摘 要：數(shù)據(jù)中心的規(guī)?；l(fā)展必將帶來用能規(guī)模擴(kuò)大和碳排放增加。在摸清某省數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，預(yù)測2030年數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模，通過設(shè)置數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展的4種情景，分析各情景下數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放的發(fā)展趨勢及特征，結(jié)合數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)分析，提出某省數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展路徑。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)正成為我國乃至全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力[1]，數(shù)據(jù)中心是支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，是5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的核心基礎(chǔ)設(shè)施[2]，加快數(shù)據(jù)中心行業(yè)發(fā)展已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略。同時，數(shù)據(jù)中心也是“新基建”中能耗最大的設(shè)施門類[3]。

可以預(yù)見，數(shù)據(jù)中心的規(guī)?；l(fā)展必將帶來用能規(guī)模擴(kuò)大和碳排放增加。近年來，中央和地方政府陸續(xù)出臺了一批積極推進(jìn)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展的政策。2020年12月，國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國家能源局四部委聯(lián)合印發(fā)《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》，提出強(qiáng)化數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)適用和能源配套機(jī)制，推進(jìn)建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心行業(yè)碳減排[4]。工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要求到2022年新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)中心能源效率（PUE）要低于1.4[5]。工業(yè)和信息化部在《“十四 五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出到2025年底，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE下降到1.3以下[6]。

在“雙碳”約束機(jī)制、各項政策布局要求以及國家戰(zhàn)略和市場對“新基建”設(shè)施建設(shè)的迫切需求下，如何引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心綠色低碳化發(fā)展，是一個亟待解決的問題。本文在摸清某省數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合政策規(guī)劃，預(yù)測2030年數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模。通過設(shè)置數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展的4種情景，分析各種情景下數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放的發(fā)展趨勢及特征，并開展數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展路徑分析和節(jié)能減排技術(shù)分析，最終提出某省數(shù)據(jù)中心的低碳發(fā)展路徑。

1 數(shù)據(jù)中心發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 數(shù)據(jù)中心建設(shè)情況

某省信息行業(yè)發(fā)展迅速，擁有一批新一代信息領(lǐng)域龍頭企業(yè)，是全國數(shù)據(jù)中心最密集的地區(qū)。截至2020年底，該省累計投產(chǎn)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)為48.5萬個，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架功率為2.5kW。規(guī)劃到2025年底，該省全面建成9個數(shù)據(jù)中心集聚區(qū)，累計折合標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)約100萬個，平均上架率為75%，設(shè)計平均PUE小于1.25。截至2019年底，該省數(shù)據(jù)中心多以中小型數(shù)據(jù)中心（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)≤3000個）為主，占比達(dá)79%，大型數(shù)據(jù)中心（3000個<標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)<10000個）占比為20%，而超大型數(shù)據(jù)中心（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)≥10000個）占比不超過1%，全省數(shù)據(jù)中心的平均上架率為61.8%。

1.2數(shù)據(jù)中心能耗及碳排放情況

1.2.1 數(shù)據(jù)中心能耗特點

對于一個常規(guī)數(shù)據(jù)中心而言，其總能耗主要由IT設(shè)備、供配電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等能耗組成。IT設(shè)備能耗包括機(jī)房中的服務(wù)器、存儲、通信等設(shè)備能耗；供配電系統(tǒng)能耗包括變壓器空載、負(fù)載損耗，二者通常占數(shù)據(jù)中心總能耗的85%、不間斷電源轉(zhuǎn)換損耗和線路損耗；冷卻系統(tǒng)能耗主要包括制冷主機(jī)、精密空調(diào)、水泵、冷卻塔等設(shè)備能耗。在數(shù)據(jù)中心總能耗中，IT設(shè)備能耗最大，冷卻系統(tǒng)能耗次[7]。

