研究降低數(shù)據(jù)中心整體碳排放的相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)，需要首先對(duì)數(shù)據(jù)中心這個(gè)整體概念進(jìn)行解構(gòu)。

從數(shù)據(jù)中心的生命周期維度分析碳排放，基本可以劃分為兩個(gè)階段：

第一是建設(shè)階段：在數(shù)據(jù)中心正式投入運(yùn)營(yíng)之前，需要進(jìn)行大量的土地作業(yè)、建筑工程以及設(shè)備調(diào)試等工作，這個(gè)階段將會(huì)產(chǎn)生一部分的碳排放，而且建筑材料和相關(guān)設(shè)備在生產(chǎn)和回收時(shí)產(chǎn)生的碳排也會(huì)對(duì)總體碳排產(chǎn)生影響；

第二是運(yùn)營(yíng)階段：這一階段產(chǎn)生的碳排放包括由 ICT 設(shè)備工作消耗電能所產(chǎn)生的間接碳排放，以及備用柴油發(fā)電機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的直接碳排放，這一階段碳排放的總量取決于各類設(shè)備的耗電量、可再生能源的利用比例，以及數(shù)據(jù)中心整個(gè)運(yùn)行生命周期的時(shí)長(zhǎng)。

以一個(gè) 1500 柜，每柜 8kW，負(fù)載率 75%，PUE 設(shè)計(jì)值為 1.5 的數(shù)據(jù)中心為例，其 10 年生命周期碳排放約 76.3萬(wàn)噸，其中包含建設(shè)階段排放約 10%，相關(guān)減碳技術(shù)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)和建設(shè)模式上，而占 90%的運(yùn)營(yíng)階段碳排放以用電為主，此部分的減碳技術(shù)主要體現(xiàn)在設(shè)備高效節(jié)能技術(shù)上。（計(jì)算方法參考中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于做好 2022 年企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告管理相關(guān)重點(diǎn)工作的通知》，全國(guó)電網(wǎng)排放因子為 0.5810tCO2/MWh）。

因此，按數(shù)據(jù)中心生命周期的不同階段，可以將相關(guān)綠色節(jié)能技術(shù)劃分為設(shè)計(jì)建設(shè)階段和運(yùn)營(yíng)階段兩類。

圖1 數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過(guò)程產(chǎn)生碳排比例

設(shè)計(jì)建設(shè)階段采用的技術(shù)

• 1.數(shù)據(jù)中心 PUE 仿真設(shè)計(jì)技術(shù)

PUE 仿真設(shè)計(jì)源于創(chuàng)新數(shù)字孿生理念，在設(shè)計(jì)階段，基于方案構(gòu)建設(shè)備模型、系統(tǒng)模型，并且基于導(dǎo)入的運(yùn)行參數(shù)和外部數(shù)據(jù)（如負(fù)載率、氣候數(shù)據(jù)）來(lái)模擬系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，輸出重點(diǎn)特征值狀態(tài) PUE。采用一維熱流體仿真技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)進(jìn)行物理建模，結(jié)合控制仿真技術(shù)模擬系統(tǒng)的控制過(guò)程，最終獲取 AHU（Air Handling Unit，空氣處理單元）、冷機(jī)、冷塔、水泵等制冷設(shè)備的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜熱流系統(tǒng)的狀態(tài)重現(xiàn)和預(yù)測(cè)。PUE 仿真設(shè)計(jì)也可以用于數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)過(guò)程中系統(tǒng)智能 PUE 調(diào)優(yōu)時(shí)的 PUE 預(yù)測(cè)仿真。

• 2.預(yù)制模塊化建設(shè)技術(shù)

