)入熱力產(chǎn)生的排放E熱，其公式如式（5）所示。

其中，E電和E熱的計(jì)算公式分別如式（6）式（7）所示。

式（6）式（7）中，AD電表示凈購(gòu)入電量，單位為MWh（兆瓦時(shí)）；AD熱表示凈購(gòu)入熱力，單位為GJ（百萬(wàn)千焦）；EF電表示區(qū)域電網(wǎng)年平均供電排放因子，單位為tCO2/MWh（噸二氧化碳/兆瓦時(shí)）；EF熱表示年平均供熱排放因子，單位為tCO2/GJ（噸二氧化碳/百萬(wàn)千焦）。

國(guó)家氣候戰(zhàn)略中心2014 年發(fā)布了2012 年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)平均CO2排放因子，如表1 所示。電力消費(fèi)的排放因子應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心所在地及目前的華北、東北、華東、華中、西北等區(qū)域劃分。熱力消費(fèi)因子一般取值0.11tCO2/GJ。

表1 2012 年中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)平均CO2 排放因子（tCO2/MWh）

4.廢水厭氧處理的排放E廢水

E廢水是數(shù)據(jù)中心在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水經(jīng)厭氧處理產(chǎn)生的溫室氣體排放量，其計(jì)算公式如式（8）所示。

式（8）中，ECH4-廢水表示廢水厭氧處理過(guò)程產(chǎn)生CH4排放量，單位為kg（千克）；GWPCH4為CH4的全球變暖潛勢(shì)值。

ECH4-廢水的計(jì)算公式如式（9）所示。

式（9）中，TOW表示廢水厭氧處理除去的有機(jī)物總量；S表示以污泥方式清除掉的有機(jī)物總量；EF表示CH4排放因子；R為CH4回收量。

廢水厭氧處理除去的有機(jī)物總量數(shù)據(jù)獲取TOW的計(jì)算公式如式（10）所示。

式（10）中，W表示厭氧處理過(guò)程產(chǎn)生的廢水量；CODin表示厭氧處理系統(tǒng)進(jìn)口廢水中的化學(xué)需氧量濃度；CODout表示厭氧處理系統(tǒng)出口廢水中的化學(xué)需氧量濃度。

5.制冷劑逸散產(chǎn)生的排放E逸散

數(shù)據(jù)中心的制冷設(shè)備（空調(diào)）在運(yùn)行、維護(hù)和報(bào)廢過(guò)程會(huì)造成氫氟碳化物等冷媒物質(zhì)的逸散，由這些物質(zhì)逸散所產(chǎn)生的溫室氣體排放量計(jì)算公式如式（11）所示。

式（11）中，

式（12）中，Bi表示第i種制冷劑加注質(zhì)量，單位為t（噸）；GWPi表示第i種制冷劑的全球升溫潛勢(shì)。

式（11）中，

式（13）中，Mi表示制冷設(shè)備報(bào)廢時(shí)，殘留的第i種制冷劑質(zhì)量，單位為t；rec，i表示制冷設(shè)備報(bào)廢時(shí)，殘余的第i種制冷劑回收率。

四、實(shí)例驗(yàn)證：南方區(qū)域某數(shù)據(jù)中心碳排放核算

（一）相關(guān)數(shù)據(jù)

表2 為2021 年南方區(qū)域某數(shù)據(jù)中心碳盤(pán)查相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心目前共有柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組3 臺(tái)，每臺(tái)2000kW，年消耗柴油量110000L。此外，數(shù)據(jù)中心食堂年平均消耗液化石油氣0.536t，自有公務(wù)車(chē)年平均加汽油8470.59L。數(shù)據(jù)中心無(wú)廢水厭氧處理，全年外購(gòu)電力用電量為20164.34MWh，空調(diào)制冷劑使用的是三氟甲烷，年平均加注量為5kg。

表2 2021 年南方區(qū)域某數(shù)據(jù)中心碳盤(pán)查相關(guān)數(shù)據(jù)

（二）計(jì)算過(guò)程

1.化石燃料燃燒排放計(jì)算

根據(jù)《2005 年中國(guó)溫室氣體清單研究》發(fā)布的數(shù)據(jù)，柴油的平均低位發(fā)熱量NCV1為43.33GJ/t；單位熱值含碳量CC1為20.20tC/GJ；碳氧化率OF1為98%。汽油的平均低位發(fā)熱量NCV2為44.8GJ/t；單位熱值含碳量CC2為18.90tC/GJ；碳氧化率OF2為98%。液化天然氣的平均低位發(fā)熱量NCV3為41.868GJ/t；單位熱值含碳量CC3為15.30tC/GJ；碳氧化率OF3為99%。

1）排放因子的確定

柴油排放因子EF1：

汽油排放因子EF2：

液化天然氣排放因子EF3：

2）活動(dòng)水平的確定

柴油的密度為0.84kg/L，根據(jù)表2 的消耗量進(jìn)行單位換算，可以得到緊急發(fā)電機(jī)組的柴油凈消耗量為：

92 號(hào)汽油密度為0.75kg/L，可得到自有車(chē)輛汽油的凈消耗量為：

食堂炊具液化石油氣的凈消耗量為FC3=0.536t。

由此，根據(jù)各燃料的平均低位發(fā)熱量以及凈消耗量，可以計(jì)算出各燃料的活動(dòng)水平。

柴油的活動(dòng)水平AD1：

汽油的活動(dòng)水平AD2：

液化天然氣的活動(dòng)水平AD3：

由式（14）—（16）以及式（19）—（21），化石燃料燃燒排放總量可匯總為：

2.凈購(gòu)入電力產(chǎn)生的排放計(jì)算

由于數(shù)據(jù)中心位于我國(guó)南方地區(qū)，根據(jù)表1，選擇2012 年南方區(qū)域電網(wǎng)平均CO2排放因子EF電為0.5271tCO2/MWh。凈購(gòu)入電量AD電為20164.34MWh，因此，凈購(gòu)入電力產(chǎn)生的排放可計(jì)算如公式（23）。