1.2.2 某省數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放情況

根據(jù)綠色和平與工業(yè)和信息化部電子第五研究所計量檢測中心共同編寫的《中國數(shù)字基建的脫碳之路：數(shù)據(jù)中心與5G減碳潛力與挑戰(zhàn)（2020— 2035）》[7]，截至2020年11月，某省數(shù)據(jù)中心平均PUE約為1.58。根據(jù)某省累計投產(chǎn)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)總數(shù)、上架率以及平均PUE，計算出某省數(shù)據(jù)中心當(dāng)前能耗水平為103.71億kW·h，占全社會用電量的1.5%。

數(shù)據(jù)中心碳排放量測算方法采用碳排放因子法，測算2020年某省數(shù)據(jù)中心的碳排放量約為401.99萬噸二氧化碳。

2 數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢預(yù)測

2.1 某省數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模預(yù)測

基于我國互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模增速測算及某省規(guī)劃布局要求，在我國“東數(shù)西算”工程啟動的背景下，未來某省中高時延數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求將逐步遷移，數(shù)據(jù)中心增長趨勢將變緩。根據(jù)不同時段數(shù)據(jù)中心的不同增長率，測算出2020—2030年某省數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)的變化趨勢，至2030年某省數(shù)據(jù)中心數(shù)量將達(dá)到244.71萬個。

2.2 數(shù)據(jù)中心能耗預(yù)測

數(shù)據(jù)中心能耗與數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)、上架率、平均PUE息息相關(guān)。依據(jù)某省數(shù)據(jù)中心布局規(guī)劃要求，對某省數(shù)據(jù)中心2020—2030年機(jī)架數(shù)、上架率、平均PUE、發(fā)展趨勢等進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而測算出數(shù)據(jù)中心的能耗。

3 數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展情景

3.1 數(shù)據(jù)中心低碳情景設(shè)置

影響數(shù)據(jù)中心碳排放發(fā)展趨勢的主要因素包括數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)、上架率、平均PUE、綠電使用率以及相關(guān)政策等。針對上述因素設(shè)置某省數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展的4種情景：基準(zhǔn)情景、低碳控制情景、節(jié)能控制情景和高效低碳情景。

1）基準(zhǔn)情景，即“現(xiàn)有政策+不增加清潔能源”情景。依據(jù)當(dāng)前某省對數(shù)據(jù)中心的能耗控制要求，維持某省數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)發(fā)展趨勢和上架率變化趨勢不變，在現(xiàn)有政策的指導(dǎo)下，要求2020—2025年新建數(shù)據(jù)中心PUE為1.3，2025—2030年新建數(shù)據(jù)中心PUE為1.25；要求自2021年開始以每年20%的改造速度對老舊數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造，至2025年完成現(xiàn)有老舊數(shù)據(jù)中心改造，改造后老舊數(shù)據(jù)中心PUE將達(dá)到1.35。

2）低碳控制情景，即“提高能效水平+逐年增加清潔能源”情景。維持某省數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)發(fā)展趨勢和上架率變化趨勢不變，提高數(shù)據(jù)中心的能效水平。與基準(zhǔn)情景相比，低碳控制情景綜合考慮節(jié)能減排技術(shù)在降低數(shù)據(jù)中心PUE方面的潛力與實施難度， 新建數(shù)據(jù)中心PUE維持不變，改造數(shù)據(jù)中心PUE降低0.05，且自2021年開始以每年比基準(zhǔn)情景提高10%的速度對老舊數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造，至2025年完成現(xiàn)有老舊數(shù)據(jù)中心改造，改造后老舊數(shù)據(jù)中心PUE將達(dá)到1.3。同時，在此情景中改善數(shù)據(jù)中心能源結(jié)構(gòu)，在不考慮市電供電結(jié)構(gòu)變化的情況下，每年通過自建綠電或外購綠電的手段額外增加6%的清潔能源使用比例。

3）節(jié)能控制情景，即“顯著提高能效水平+不增加清潔能源”情景。維持某省數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)發(fā)展趨勢和上架率變化趨勢不變，提高數(shù)據(jù)中心能效水平。與基準(zhǔn)情景相比，節(jié)能控制情景綜合考慮節(jié)能減排技術(shù)在降低數(shù)據(jù)中心PUE方面的潛力與實施難度，新建數(shù)據(jù)中心PUE降低0.05，改造數(shù)據(jù)中心PUE降低0.10，且自2021年開始以每年比基準(zhǔn)情景提高20%的速度對老舊數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造，至2024年完成現(xiàn)有老舊數(shù)據(jù)中心改造，改造后老舊數(shù)據(jù)中心PUE將達(dá)到1.25。在此情景中不額外增加清潔能源的使用比例。

