編者按：介紹了我國數(shù)據(jù)中心的能耗狀況，分析了數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型的形勢任務(wù)和困難挑戰(zhàn)，從規(guī)劃、建設(shè)、運營全生命周期提出了數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的可行路徑，為數(shù)據(jù)中心行業(yè)實現(xiàn)碳中和提供參考。

近年來，隨著人工智能、云計算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展及各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程加快，全社會數(shù)據(jù)總量爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)計算和存儲需求激增，數(shù)據(jù)中心行業(yè)進(jìn)入高速增長期，建設(shè)規(guī)模和建設(shè)體量不斷提升。與此同時，作為有名的“耗能大戶”，數(shù)據(jù)中心的能耗總量不斷攀升，能效問題日益凸顯，在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，推動數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為一項重要而緊迫的任務(wù)。

背景

1.我國數(shù)據(jù)中心能耗情況

受新基建、數(shù)字化轉(zhuǎn)型等政策的促進(jìn)，我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張。工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2022年年底，全國在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模超過650萬標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，近5年年均增速超過30%。與數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張相對應(yīng)的是，在過去十年間，我國數(shù)據(jù)中心整體用電量年均增速超過10%。2021年全國數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)2166億度，約占全國總用電量的2.6%。據(jù)專家測算，到2025年全國數(shù)據(jù)中心總耗電量將占全國總用電量的4%。

數(shù)據(jù)中心的耗能部分主要包括IT設(shè)備、制冷系統(tǒng)、供配電損耗、照明及其他消耗，其中IT設(shè)備約占45%，制冷系統(tǒng)占比達(dá)到43%，供配電損耗占比10%，照明及其他損耗占比2%。

目前，國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心行業(yè)和我國政府部門都使用電能利用效率PUE作為衡量數(shù)據(jù)中心節(jié)能水平的能耗指標(biāo)，它的值等于數(shù)據(jù)中心總耗電量與IT設(shè)備耗電量的比值。PUE必然大于1，越接近1，說明總用電量中用于IT設(shè)備的電量越多，用電效率越高。

2.數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型的形勢任務(wù)

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，中央和地方政府陸續(xù)出臺了一系列政策文件，明確節(jié)能降耗要求，引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心走綠色發(fā)展道路。

2021年7月，工信部印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021—2023年）》，提出到2023年年底，全國新建大型及以上數(shù)據(jù)中心PUE降低到1.3以下，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)力爭降低到1.25以下。

2021年11月，國家發(fā)展改革委等部門發(fā)布《貫徹落實碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求 推動數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實施方案》，要求到2025年，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的PUE降到1.3以下，國家樞紐節(jié)點進(jìn)一步降到1.25以下。

我國主要城市也紛紛出臺政策嚴(yán)控數(shù)據(jù)中心能效。2021年，北京市經(jīng)信局印發(fā)《北京市數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌發(fā)展實施方案(2021—2023年)》，提出逐步關(guān)閉年均PUE高于2.0的備份存儲類數(shù)據(jù)中心；加快對年均PUE高于1.8的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行改造：改造后的計算型云數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.3、邊緣計算中心PUE不高于1.6。2022年，上海市經(jīng)濟(jì)信息化委等部門印發(fā)《上海市新型基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域碳達(dá)峰實施方案》，提出“十四五”期間，新建數(shù)據(jù)中心PUE不高于1.3?！笆逦濉逼陂g新建數(shù)據(jù)中心PUE力爭1.25以下，既有數(shù)據(jù)中心改造后PUE不高于1.4。

隨著能耗指標(biāo)的不斷收緊，數(shù)據(jù)中心行業(yè)正面臨巨大的節(jié)能降碳挑戰(zhàn)，必須充分認(rèn)識到“雙碳”目標(biāo)的緊迫性和艱巨性，加快綠色轉(zhuǎn)型，才能如期實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

困難與挑戰(zhàn)

