“雙碳”背景下數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀與節(jié)能技術(shù)研究

摘要：在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，數(shù)據(jù)中心的能耗問題越來越受到重視。近幾年，數(shù)據(jù)中心數(shù)量快速增加，數(shù)據(jù)中心能耗也在快速增長。本文首先介紹了我國數(shù)據(jù)中心的能耗現(xiàn)狀和管控政策，然后分析研究了數(shù)據(jù)中心節(jié)能的主要技術(shù)，并且提出了相關(guān)的政策建議。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰;碳中和;數(shù)據(jù)中心;節(jié)能技術(shù)

一、我國數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀

在碳達(dá)峰、碳中和的背景下，數(shù)據(jù)中心的能耗問題越來越受到重視。近幾年，隨著數(shù)據(jù)中心的數(shù)量迅速增長，數(shù)據(jù)中心的能耗越來越高。全球方面，數(shù)據(jù)中心電力消耗總量占全球電力總消耗量的8%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了十二萬家，并且數(shù)量還在快速增長。2021年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量已經(jīng)超過兩千億千瓦時(shí)，比上海市2021年總用電量還要多，達(dá)到全社會總用電量的2%。如果折算為二氧化碳排放量，則超過4000萬噸。預(yù)計(jì)2025年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量可能達(dá)到三千億千瓦時(shí)。

電能利用效率（PUE）是評價(jià)數(shù)據(jù)中心電能使用效率的最重要指標(biāo)，該指標(biāo)是總用電量與IT設(shè)備用電量的比值。PUE值的基準(zhǔn)是2，越接近1就說明能效水平越高。隨著政府不斷加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的節(jié)能審查等監(jiān)管機(jī)制，新建大型和超大型數(shù)據(jù)中心的節(jié)能水平不斷提高，但是現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的PUE值普遍處在1.5到2的水平，中小型數(shù)據(jù)中心的 PUE值普遍超過2，這樣的能耗水平與國際上先進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)1.1到1.2的水平相比是落后的。由于不斷采用節(jié)能新技術(shù)，我國數(shù)據(jù)中心的PUE值逐步下降，PUE值高于2的數(shù)據(jù)中心數(shù)量占比從2012年的高于30%下降到目前的低于2%，但是PUE值高于1.5的數(shù)據(jù)中心仍然超過80%。按照2019年的數(shù)據(jù)，全國數(shù)據(jù)中心耗電量相當(dāng)于三峽水電站發(fā)電量的兩倍，用在IT設(shè)備上的電量只有一座三峽的電能，另一座三峽的電能則花在了空調(diào)等輔助設(shè)備上，空調(diào)系統(tǒng)的耗電量能夠達(dá)到數(shù)據(jù)中心總能耗的40%。

未來數(shù)據(jù)流量不斷增加會推動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步擴(kuò)容，隨著新基建政策的落地，數(shù)據(jù)中心耗電量還會不斷上升。據(jù)測算，目前我國數(shù)據(jù)存儲總量已經(jīng)達(dá)到500EB，未來五年還將以20%到30%的增速快速增長。數(shù)據(jù)中心數(shù)量和規(guī)模在未來很長的時(shí)期內(nèi)還會快速增長，所以其能耗和碳排放量也會快速上升。

在“雙碳”形勢下，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)被列入政府部門對碳排放的重點(diǎn)管控目錄，接受更加嚴(yán)格的監(jiān)管。節(jié)能已經(jīng)成為一個數(shù)據(jù)中心的重要優(yōu)勢。目前數(shù)據(jù)中心正在面臨著越來越大的節(jié)能減排壓力。

二、我國政府對數(shù)據(jù)中心能耗的管控要求

切實(shí)做好“雙碳”相關(guān)工作被國家列為重點(diǎn)工作并寫入了2021年的政府工作報(bào)告。雖然數(shù)據(jù)中心并沒有被劃入“兩高”行業(yè)，但是由于其能耗較高，許多地方政府將其納為重點(diǎn)監(jiān)管，對數(shù)據(jù)中心的管控力度接近石化等傳統(tǒng)行業(yè)。近年來，中央和地方政府陸續(xù)出臺了一批促進(jìn)數(shù)據(jù)中心行業(yè)綠色發(fā)展的文件。

工信部發(fā)布的《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PUE值要低于1.4。工信部在《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出到2025年年底，新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心PUE值下降到1.3以下。

地方政府方面。以北上廣深為首的核心一線城市紛紛跟進(jìn)，推出嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)中心 PUE值的相關(guān)政策，對能耗總量進(jìn)行限制，大力推廣綠色節(jié)能新技術(shù)，對土地指標(biāo)也提出了管制要求。北京、上海、山東、廣州等地相繼發(fā)布了行動方案或者行動計(jì)劃，對新建數(shù)據(jù)中心PUE值的管控要求為1.3。浙江省則明確把數(shù)據(jù)中心列為重點(diǎn)用能企業(yè)，擬對其實(shí)施電價(jià)加價(jià)的措施。