以全棧化的思維融合數(shù)據(jù)中心土建工程（L0）及機(jī)電工程（L1），功能區(qū)域采用全模塊化設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、防雷接地、綜合布線等子系統(tǒng)預(yù)集成于預(yù)制模塊內(nèi)，所有預(yù)制模塊在工廠預(yù)制、預(yù)調(diào)測(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)同步進(jìn)行地基土建建設(shè)作業(yè)。交付過(guò)程中，預(yù)制功能模塊從工廠運(yùn)輸?shù)秸军c(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)需進(jìn)行大規(guī)模土建，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單吊裝及樂(lè)高式搭建，即可完成數(shù)據(jù)中心快速建設(shè)部署，相比傳統(tǒng)方式上線時(shí)間提前50%，有效降低建設(shè)過(guò)程中的建筑垃圾、施工用水產(chǎn)生，同時(shí)在生命周期結(jié)束后材料回收率高于80%，具有全生命周期低碳的優(yōu)勢(shì)。

• 3.數(shù)據(jù)中心園區(qū)疊光和疊儲(chǔ)技術(shù)

對(duì)于大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景而言，數(shù)據(jù)中心園區(qū)疊光通常適合作為市電的補(bǔ)充，可以有效幫助客戶降低一部分的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的支出。

同時(shí)，隨著各地峰谷電價(jià)差的逐步放大，會(huì)有效激發(fā)數(shù)據(jù)中心企業(yè)在園區(qū)建設(shè)儲(chǔ)能裝置，一方面可以削峰填谷，在波谷期間用市電給儲(chǔ)能裝置充電，波峰期間使用儲(chǔ)能裝置給數(shù)據(jù)中心供電，利用峰谷電價(jià)差實(shí)現(xiàn)套利；另一方面可以更好的適應(yīng)未來(lái)新能源占比逐步走高的供電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)本地的調(diào)峰調(diào)頻，有力的保障負(fù)載設(shè)備更穩(wěn)定的運(yùn)行。

運(yùn)營(yíng)階段采用的技術(shù)

數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的節(jié)能降碳技術(shù)分析，可以從電能消耗的組成部分維度切入。對(duì)于一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心，運(yùn)營(yíng)過(guò)程的電力消耗是由服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等 ICT 設(shè)備，空調(diào)和換熱器等制冷設(shè)備、變電設(shè)備，UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）、備用發(fā)電機(jī)和電池等供配電設(shè)施以及照明、監(jiān)控等其他設(shè)備所產(chǎn)生的。圖 2 以一個(gè) PUE=1.5 的數(shù)據(jù)中心為例，其中67% 的電力消耗來(lái)自 ICT 設(shè)備功耗，27% 來(lái)自制冷系統(tǒng)功耗，5% 功耗由供配電損耗和 1% 由其他設(shè)備產(chǎn)生。

圖2 一個(gè)PUE=1.5的數(shù)據(jù)中心中各組成部分所消耗的電能占比

• 1.制冷設(shè)備節(jié)能技術(shù)

隨著芯片技術(shù)與工藝的進(jìn)步，服務(wù)器計(jì)算能力有了數(shù)十倍的增長(zhǎng)，但是總體功耗也隨之提升。預(yù)計(jì)到 2025 年，數(shù)據(jù)中心的 x86 CPU 芯片 TDP(Thermal Design Power，散熱設(shè)計(jì)功耗 ) 提升至350W 左右，ARM CPU 芯片的 TDP 提升至 600W 左右，而用于人工智能計(jì)算的 NPU/GPU 芯片會(huì)提升到 750W 左右。同時(shí)期對(duì)應(yīng)的典型服務(wù)器 (2U 高度 2 路處理器 ) 功率也持續(xù)演進(jìn)，x86 CPU 服務(wù)器會(huì)提升到 725W 左右，ARM CPU 服務(wù)器提升至 1000W 左右，用于人工智能計(jì)算的 NPU/GPU服務(wù)器會(huì)提升到 1500W 左右?；谶@些預(yù)測(cè)，2025 年主流機(jī)柜功率將會(huì)達(dá)到 12~15kW/ 柜，未來(lái)會(huì)繼續(xù)增加到 25kW-50kW/ 柜，甚至更高，對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心制冷技術(shù)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備技術(shù)包括直接自然風(fēng)冷卻、間接蒸發(fā)冷卻、冷板式液冷和浸沒(méi)式液冷等，15kW/ 柜以下風(fēng)冷技術(shù)可以滿足大部分地區(qū)的制冷需求，出現(xiàn)自然冷源代替冷凍站等傳統(tǒng)人工冷源趨勢(shì)，間接蒸發(fā)冷卻可以在中國(guó)大部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)平均 PUE 低于 1.25 的目標(biāo)。15kW/ 柜以上時(shí)風(fēng)冷技術(shù)成本上升，液冷技術(shù)開始具備經(jīng)濟(jì)性。液冷目前最主流的方式冷板式液冷和浸沒(méi)式液冷，當(dāng)前主要用于高功率密度型業(yè)務(wù)如 HPC(High Performance Computing，高性能計(jì)算 ) 和人工智能計(jì)算，通常單機(jī)柜功率超過(guò) 20kW。而隨著通用計(jì)算 CPU 的功率密度提升，通用計(jì)算使用的高功率密度服務(wù)器液冷技術(shù)出現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的機(jī)遇。

