數(shù)據(jù)中心是中國(guó)實(shí)現(xiàn)信息化進(jìn)程的重要載體，在云計(jì)算、5G、人工智能等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。隨著信息化和工業(yè)化的加快融合，數(shù)據(jù)中心不僅可以服務(wù)于互聯(lián)網(wǎng)，而且可以服務(wù)于傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，有效推動(dòng)地方優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)需求和技術(shù)變革推動(dòng)中國(guó)數(shù)據(jù)中心飛速發(fā)展?！笆濉逼陂g，全國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)量增長(zhǎng)超兩倍，機(jī)架數(shù)量有望突破300萬架，數(shù)據(jù)中心數(shù)量超過7.4萬家。受規(guī)模提升的影響，全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量增長(zhǎng)率連續(xù)八年超過12%，遠(yuǎn)高于其他用能行業(yè)。數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排降耗工作顯得尤為必要。

在國(guó)家部委的政策引領(lǐng)下，在領(lǐng)頭企業(yè)的探索中，中國(guó)數(shù)據(jù)中心正在逐漸向規(guī)模化、低能耗、綠色可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)，數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作亦不斷取得新突破。本章主要介紹中國(guó)數(shù)據(jù)中心發(fā)展現(xiàn)狀、能耗情況，以及數(shù)據(jù)中心節(jié)能成效和存在的主要問題。

1.數(shù)據(jù)中心發(fā)展現(xiàn)狀

1.1規(guī)模不斷擴(kuò)大

數(shù)據(jù)中心是中國(guó)信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，近年來，中國(guó)數(shù)據(jù)中心迎來蓬勃發(fā)展的歷史機(jī)遇。據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的《2020~2021年中國(guó)IDC產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告》顯示，2020年中國(guó)數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)市場(chǎng)總規(guī)模為2238.7億元，同比增長(zhǎng)43.3%。

圖1  2015~2020中國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模（單位：億元）

2020年，以5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)、新應(yīng)用為代表的新基建，在推進(jìn)疫情防控和疫后經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇上發(fā)揮了重要作用，推動(dòng)國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心需求的激增。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2021年中國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模將超過2700億元，比2019年提高一倍。

業(yè)務(wù)需求的持續(xù)擴(kuò)大推動(dòng)數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展。“十三五”期間，中國(guó)數(shù)字中心的機(jī)架規(guī)模與占有面積實(shí)現(xiàn)雙高速增長(zhǎng)。其中，數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)量從124萬架增長(zhǎng)到288萬架，保有面積從1503萬平方米增加到超過3000萬平方米。

2019年，中國(guó)在建數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模約185萬架，同比增長(zhǎng)30%。隨著在建數(shù)據(jù)中心的陸續(xù)投產(chǎn)，預(yù)計(jì)“十三五”期末，中國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)架保有量將突破300萬架。

圖2  2016~2020全國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模及增速（單位：萬架）

1.2結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化

根據(jù)工信部對(duì)數(shù)據(jù)中心的分類，按照機(jī)架數(shù)量，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心可分為三類：中小型數(shù)據(jù)中心、大型數(shù)據(jù)中心以及超大型數(shù)據(jù)中心。

中小型數(shù)據(jù)中心曾在中國(guó)數(shù)據(jù)中心中占絕主力，其數(shù)量一直占70%以上。原因是中國(guó)數(shù)據(jù)中心早期多由企業(yè)或機(jī)構(gòu)自建，服務(wù)于企業(yè)數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)和交換，為企業(yè)、客戶及合作伙伴提供數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)訪問等信息，比如銀行、保險(xiǎn)、政府、科研院所、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等。

圖3 2014~2020年全國(guó)各類型數(shù)據(jù)中心占比的變化

2018年以來，隨著國(guó)內(nèi)移動(dòng)互聯(lián)的興起和云計(jì)算的快速發(fā)展，阿里、騰訊、百度等大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理等業(yè)務(wù)需求增大，大型和超大型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心激增，數(shù)量逐漸超過中小型數(shù)據(jù)中心。

從國(guó)內(nèi)三類數(shù)據(jù)中心占比變化情況看，2019年前后，中小型數(shù)據(jù)中心占比呈現(xiàn)斷崖式下降，由2018年的50%迅速下降到26%。而超大型數(shù)據(jù)中心占比則由2018年的17%，提高到37%。