除此之外，貴州、江蘇、四川等省也制定對數(shù)據(jù)中心能耗的管制政策，旨在進(jìn)一步推動數(shù)據(jù)中心向綠色低碳方向發(fā)展。

目前北京、上海等少數(shù)區(qū)域已經(jīng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)中心能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，但是全國層面還沒有建立起對數(shù)據(jù)中心能耗和二氧化碳排放的監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)、管理的機(jī)制，節(jié)能減排工作還處于散點(diǎn)式管理的階段，還沒有形成全國性的產(chǎn)業(yè)減排體系，全國性、系統(tǒng)性的能源使用效率和碳排放管理不足，所以管理效率還處于偏低的水平。

三、數(shù)據(jù)中心節(jié)能的主要方法和技術(shù)

（一）優(yōu)先選擇水冷式制冷方式，充分利用自然冷源

制冷方式對數(shù)據(jù)中心PUE值影響很大，選擇節(jié)能的制冷方式是降低能耗的重要手段。除此之外，充分利用自然冷源也能夠有效降低PUE值。

數(shù)據(jù)中心的制冷技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、也最成熟的是采用風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)，這種制冷方式不但系統(tǒng)簡單，而且運(yùn)維方便，還具有故障率低、可以靈活配置的突出優(yōu)點(diǎn)，但是水冷式制冷方式在對自然冷源的利用上明顯高于風(fēng)冷式制冷方式。此外，水冷式制冷方式還具有高可靠、高可用等優(yōu)點(diǎn)。

（二）合理選擇數(shù)據(jù)中心選址

數(shù)據(jù)中心選址除了要綜合考慮安全、電力、交通等因素，還要著重關(guān)注制冷因素。Google等公司選擇把數(shù)據(jù)中心建在北歐，就是看中了北歐地區(qū)溫度較低的優(yōu)勢，從而為服務(wù)器制冷創(chuàng)造了有利條件，從而有效降低了制冷系統(tǒng)的能耗。

在選址方面，騰訊在貴安建設(shè)的七星數(shù)據(jù)中心選址在了山洞里，山洞內(nèi)采用了名為“T-block”的新技術(shù)，該技術(shù)是騰訊在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域研發(fā)的第四代技術(shù)，把IT設(shè)備、電力設(shè)備、空調(diào)設(shè)施等設(shè)備預(yù)制成，再把“方倉”像積木一樣在場地內(nèi)拼裝對接，能夠有效縮短工程建設(shè)所需的時(shí)間。除此之外，該數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備采用了新型的間接換熱技術(shù)，能夠充分利用貴陽地區(qū)平均氣溫15℃的環(huán)境條件，使得理想狀態(tài)下的PUE能夠達(dá)到1.1，在目前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)的節(jié)能水平方面處于領(lǐng)先地位。

阿里云在選址方面才用了選在水里的方式，其浸沒液冷的相關(guān)技術(shù)目前處于領(lǐng)先地位。阿里云建在杭州的仁和數(shù)據(jù)中心采用全浸沒的液冷方式，在全球同類型數(shù)據(jù)中心中規(guī)模排第一，能夠節(jié)約超過70%的能耗，全年平均PUE能夠達(dá)到1.09，全年節(jié)約電量七千萬度，相當(dāng)于西湖邊上路燈一年耗電量的八倍。

（三）合理設(shè)計(jì)通風(fēng)路徑

絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)都考慮到了冗余配置，由于IT設(shè)備的負(fù)載往往會低于設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，而且運(yùn)維管理的水平也不高，機(jī)房內(nèi)經(jīng)常會出現(xiàn)過量制冷的現(xiàn)象。如果通風(fēng)路徑設(shè)計(jì)得不合理，還會出現(xiàn)氣流旁通和再循環(huán)等現(xiàn)象。氣流旁通現(xiàn)象是指冷氣流沒有經(jīng)過IT設(shè)備，而是繞過IT設(shè)備直接回到空調(diào)，從而浪費(fèi)了散熱氣流，使得空調(diào)進(jìn)出口的溫差較小，制冷效率大大降低;氣流再循環(huán)現(xiàn)象是指已經(jīng)被IT設(shè)備加熱的氣流不是直接返回空調(diào)，又一次進(jìn)入機(jī)柜內(nèi)從而形成了再循環(huán)，這種現(xiàn)象會使得設(shè)備入口的溫度較高，降低了設(shè)備的可用性。

應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)冷熱通道，比如對服務(wù)器采取背靠背的排列方式，使冷風(fēng)從服務(wù)器前部吹入，氣流吸收IT設(shè)備的熱量之后從服務(wù)器的后部排出。機(jī)柜內(nèi)部服務(wù)器布局的合理性也很重要，應(yīng)當(dāng)使機(jī)柜的前部和服務(wù)器前部保持同一方向，有必要在服務(wù)器與機(jī)柜前門之間建立專門的冷氣流通道，機(jī)柜前門則應(yīng)當(dāng)完全密封。通過合理設(shè)計(jì)通風(fēng)路徑，可以避免機(jī)房過量制冷、氣流旁通、氣流再循環(huán)等造成的能量浪費(fèi)。