1.東西部供需不平衡，資源利用不充分

我國東部發(fā)達(dá)地區(qū)對算力和存儲的需求多，但土地、電力供應(yīng)緊張，可再生能源相對貧乏，平均氣溫較高，不利于數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展；西部地區(qū)土地資源、可再生能源豐富且氣候寒冷干燥，有利于數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降碳，但需求較少?，F(xiàn)階段，東西部數(shù)據(jù)中心規(guī)模比例約為7∶3，西部地區(qū)適宜的氣候、豐富的可再生能源未能得到充分利用。

2.存量數(shù)據(jù)中心總體能耗水平較高，節(jié)能改造任務(wù)艱巨

隨著政府部門不斷提高數(shù)據(jù)中心的準(zhǔn)入門檻，新建數(shù)據(jù)中心能效水平有了明顯改善，但存量數(shù)據(jù)中心的PUE普遍大于1.5。部分?jǐn)?shù)據(jù)中心建成時間早、規(guī)模小，技術(shù)水平落后，PUE值超過2，改造成本高昂，企業(yè)改造意愿不強(qiáng)。此外，在改造的同時，需確保業(yè)務(wù)連續(xù)不間斷，數(shù)量龐大的存量數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造任務(wù)非常艱巨。

3.可再生能源市場化交易機(jī)制不健全

數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)多來自市政電網(wǎng)，從我國目前的一次能源結(jié)構(gòu)狀況來看，數(shù)據(jù)中心降低碳排放最有效的方法是提升可再生能源利用率，可通過自建可再生能源電站或可再生能源交易實現(xiàn)。

我國目前可再生能源交易的方式主要有綠色電力交易和綠色電力證書認(rèn)購。其中，綠電交易市場尚未完全形成市場化定價機(jī)制，區(qū)域壁壘和地方保護(hù)增加了跨區(qū)域交易的難度，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心仍未取得綠電市場的交易資格；綠證交易缺乏激勵機(jī)制，加上國內(nèi)綠證價格高、缺乏國際認(rèn)可，導(dǎo)致綠證交易率極低。數(shù)據(jù)中心參與可再生能源市場化交易機(jī)制亟須完善。

4.碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系和管理機(jī)制有待完善

行業(yè)目前尚缺乏科學(xué)全面的碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系，管理機(jī)制也需進(jìn)一步完善。大部分城市尚未上線數(shù)據(jù)中心能耗在線監(jiān)測平臺，缺乏對數(shù)據(jù)中心能耗的動態(tài)監(jiān)控與管理能力；可再生能源應(yīng)用未納入數(shù)據(jù)中心碳減排考核體系，缺乏約束激勵機(jī)制，數(shù)據(jù)中心應(yīng)用可再生能源動力不足。此外，業(yè)界尚未提出對碳減排的量化指標(biāo)，數(shù)據(jù)中心碳排放的披露信息也非常有限，監(jiān)管、考核評價機(jī)制亟須跟上。

數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展可行路徑

數(shù)據(jù)中心的碳排放貫穿規(guī)劃、建設(shè)、運營、改造各個階段，在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，要加強(qiáng)頂層設(shè)計，樹立起全生命周期綠色發(fā)展的理念，在各個階段因地制宜制訂減排計劃。

1.以科學(xué)規(guī)劃、合理布局為牽引

我國西部地區(qū)氣候寒冷，可再生能源豐富，能夠更好地契合數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展的需求。數(shù)據(jù)中心在選址時應(yīng)以“東數(shù)西算”工程為指引，充分考慮氣候環(huán)境、能源供給等要素，特別是非實時算力需求更應(yīng)考慮落地西部地區(qū)。同時，應(yīng)推動新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心，改造存量“老舊小散”數(shù)據(jù)中心，逐步關(guān)停低效數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的集約化發(fā)展。

2.以優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵

數(shù)據(jù)中心的碳排放量與大量消耗的電能密切相關(guān)，優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)、提高可再生能源利用率可以從源頭提升數(shù)據(jù)中心綠色低碳水平。企業(yè)可充分利用屋頂、空地等空間，自建太陽能光伏，即發(fā)即用；也可投資建設(shè)光伏、風(fēng)電等可再生能源電站。結(jié)合儲能技術(shù)，可以克服可再生能源發(fā)電的間歇性，提高數(shù)據(jù)中心可再生能源的利用率。大型數(shù)據(jù)中心可探索建立可再生能源電力的專線供電。