無論從優(yōu)化數(shù)據(jù)中心布局的宏觀需求出發(fā)，還是從節(jié)能和提高能效的現(xiàn)實(shí)需要出發(fā)，大型化和集群化均是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的大趨勢(shì)。預(yù)計(jì)2020年，中國(guó)大型和超大型數(shù)據(jù)中心合計(jì)占比將超過80%，其中，超大型數(shù)據(jù)中心占比將達(dá)到43%，中小型數(shù)據(jù)中心占比將進(jìn)一步壓縮到17%左右。

1.3布局發(fā)生調(diào)整

早期國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的布局主要受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響。從存量上看，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心主要分布在環(huán)渤海、長(zhǎng)三角、珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。2019年，北京擁有數(shù)據(jù)中心機(jī)架14.1萬架、上海擁有34.8萬架，廣東擁有34.3萬架，北上廣三大城市的在用機(jī)架數(shù)占全國(guó)的31.3%。

從服務(wù)對(duì)象上看，環(huán)渤海的數(shù)據(jù)中心主要為支撐云計(jì)算、軟件業(yè)以及天津的制造業(yè)、物流產(chǎn)業(yè)等需求；長(zhǎng)三角地區(qū)數(shù)據(jù)中心主要用于支撐科研單位、金融機(jī)構(gòu)、信息產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的計(jì)算需求；珠三角地區(qū)以支撐現(xiàn)代通信與互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)為主。

圖4  2019年北上廣機(jī)架數(shù)量及占全國(guó)比例

近年來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的土地、電力等資源逾加緊張，在國(guó)家政策引導(dǎo)下，中國(guó)的數(shù)據(jù)中心建設(shè)逐漸向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。一方面，中西部地區(qū)電力資源相對(duì)豐富，環(huán)境冷量充沛利于降低數(shù)據(jù)中心冷卻能耗；另一方面中西部地區(qū)為承接數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移開出了大量?jī)?yōu)惠條件，如內(nèi)蒙古烏蘭察布市的數(shù)據(jù)中心享受0.28元/千瓦時(shí)的超低電價(jià)，遠(yuǎn)低于北京市0.8~1.2元/千瓦時(shí)的電價(jià)水平。

多種因素綜合作用下，數(shù)據(jù)中心在中西部地區(qū)快速發(fā)展，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。如百度公司在山西陽泉市建設(shè)了6000臺(tái)機(jī)架的超大型數(shù)據(jù)中心，中國(guó)移動(dòng)公司在內(nèi)蒙古呼和浩特市建設(shè)了10280臺(tái)機(jī)架的超大型數(shù)據(jù)中心，中國(guó)聯(lián)通在貴州省貴安新區(qū)建設(shè)了30800臺(tái)機(jī)架的超大型數(shù)據(jù)中心。此外，在新疆、青海、陜西等地，也有新的數(shù)據(jù)中心布局。

圖5  中國(guó)數(shù)據(jù)中心新增規(guī)劃項(xiàng)目分布熱力圖

2.數(shù)據(jù)中心能源消費(fèi)情況

對(duì)于國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心能源消費(fèi)總量，目前尚無官方統(tǒng)計(jì)。但被大家普遍接受的觀點(diǎn)是：數(shù)據(jù)中心能耗高、能耗增長(zhǎng)快，占全國(guó)能源消費(fèi)比重逐年提高。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的能耗消費(fèi)較為集中，除了IT設(shè)備外，制冷系統(tǒng)等輔助設(shè)施能耗比例高。

2.1總用電量約占全國(guó)的1-2%

由于在電力統(tǒng)計(jì)中，數(shù)據(jù)中心的實(shí)際耗電量常常被混合計(jì)入不同的行業(yè)范疇，因此，數(shù)據(jù)中心能耗統(tǒng)計(jì)困難，目前尚無得到權(quán)威認(rèn)定的官方數(shù)據(jù)。

中國(guó)電子學(xué)會(huì)在《中國(guó)綠色數(shù)據(jù)中心發(fā)展報(bào)告（2020）》中通過機(jī)柜樣本調(diào)查的方法，測(cè)算中國(guó)數(shù)據(jù)中心2019年總用電量為600~700億千瓦時(shí)，約占全社會(huì)用電總量的1.0%。2020年受疫情影響，中國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，據(jù)預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)中心電耗占全社會(huì)用電量比重將突破1.5%。

LEED數(shù)據(jù)中心顧問(中國(guó))委員會(huì)在《中國(guó)數(shù)據(jù)中心能源使用報(bào)告（2019）》中通過統(tǒng)計(jì)中國(guó)各級(jí)別服務(wù)器數(shù)量、比例、PUE的方法，測(cè)算中國(guó)數(shù)據(jù)中心2018年總用電量為613億千瓦時(shí)，約占全社會(huì)用電量的1%。

