浅谈“双碳”战略下数据中心绿色发展

在数字经济时代，随着大数据、云计算、物联网、区块链等新一代数字技术应用的广泛普及，数据中心的地位正在从信息基础设施的边缘迈向核心，并成为承载和驱动千行百业数字化转型的重要底座。
　　
　　一、背景介绍
　　
　　国家“十四五”规划和2035目标纲要中，对我国加快发展数字化，建设数字中国的内容占了一篇（四章）的篇幅，作为国家“新基建”战略的七大领域之一的数据中心领域，正是推进我国数字经济发展中不可或缺的关键基础设施，是推动我国经济转型的重要抓手，也是构建智慧城市核心竞争力的重要载体。
　　
　　2021年10月国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》。碳达峰是指我国承诺2030年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。碳中和则是通过节能减排、能源替代、产业调整等，让排出的二氧化碳被回收，最终实现“零排放”的目的。据统计，2021年中国数据中心总用电量为2166亿千瓦时，到2025年中国数据中心总用电量预计将增长至近4000亿千瓦时。数据中心总用电量占全国用电量比重将从2021年的2.7%增长至2025年的5.8%。
　　
　　可以看出数据中心作为全社会“能耗大户”，对实现碳达峰碳中和起着重要影响。数据中心能耗主要由两部分构成，分别是IT设备和基础设施，IT设备主要由服务器、存储和网络设备构成，为企业和用户提供服务，是数据中心核心设备。基础设施主要由供配电、UPS、高压直流、空调、照明、办公、消防等各系统构成，是确保IT设备稳定运行的基础保障设施。近年来，数据中心行业快速发展，能源消耗加速增长，面对国家“双碳”战略，数据中心进行绿色发展，逐步降低碳排放，实现碳中和是行业可持续发展必然选择。
　　
　　二、数据中心绿色节能解决方案
　　
　　近两年国家和地方持续出台一系列政策，对数据中心PUE值（PowerUsageEffectiveness，PUE=数据中心总能耗/IT设备能耗）提出了明确指标。《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》中提出新建大型、超大型数据中心PUE值降到1.3以下，国家枢纽节点降到1.25以下。北上广深为首的核心一线城市也纷纷推出节能减排政策，针对数据中心的PUE值提出了要求。例如北京市发改委发布的《关于进一步加强数据中心项目节能审查的若干规定》中提出：新建、扩建数据中心年能源消费量大于等于1万吨标准煤且小于2万吨标准煤的项目，PUE值不应高于1.25；年能源消费量大于等于2万吨标准煤且小于3万吨标准煤的目，PUE值不应高于1.2等等的要求。可以看出，国家和各级政府都在能耗总量限制的基础上大力推进绿色节能的数据中心建设。
　　
　　要实现数据中心的绿色节能发展，必须多管齐下，首先，需要提升能效指标，最大限度降低空调、供电等配套设备设施能耗，同时优化IT设备能效；其次，应充分发掘利用清洁能源，包括灵活调峰、储能设施等在内一系列机制，数据中心将从单纯用能系统逐渐演变为综合能源系统，自建自用绿色能源；在必要时，通过绿电交易、碳交易等手段，实现数据中心碳抵消，确保数据中心实现温室气体“零排放”。参考同业经验和现有较成熟技术，建议可以从如下几方面提升能效：
　　
　　1、高效能制冷
　　
　　空调系统的能耗占数据中心整体能耗的很大一部分，是降低数据中心PUE值的关键环节，可采用如下节能降碳措施。
　　
　　（1）根据当地气候条件，充分利用自然冷源。经调查研究分析，水冷型数据中心在对自然冷源的利用上明显高于风冷型数据中心，值得注意的是，水冷系统构成、建设实施和运行维护较为复杂，适用于大型数据中心；
　　