3.以技術(shù)創(chuàng)新為引擎

（1）優(yōu)化IT設(shè)備能效

IT設(shè)備能耗占了數(shù)據(jù)中心總能耗的“半壁江山”，提升IT設(shè)備的能效至關(guān)重要。產(chǎn)品選型方面應(yīng)優(yōu)先選用相同技術(shù)指標(biāo)下功耗較低的產(chǎn)品，提升單位算力，例如高轉(zhuǎn)換效率的電源模塊，全閃存化存儲等。隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長和制冷系統(tǒng)能耗占比的逐漸降低，有專家預(yù)測，存儲系統(tǒng)的能耗將占據(jù)數(shù)據(jù)中心總耗電量的35%。存儲系統(tǒng)的能耗83%來自存儲介質(zhì)，相同容量下采用閃存作為介質(zhì)的固態(tài)硬盤比機(jī)械硬盤能耗降低70%，逐步提升存儲系統(tǒng)中固態(tài)硬盤的比例，最終實現(xiàn)全閃存化可大幅降低數(shù)據(jù)中心能耗。

數(shù)據(jù)中心通?；诜逯禈I(yè)務(wù)需求配置服務(wù)器，冗余度較高，動態(tài)調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)可根據(jù)計算資源的需求動態(tài)調(diào)整服務(wù)器芯片的電壓和頻率，降低服務(wù)器功耗；虛擬化技術(shù)可遷移并集中低負(fù)載服務(wù)器上的虛擬機(jī)，關(guān)閉或休眠部分服務(wù)器，從而降低能耗。

（2）提升制冷系統(tǒng)效率

數(shù)據(jù)中心總能耗中制冷系統(tǒng)的占比僅次于IT設(shè)備，是降低PUE成效最明顯的發(fā)力環(huán)節(jié)。根據(jù)氣候條件、機(jī)柜功率密度等因素設(shè)計制冷架構(gòu)，充分利用自然冷源、應(yīng)用高效制冷技術(shù)、優(yōu)化氣流組織等，可以提升制冷系統(tǒng)效率，降低能耗。

充分利用自然冷源，最大限度地減少機(jī)械制冷，是降低數(shù)據(jù)中心制冷能耗最有效的手段，也是數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢之一。另一個主要發(fā)展趨勢是，末端冷卻設(shè)備越來越貼近熱源，例如液冷、熱管背板技術(shù)等。云計算、人工智能等技術(shù)帶來了高通量的計算業(yè)務(wù)，新一代芯片采用眾核高功耗策略實現(xiàn)性能的提升。NVIDIA H100SXM已達(dá)到4 nm制程，TDP飆升至700 W。不斷提升的芯片功耗帶來了嚴(yán)重的散熱挑戰(zhàn)，風(fēng)冷已力有不逮。液冷憑借液體遠(yuǎn)超氣體的比熱容、芯片級精準(zhǔn)制冷，實現(xiàn)了高效散熱，同時具有更優(yōu)秀的熱回收性能。另外，還可以選擇磁懸浮變頻離心冷水機(jī)組、間接蒸發(fā)式冷水機(jī)組、氟泵空調(diào)、變頻末端精密空調(diào)等高效制冷設(shè)備。

優(yōu)化氣流組織，合理部署冷/熱通道，可以減少冷量損失、消除局部熱點，適當(dāng)提高送回風(fēng)溫度或冷凍水供回水溫差，可避免過量制冷，也是制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗的重要手段。此外，將IT設(shè)備工作產(chǎn)生的余熱回收，用于建筑供暖、生活用水加熱等，能大幅降低碳排放。