4）高效低碳情景，即“顯著提高能效水平+逐年增加清潔能源”情景。維持某省數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)發(fā)展趨勢和上架率變化趨勢不變，提高數(shù)據(jù)中心能效水平。與基準(zhǔn)情景相比，高效低碳情景綜合考慮節(jié)能減排技術(shù)在降低數(shù)據(jù)中心PUE方面的潛力與實施難度，新建數(shù)據(jù)中心PUE維持不變，改造數(shù)據(jù)中心PUE降低0.10，且自2021年開始以每年比基準(zhǔn)情景提高20%的速度對老舊數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造，至2024年完成現(xiàn)有老舊數(shù)據(jù)中心改造，改造后老舊數(shù)據(jù)中心PUE將達(dá)到1.25。且在此情景中改善能源結(jié)構(gòu)，在不考慮市電供電結(jié)構(gòu)變化的情況下，每年通過自建綠電或外購綠電的手段額外增加7%的清潔能源使用比例。目前，數(shù)據(jù)中心可通過自建“光伏發(fā)電+儲能”系統(tǒng)和引入綠電專線的方式增加可再生能源使用比例。

圖片

3.2 數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放核算方法

數(shù)據(jù)中心的能耗與IT設(shè)備功率、上架率、平均PUE、使用時間有關(guān)。在數(shù)據(jù)中心能耗測算中，數(shù)據(jù)中心機(jī)架均折算為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，單機(jī)架功率為2.5kW，而數(shù)據(jù)中心平均PUE由新建數(shù)據(jù)中心PUE、老舊數(shù)據(jù)中心改造 PUE及老舊數(shù)據(jù)中心改造比例計算而來。數(shù)據(jù)中心的碳排放量與某省電力平均碳排放因子及能耗結(jié)構(gòu)是否使用清潔能源相關(guān)。根據(jù)不同情境下設(shè)置的能效水平和能源結(jié)構(gòu)不同，可以通過式（1）~式（5）預(yù)測至2030年數(shù)據(jù)中心的能耗和碳排放情況。

式中：Qm—數(shù)據(jù)中心能耗值，億kW·h；P—標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架功率，2.5kW；Nm—數(shù)據(jù)中心機(jī)架總數(shù)，萬個；N2020—2020年某省數(shù)據(jù)中心機(jī)架總數(shù)，48.5萬個；φm—數(shù)據(jù)中心機(jī)架上架率；PUEm—數(shù)據(jù)中心平均PUE；PUEnew—新建數(shù)據(jù)中心PUE；PUEold—老舊數(shù)據(jù)中心改造PUE；βm—老舊數(shù)據(jù)中心改造比例；Cm—數(shù)據(jù)中心碳排放量，萬t；γm—碳排放因子，萬噸二氧化碳/億kW·h）；ω—清潔能源逐年提升比率；m—年份，年。

3.3 不同情景下數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放發(fā)展趨勢

根據(jù)數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放核算方法，針對基準(zhǔn)情景、節(jié)能控制情景、低碳控制情景和高效低碳情景進(jìn)行數(shù)據(jù)中心能耗趨勢和碳排放趨勢預(yù)測，分別如圖1、圖2所示。

圖 1 某省數(shù)據(jù)中心能耗趨勢

圖 2 某省數(shù)據(jù)中心碳排放趨勢

4種情景下，某省數(shù)據(jù)中心能耗水平逐年提高。這是由于在2020—2030年，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，能耗也呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢。基準(zhǔn)情景下數(shù)據(jù)中心能耗水平最高，在2030年能耗水平將達(dá)到583.31億kW·h；低碳控制情景和高效低碳情景下數(shù)據(jù)中心能耗水平相當(dāng)，在2030 年能耗將分別達(dá)到578.81億kW·h和574.30億kW·h；節(jié)能控制情景下，數(shù)據(jù)中心能耗水平最低，在2030年能耗水平將達(dá)到556.07億kW·h。