除風(fēng)冷技術(shù)和液冷技術(shù)之外，制冷設(shè)備節(jié)能技術(shù)還有很多，包括最新的氟泵、余熱回收、吸附式制冷、相變蓄冷和數(shù)據(jù)密集型集群存儲(chǔ)等創(chuàng)新技術(shù)，由于大多尚處于早期，且受到產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、投資成本、運(yùn)營(yíng)運(yùn)維成本、運(yùn)維難度和適用等條件限制等原因，尚未形成規(guī)模應(yīng)用。

• 2.供配電設(shè)備節(jié)能技術(shù)

供配電設(shè)備的節(jié)能技術(shù)包括：高效 UPS，UPS 智能在線模式，電力模塊等。這些節(jié)能技術(shù)已經(jīng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的實(shí)踐逐步進(jìn)入了規(guī)模化應(yīng)用，助力降低供配電損耗。電力電子半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)得較晚，但發(fā)展迅速，短短幾十年，已經(jīng)經(jīng)歷了晶體管、晶閘管（SCR Silicon Control Recti?er 和GTO Gate Turn-Off Thyristor）、金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor）幾次迭代。近年寬禁帶半導(dǎo)體材料（如 SiC 碳化硅、GaN 氮化鎵）器件也開始逐步應(yīng)用，每一次升級(jí)均能實(shí)現(xiàn)大幅的功能擴(kuò)展或性提升。可以說(shuō)電力電子半導(dǎo)體器件是按照三五年一小代、二十三十年一大代的步伐在快速邁進(jìn)?？梢灶A(yù)見，在未來(lái)數(shù)年內(nèi)采用電力電子半導(dǎo)體器件的固態(tài)變壓器的發(fā)展速度也將快于傳統(tǒng)的變壓器，采用固態(tài)變壓器技術(shù)將有利于進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的電力損耗，提高可靠性。

• 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。

全無(wú)損以太網(wǎng)絡(luò)：傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸中采取“盡力而為”的方法，是“有損”的。將計(jì)算、存儲(chǔ)、高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一承載，0 丟包無(wú)損以太網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)最高可提高計(jì)算效率 17%，縮短整體計(jì)算時(shí)間。

• 4.運(yùn)營(yíng)運(yùn)維智能化管理技術(shù)

通過(guò) AI 技術(shù)能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理。如制冷系統(tǒng)能夠通過(guò) AI 優(yōu)化自身的運(yùn)行狀態(tài)，也能根據(jù) IT 業(yè)務(wù)負(fù)載需求變化進(jìn)行及時(shí)尋優(yōu)，供電系統(tǒng)能夠主動(dòng)預(yù)測(cè)和自動(dòng)識(shí)別報(bào)警，以便及時(shí)作出響應(yīng)。借助 AI 技術(shù)可以最大限度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的自動(dòng)高效運(yùn)行，減少由于資源調(diào)配不善或人工干預(yù)不及時(shí)而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。

本文標(biāo)題：從數(shù)據(jù)中心建設(shè)階段和運(yùn)營(yíng)階段整體降低碳排放

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