（3）降低供配電損耗

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的損耗主要由變壓器、UPS、配電設(shè)備和供電線路產(chǎn)生，可以從簡化供配電架構(gòu)、應(yīng)用高效供配電設(shè)備入手降低系統(tǒng)損耗。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心多采用2N交流UPS架構(gòu)，市電進(jìn)入數(shù)據(jù)中心后，還需經(jīng)過變壓器、低壓配電柜、輸入輸出配電柜、UPS等環(huán)節(jié)才能進(jìn)入設(shè)備，中間環(huán)節(jié)多、損耗高。市電直供跳過UPS等設(shè)備，減少了轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損耗，隨著市電質(zhì)量的提升，應(yīng)用越來越多。高壓直流技術(shù)（HVDC）相比傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)，減少了整流逆變環(huán)節(jié)，工作效率顯著提高,并且可靠性高、易于維護(hù)。HVDC+市電直供模式簡化了供配電架構(gòu)，可靠高效，應(yīng)用前景廣闊。

UPS的容量通常按照IT設(shè)備的峰值負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計，大部分運行時間內(nèi)負(fù)載都比較低。在低負(fù)載時，傳統(tǒng)UPS轉(zhuǎn)換效率低、損耗大，模塊化UPS可智能休眠部分功率模塊，減少電能的損耗。為了減少UPS雙變換模式下整流、逆變兩次轉(zhuǎn)換的電能損耗，主流廠商相繼推出ECO運行模式。ECO模式下UPS優(yōu)先以旁路帶載，IT負(fù)載的有功功率由市電直供，運行效率可提升至98%以上。

（4）人工智能（AI）賦能高效運維

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心多聚焦于節(jié)能設(shè)備本身，忽視了運維階段的節(jié)能潛力。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，將AI技術(shù)引入運維當(dāng)中，持續(xù)優(yōu)化運行模式，成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能降碳的重要手段。通過基礎(chǔ)設(shè)施、傳感器收集負(fù)載、溫濕度、能耗等參數(shù)，借助深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成模型，持續(xù)訓(xùn)練迭代并利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行評價，最終實現(xiàn)制冷、供配電等系統(tǒng)隨負(fù)載動態(tài)調(diào)度，達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)，提升數(shù)據(jù)中心的資源利用率和整體能效。

4.以健全可再生能源市場交易機(jī)制為補充

受數(shù)據(jù)中心園區(qū)場地規(guī)模限制，自建可再生能源發(fā)電量通常難以滿足自用需求，企業(yè)還需結(jié)合綠色電力交易、認(rèn)購綠色電力證書、碳交易等方式實現(xiàn)碳抵消。我國的綠電交易、綠證交易和碳交易目前都處于起步階段，需要加快健全市場交易機(jī)制，擴(kuò)大市場化交易試點地區(qū)及參與企業(yè)范圍，建立合理完善的跨區(qū)域綠色交易機(jī)制，加強(qiáng)認(rèn)證監(jiān)督及國際互認(rèn)機(jī)制的建設(shè)，有序推進(jìn)綠電市場和綠證市場的有機(jī)融合。

5.以完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和管理機(jī)制為保障

政府部門應(yīng)加快數(shù)據(jù)中心碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化工作的引領(lǐng)作用；健全數(shù)據(jù)中心碳排放管理機(jī)制，加強(qiáng)監(jiān)管力度，建立數(shù)據(jù)中心在線能耗監(jiān)測平臺，推動新建和存量數(shù)據(jù)中心盡快接入，倒逼數(shù)據(jù)中心高質(zhì)量發(fā)展；鼓勵開展碳排放自查和第三方核查，建立碳信息披露制度；構(gòu)建科學(xué)全面的綠色低碳評價體系，打造示范項目，出臺激勵政策，激發(fā)企業(yè)節(jié)能改造的熱情；將數(shù)據(jù)中心可再生能源利用率納入碳減排考核體系，提升企業(yè)使用可再生能源的動力。

總結(jié)與展望

隨著“雙碳”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型勢在必行。要將綠色發(fā)展理念貫穿數(shù)據(jù)中心全生命周期，從科學(xué)規(guī)劃布局、優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新實踐新技術(shù)等方面多管齊下，改造存量，優(yōu)化增量；同時健全可再生能源市場交易機(jī)制，完善數(shù)據(jù)中心碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系和管理機(jī)制，強(qiáng)化能耗監(jiān)測，引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心向綠色低碳發(fā)展演進(jìn)，逐步實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

本文標(biāo)題：“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展可行路徑研究

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