　　（2）制冷末端逐渐向热源靠近。采用高温服务器结合浸没式液冷可进一步降低PUE，但是这种方式需要改变IT机架的整体结构，适合超高功率机架采用，目前需求量较低。
　　
　　2、高效能供电
　　
　　随着供电设备的技术发展与更新换代，提高效率、降低能耗成为关注重点，可采用如下节能降碳措施。
　　
　　（1）提升设备效率。选用效率高且覆盖负载范围宽的UPS设备或高压直流设备；
　　
　　（2）改变运行方式。将UPS系统从双变换模式调整为ECO节能模式或动态在线等高效运行模式，使IT设备在大部分时间内工作在市电直供状态；
　　
　　（3）优化供电架构。将传统的独立变配电系统、独立UPS系统合并成一套一体化供电系统，减少配电开关级数，缩短供电距离，降低供配电损耗；
　　
　　（4）采用锂电池备电。传统数据中心的备电方案采用铅酸电池，体积大、重量大、寿命短，3～5年就需要更换。锂电池的能量密度和大电流放电能力远高于铅酸电池，安装面积是铅酸电池的1/3，循环寿命是铅酸电池的10倍。
　　
　　3、数字化智能运维
　　
　　基于数据中心能耗现状及管理中存在的问题，依靠数字化手段引入智能化技术，结合大数据分析与人工智能算法，将从智能运维管理平台优化和能源的智能管理调度方面进行智能运维，部署大量传感器收集各种设备、环境参数，应用AI和大数据技术，实现供电、供冷设备随业务负载动态调度，达到最优工作状态，提升数据中心的资源利用率和整体能效。
　　
　　4、优化IT设备能效
　　
　　在IT设备中，服务器能耗占比最高，服务器的节能策略一般分为以下两类。
　　
　　‍（1）基于硬件性能的能效优化。会在一定程度上降低系统的实时性。
　　
　　（2）基于负载调度的能效优化。均衡各主机负载，防止部分主机由于负载率高而影响业务处理质量并产生局部热点；集中低负载主机上的虚拟机，将部分主机关闭或休眠从而降低能耗。
　　
　　目前数据中心行业采取的方式主要从IT设备软硬件层面来降低功耗。IT基础架构方面，从应用优化、架构规划/优化、产品选型进行整体优化，平衡降耗与提效，例如用AI技术来进行数据的分时调度，实现智能预测，对服务器设备进行合理的扩容和缩容，优化计算资源的分配，提升服务器的利用率。
　　
　　5、打造绿色园区
　　
　　数据中心的建筑和园区也要实施绿色节能的设计和措施，如机房余热回收为办公和生活用房供暖，采用太阳能照明和太阳能热水器，雨水回收和再生水项目，建筑绿化等。通过协同互动、智能低碳方式，充分提高能源综合利用效率。物理构成包括供配电系统、冷热电三联供系统、光伏系统、风机系统、储能系统、充电系统、智慧管控系统等。多能互补面向终端用户冷、热、电等多种用能需求，有利于实现园区的多能协同供应和能源综合梯级利用。
　　
　　三、数据中心绿色节能未来展望
　　
　　碳中和数据中心是建立在集成应用各种创新低碳技术和创新商业模式基础上的。
　　
　　（1）从“用能侧”入手，最大限度地使用各类冷量资源、节能设备，最大限度提升能源利用效率，有效利用余热。
　　
　　（2）从选址布局入手，优化数据中心选址布局，统筹围绕国家重大区域发展战略，根据能源结构、产业布局、市场发展、气候环境等，适时在自然冷源丰富、电力资源充足的地区合理布局，从源头上解决绿电引入难题。
　　
　　（3）从“供能侧”入手，充分挖掘自身资源，自建或合建分布式清洁可再生发电系统，利用电力交易市场购入绿电，组合使用电化学储能、制氢储能等手段来实现“零碳排”。
　　
　　四、结束语
　　
　　在数字经济时代，随着大数据、云计算、物联网、区块链等新一代数字技术应用的广泛普及，数据中心的地位正在从信息基础设施的边缘迈向核心，并成为承载和驱动千行百业数字化转型的重要底座。我们必须结合国家“双碳”战略，稳步提高能效水平，逐步降低PUE值，合理利用能源，逐步提高可再生能源的利用率，把握行业发展趋势，共同推动数据中心的绿色、低碳、高质量可持续发展。
　　
　　编辑：Harris