據(jù)《綠色數(shù)據(jù)中心白皮書》稱，2018年中國(guó)三峽發(fā)電量、上海市用電量、數(shù)據(jù)中心總用電量分別為1016億、1567億、1609億千瓦時(shí)，數(shù)據(jù)中心總用電量已超過上海市，相當(dāng)于1.6個(gè)三峽發(fā)電站。

綠色和平與華北電力大學(xué)聯(lián)合發(fā)布的《點(diǎn)亮綠色云端：中國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》認(rèn)為，2018年中國(guó)數(shù)據(jù)中心電力消費(fèi)總量達(dá)到1608億千瓦時(shí)，約占當(dāng)年全社會(huì)用電量的2.3%。

中國(guó)電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)八年以超過12%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年總耗電量將達(dá)到2023億千瓦時(shí)，占2020年全社會(huì)用電量的2.7%。甚至有機(jī)構(gòu)大膽預(yù)測(cè)，由于受到疫情影響，2020年中國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量將突破2200億千瓦時(shí)，占全國(guó)用電量的比重將超過3%。

圖6  2010~2020中國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量及增速8

雖然不同的行業(yè)協(xié)會(huì)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)于國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心能耗總量存在一定爭(zhēng)議，但不可否認(rèn)的是，數(shù)據(jù)中心能耗高、能源密度大、增速快，是節(jié)能重點(diǎn)領(lǐng)域。

2.2能源消費(fèi)較為集中

數(shù)據(jù)中心包括IT設(shè)備和軟件以及配套的輔助基礎(chǔ)設(shè)施，輔助設(shè)施包括制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等。從能耗構(gòu)成看，數(shù)據(jù)中心能耗集中在這三大領(lǐng)域，其中，IT設(shè)備和軟件耗電量最大，其次是制冷系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)能耗占比較小。

圖7  2019年中國(guó)數(shù)據(jù)中心分系統(tǒng)能耗占比

（1）IT設(shè)備和軟件能耗

IT設(shè)備承擔(dān)數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)和交換等任務(wù)，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，耗電量最大，能耗占比約42%。IT系統(tǒng)主要包括CPU、存儲(chǔ)器等，影響IT系統(tǒng)能耗的主要因素有電源輸入模塊與設(shè)備專業(yè)組件。大量的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、交換機(jī)以及千億級(jí)別的芯片在運(yùn)行過程中消耗大量能源。

目前，國(guó)內(nèi)主流的機(jī)柜功率以4-6kW為主，6kW及以上的機(jī)柜占比為32%。國(guó)內(nèi)擁有超過3000個(gè)機(jī)架，總功率1.5萬kW的大型數(shù)據(jù)中心超過300個(gè)，華為、阿里等通信和互聯(lián)網(wǎng)巨頭的超大型數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)甚至超過1萬個(gè)，運(yùn)行能耗驚人。

（2）制冷系統(tǒng)能耗

由于IT系統(tǒng)運(yùn)行電阻的存在，計(jì)算過程中能源消耗大部分以熱的形式耗散到環(huán)境中，需要建設(shè)高效制冷系統(tǒng)對(duì)IT設(shè)備進(jìn)行散熱。同時(shí)，為保障IT設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心對(duì)環(huán)境溫度和濕度要求較高，往往依賴空調(diào)、冷水機(jī)等設(shè)備來降溫，這是數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)大量存在和能耗高的原因。

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)包括空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、冷卻塔以及冷卻工質(zhì)等，能耗占比約40%。影響制冷系統(tǒng)能耗的因素有：各類設(shè)備的發(fā)熱、建筑圍護(hù)設(shè)備傳熱、新鮮空氣系統(tǒng)傳熱、太陽輻射熱、系統(tǒng)能效比、氣流組織、空調(diào)運(yùn)行時(shí)間等，可概括為設(shè)備因素與環(huán)境因素。

由于制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心能耗最大的輔助設(shè)備，數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造通常以提高制冷系統(tǒng)效率和減低冷量損耗為主，制冷系統(tǒng)能效提升對(duì)于數(shù)據(jù)中心節(jié)能意義重大。

（3）電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)是主要是為了保障IT設(shè)備和軟件運(yùn)行所需的電源和電壓。電氣系統(tǒng)能耗占比約18%，影響供配電系統(tǒng)耗電量的主要因素有：照明設(shè)置、不間斷電源系統(tǒng)、變壓器等。其中，不間斷電源（UPS）能耗最高。