3.制冷劑逸散產(chǎn)生的排放計(jì)算

三氟甲烷加注的質(zhì)量為5×10-3t，其全球升溫潛勢(shì)為14800，那么

綜上所述，數(shù)據(jù)中心的溫室氣體排放總量為：

五、優(yōu)化建議

在開(kāi)展該數(shù)據(jù)中心碳盤(pán)查過(guò)程中，對(duì)用電量進(jìn)行歸類(lèi)發(fā)現(xiàn)，IT 設(shè)備目前耗電量為13106.82MWh，占比約65%，導(dǎo)致目前實(shí)際PUE值高達(dá)1.54。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步了解發(fā)現(xiàn)，目前該數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備上架率偏低，目前只占55%。柴油用量過(guò)高，主要原因?yàn)?021 年9 月至2021 年11月期間，政府部門(mén)對(duì)高耗能企業(yè)開(kāi)展拉閘限電，導(dǎo)致停電多達(dá)65 天。針對(duì)目前該數(shù)據(jù)中心，提出如下優(yōu)化建議，可將PUE 值提升到1.27：

1）提升數(shù)據(jù)中心設(shè)備上架率。在后續(xù)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)先提升已完成建設(shè)數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)備上架率，再啟用新建的數(shù)據(jù)中心機(jī)房。據(jù)測(cè)算，如果該數(shù)據(jù)中心上架率能提升25%，PUE 值將可降低12%。

2）充分發(fā)揮智慧運(yùn)維平臺(tái)（DCIM）優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)，能夠根據(jù)機(jī)房溫度自動(dòng)啟停空調(diào)風(fēng)柜、空調(diào)主機(jī)，最大限度減少配套系統(tǒng)的耗電量，可優(yōu)化PUE 值5%。

3）引入光伏等新能源電力。據(jù)測(cè)算，該數(shù)據(jù)機(jī)房樓頂、停車(chē)棚、幕墻可按照光伏面積達(dá)1.2萬(wàn)m2，可安裝光伏達(dá)1.5MW，每年可提供綠電約195 萬(wàn)kWh。并通過(guò)申請(qǐng)綠證或CCER 認(rèn)證，每年可抵扣二氧化碳排放638 噸。

4）降低柴油發(fā)電機(jī)使用頻率。該數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)折算排放290627.86噸二氧化碳當(dāng)量，約占碳排放總量的93.58%，在供電充足的條件下降低柴油發(fā)電機(jī)的使用頻率將是減少碳排放最有效的方法。

六、實(shí)用性延伸

本核算方法適用于中型及以上等級(jí)（設(shè)計(jì)最大用電負(fù)荷P≥5MVA），采用自然冷卻型、間接蒸發(fā)冷型、水冷型、液冷型等制冷場(chǎng)景的數(shù)據(jù)中心。在上述數(shù)據(jù)中心運(yùn)用本核算方法，能夠計(jì)算數(shù)據(jù)中心年度碳排放總量。一方面可為政府部門(mén)下達(dá)碳排放配額提供參考依據(jù)，另一方面可為其他數(shù)據(jù)中心核算得出碳排放總量，并與政府部門(mén)下達(dá)碳配額指標(biāo)對(duì)比，選擇最佳碳排放管理方案，以滿(mǎn)足政府部門(mén)的考核需求。

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型熱潮下，數(shù)據(jù)中心采用數(shù)字化平臺(tái)來(lái)推行專(zhuān)業(yè)、智能的節(jié)能減排方式，通過(guò)動(dòng)態(tài)精細(xì)的數(shù)字平臺(tái)管理實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心碳排放源數(shù)據(jù)采集和核算方法普遍采用人工手法，在數(shù)據(jù)完整性和核算結(jié)果的準(zhǔn)確性方面將會(huì)存在一定的誤差。因此，數(shù)據(jù)中心可以構(gòu)建一個(gè)以數(shù)字化平臺(tái)為底座的碳管理平臺(tái)，從而提高碳排放原始數(shù)據(jù)和盤(pán)查數(shù)據(jù)的精確度及可信度，實(shí)現(xiàn)碳排放的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。將數(shù)據(jù)中心的碳排放核算方法開(kāi)發(fā)為算法功能模塊，精確計(jì)算出結(jié)果后分析識(shí)別減排空間并制定相對(duì)應(yīng)的減排政策，并在此基礎(chǔ)上對(duì)碳資產(chǎn)進(jìn)行合理的分配、交易和管理等活動(dòng)。

七、結(jié)論

數(shù)據(jù)中心全年不間斷運(yùn)行的服務(wù)器以及其他輔助運(yùn)行的制冷設(shè)備每年需要消耗大量的電能。作為高耗能行業(yè)，數(shù)據(jù)中心已逐步被各省納入碳排放交易試點(diǎn)，如何對(duì)數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放量進(jìn)行精確計(jì)算，是有效開(kāi)展碳盤(pán)查所面臨的問(wèn)題。本文根據(jù)中國(guó)電子協(xié)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放核算指南，依托南方區(qū)域某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，確定數(shù)據(jù)中心排放邊界、排放源及溫室氣體種類(lèi)，通過(guò)收集項(xiàng)目數(shù)據(jù)并加以計(jì)算，旨在幫助數(shù)據(jù)中心碳盤(pán)查工作者更好地理解和掌握溫室氣體計(jì)算方法，促進(jìn)數(shù)據(jù)中心碳盤(pán)查工作更好地進(jìn)行。