碳排放方面，在基準(zhǔn)情景和節(jié)能控制情景下，某省數(shù)據(jù)中心碳排放量逐年提高。這說明單純通過提高數(shù)據(jù)中心能效水平而不增加清潔能源的使用，無法降低碳排放量。基準(zhǔn)情景下數(shù)據(jù)中心碳排放量最高，節(jié)能控制情景下數(shù)據(jù)中心碳排放量次之。而低碳控制情景下，由于數(shù)據(jù)中心額外增加了清潔能源的使用，雖然在2020—2025年數(shù)據(jù)中心碳排放量仍然呈現(xiàn)增長的趨勢，但是在2025年之后呈現(xiàn)出平穩(wěn)態(tài)勢，碳排放量增長緩慢，該情景下至2029年數(shù)據(jù)中心碳排放量達(dá)到705.30萬噸二氧化碳，2030年碳排放量開始降低。而高效低碳情景下，數(shù)據(jù)中心能效水平和清潔能源使用占比均得到了一定的提升，該情景下數(shù)據(jù)中心2025年碳排放量為641.86萬噸二氧化碳，約占基準(zhǔn)情景2025年碳排放量的63.2%，減排效果顯著，該情景下2025年之后，數(shù)據(jù)中心碳排放量持續(xù)降低，直至2030年，碳排放量約516.86萬噸二氧化碳，僅高出2020年碳排放量約28%。

3.4 不同情景下數(shù)據(jù)中心低碳減排潛力

對不同情景下的數(shù)據(jù)中心碳排放組成、減排量和減排比例進(jìn)行分析，可以看出，數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的減排潛力最大，冷卻系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)等其他設(shè)備的減排潛力較小，這是因為對于數(shù)據(jù)中心而言，IT設(shè)備占比最大，并且隨著PUE的進(jìn)一步降低，冷卻系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)等其他設(shè)備的能耗占比進(jìn)一步降低，因此減排量遠(yuǎn)不如IT設(shè)備。如圖3所示，在基準(zhǔn)情景下，到2030年，數(shù)據(jù)中心碳排放量比2020年提高了335.3%，碳排放增幅非常大。在高效低碳情景下，由于IT設(shè)備本身的碳排放量較低，所以相比于基準(zhǔn)情景，高效低碳情景下數(shù)據(jù)中心可減排量主要是由新建數(shù)據(jù)中心和老舊數(shù)據(jù)中心的其他設(shè)備貢獻(xiàn)的。在低碳控制情景中，由于清潔能源的使用，數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備和其他設(shè)備的減排量均顯著提高，相比于節(jié)能控制情景，碳排放量降低了58.4%。在高效低碳情景中，由于清潔能源的使用量進(jìn)一步提高，數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備和其他設(shè)備的碳排放量相比于低碳控制情景進(jìn)一步降低，相比于基準(zhǔn)情景降低了約70.5%，效果顯著。

圖 3 不同情景下某省數(shù)據(jù)中心碳排放量

4 數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展路徑

對各項數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行分析[8-11]，結(jié)合不同情景下某省數(shù)據(jù)中心碳排放發(fā)展趨勢分析結(jié)果，提出某省數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展目標(biāo)和實 施路徑，如表1所示。

表1 某省數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展目標(biāo)和實施路徑

5 結(jié)語

本文在摸清某省數(shù)據(jù)中心發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)中心規(guī)模、能耗及碳排放進(jìn)行預(yù)測，通過分析基準(zhǔn)情景、低碳控制情景、節(jié)能控制情景、高效低碳情景4種情景下碳排放情況，結(jié)合數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排技術(shù)分析，圍繞設(shè)備能效水平提升和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整提出某省數(shù)據(jù)中心的低碳發(fā)展路徑，促進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展。

來源：網(wǎng)絡(luò)

本文標(biāo)題：省域范圍數(shù)據(jù)中心低碳發(fā)展路徑分析

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