3.數(shù)據(jù)中心能效現(xiàn)狀與問題

3.1能效提升顯著但總體水平不高

表征數(shù)據(jù)中心能效的主要指標(biāo)為PUE，PUE是數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗的比值。PUE值越低，表明數(shù)據(jù)中心能源利用效率越高。

近年來，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作的不斷重視，節(jié)能改造和綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)，以及超大型數(shù)據(jù)中心帶來的規(guī)模效應(yīng)，共同促進(jìn)了中國(guó)數(shù)據(jù)中心能效明顯提升。從能效水平上看，從2016-2018年，大型數(shù)據(jù)中心PUE平均值從1.8下降到1.55左右，超大型數(shù)據(jù)中心PUE平均值從1.5下降到1.3左右。從結(jié)構(gòu)上看，從2012年到2019年，PUE值大于2.0的數(shù)據(jù)中心占比從34.6%下降到2%，PUE小于1.5的數(shù)據(jù)中心占比從2.7%上升到了12.9%；

雖然近年來國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的PUE值下降明顯，但與全球平均水平相比（目前全球數(shù)據(jù)中心PUE平均值為1.65），國(guó)內(nèi)仍有大量的數(shù)據(jù)中心PUE值在1.6以上，能效水平仍然不高。特別是中小型數(shù)據(jù)中心，PUE值很多在2.0以上，仍有較大的節(jié)能改造空間。

圖8  2016-2018年中國(guó)數(shù)據(jù)中心能效水平變化情況

3.2不同類型數(shù)據(jù)中心的能效差別顯著

由于建設(shè)時(shí)間、功能等不同，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心發(fā)展水平和能效參差不齊。

首先，2018年后籌建的超大型互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心PUE值普遍較低。部分?jǐn)?shù)據(jù)中心能效水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。如阿里巴巴杭州仁和數(shù)據(jù)中心采用的液冷自然冷源設(shè)計(jì)年均PUE達(dá)到1.12，為全球規(guī)模最大的全浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心；通過采用間接蒸發(fā)自然冷卻技術(shù)，字節(jié)跳動(dòng)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心PUE由2018年的1.17、2019年的1.16，降低至2020年的1.14；騰訊、百度等企業(yè)亦通過應(yīng)用先進(jìn)制冷技術(shù)，數(shù)據(jù)中心能效能與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)巨頭谷歌、Facebook等看齊

與此同時(shí)，早期建設(shè)的中小數(shù)據(jù)中心PUE普遍偏高，且數(shù)量眾多。目前中國(guó)中小型數(shù)據(jù)中心數(shù)量占到全部數(shù)據(jù)中心的26%以上，如果按照占比面積分類，則中小型數(shù)據(jù)中心占比接近40%。中小型數(shù)據(jù)中心PUE普遍偏高，有的甚至高達(dá)2.0以上。

3.3中小數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理難度大

一直以來，國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心，特別是中小型數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理遇到眾多難題。

首先，從數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)方看，數(shù)據(jù)中心多為各企業(yè)和機(jī)構(gòu)的內(nèi)設(shè)部門運(yùn)營(yíng)，不對(duì)外提供服務(wù)，導(dǎo)致外部政府無法掌握其規(guī)模和數(shù)量，內(nèi)部管理范圍交錯(cuò)，難以界定運(yùn)行邊際；

其次，從數(shù)據(jù)中心作用看，大多數(shù)承載機(jī)構(gòu)和企業(yè)的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行，出于商業(yè)和保密等原因，在運(yùn)營(yíng)成本和綠色化發(fā)展方面考慮較少，各項(xiàng)引導(dǎo)政策對(duì)其吸引力不足；

再次，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造面臨停機(jī)的問題，而企業(yè)管理人員對(duì)于數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定性、安全性、持續(xù)性工作的側(cè)重明顯高于對(duì)節(jié)能方面的關(guān)注。因而對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行停機(jī)節(jié)能改造的難度大，而非停機(jī)改造僅僅適用于輕度改造，適用范圍明顯減弱；

最后，從管理主體的數(shù)量和布局看，其管理主體數(shù)量眾多且分散，造成社會(huì)管理成本較高，政府無力對(duì)其全面嚴(yán)格管控。

因此，數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作要實(shí)現(xiàn)在中小型數(shù)據(jù)中心方面的突破，需要加強(qiáng)中小型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)維管理，落實(shí)節(jié)能責(zé)任，同時(shí)加大節(jié)能管理人員培訓(xùn)，提高其節(jié)能意識(shí)。

來源：網(wǎng)絡(luò)

本文標(biāo)題：數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀和能效水平分析

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