（四）上線智能化能耗管控系統(tǒng)，實(shí)施空調(diào)的智能群組控制

大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的精密空調(diào)采用的是獨(dú)立制冷方式，不同空調(diào)分別負(fù)責(zé)不同區(qū)域的制冷任務(wù)，不同之間相互獨(dú)立、沒有相互之間的通信，所以經(jīng)常會出現(xiàn)有的空調(diào)在制冷除濕、而另一臺空調(diào)在制熱加濕的現(xiàn)象。缺乏精細(xì)管理和合理的運(yùn)行機(jī)制是空調(diào)的制冷效率不高的重要原因。通過對空調(diào)進(jìn)行智能群組控制，使得多個空調(diào)能夠有效協(xié)調(diào)配合，降低風(fēng)機(jī)工作時(shí)長，降低壓縮機(jī)啟停頻率，最終達(dá)到機(jī)房節(jié)能的目的。

有的數(shù)據(jù)中心可以通過傳感器收集的數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)時(shí)的所需制冷量，然后智能控制空調(diào)的制冷量和風(fēng)量。還可以把空調(diào)對制冷量的需求信息傳導(dǎo)到冷凍水機(jī)組，從而使得冷凍水機(jī)組可以根據(jù)制冷量的需求來調(diào)節(jié)凍冷水的水溫。比如，潤迅數(shù)據(jù)合肥數(shù)據(jù)中心上線了精細(xì)智能化能耗管控系統(tǒng)，并且在系統(tǒng)架構(gòu)方面采用自然冷卻、間接蒸發(fā)冷卻等多種節(jié)能技術(shù)，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

（五）在數(shù)據(jù)中心管理中充分運(yùn)用AI、云計(jì)算等技術(shù)

比如，華為采用了名為“iCooling”的能耗智能優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)充分運(yùn)用了AI，在硬件條件不變的情況下，能夠節(jié)約制冷系統(tǒng)的能耗達(dá)到8%;華為還通過AI算法實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的全自動巡檢，甚至能夠進(jìn)行故障預(yù)測，節(jié)約運(yùn)維人力約四分之一。

在AI技術(shù)運(yùn)用方面，阿里云不斷應(yīng)用節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。阿里云還不斷推進(jìn)綠色算力改造，通過算力的高效利用和復(fù)用的技術(shù)構(gòu)造，使得算力本身越來越綠色。

越來越多的企業(yè)把人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)運(yùn)用于數(shù)據(jù)中心。機(jī)房運(yùn)維管理系統(tǒng)能夠持續(xù)采集室外氣溫、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等信息并且計(jì)算PUE值，然后傳遞給AI平臺，AI平臺借助人工智能算法通過分析數(shù)據(jù)，測算不同運(yùn)行模式中哪一種的節(jié)能最優(yōu)，在充分考慮PUE最低和安全性的平衡的前提下選擇最好運(yùn)行模式并自動傳達(dá)指令，從而使得數(shù)據(jù)中心既做到了節(jié)能也保障了安全。比如，霍尼韋爾綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)和AI預(yù)測技術(shù)，制定最合理的節(jié)能方案，并且在運(yùn)維過程中不斷調(diào)整、修正，從而達(dá)到最佳的節(jié)能狀態(tài)。此外，云計(jì)算技術(shù)也可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心節(jié)能，通過公共云計(jì)算服務(wù)能夠提高資源利用效率，從而使IT設(shè)備得到最大化的利用。有學(xué)者提出了用比特管理瓦特的概念，是用指通過數(shù)字技術(shù)來改進(jìn)的能耗管理。通過綜合運(yùn)用數(shù)字技術(shù)與能源技術(shù)能夠促進(jìn)人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的進(jìn)步，從而推進(jìn)能源行業(yè)向數(shù)字化發(fā)展。

（六）通過運(yùn)用高頻UPS提高電源轉(zhuǎn)化效率

高頻模塊化的UPS具有器件少、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前該技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。通過運(yùn)用高頻UPS能夠明顯提升電源轉(zhuǎn)化效率，大約可以在普通UPS的基礎(chǔ)上提高4%到5%，達(dá)到96%，如果采用ECO模式效率能夠達(dá)到99%。而且高頻UPS也可以有效提高供電可靠性與安全性。

此外，提高電源轉(zhuǎn)化效率還有多種方法。比如，谷歌公司通過消除中心式UPS，把電池分散安裝到在每一個服務(wù)器，使這些分布式電池自身就能夠提供電力供應(yīng)，其電能轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到99.9%。

（七）充分利用新能源

比如，阿里云率先探索開展綠色電力交易，成為全國第一批綠電交易的客戶，光伏電力交易量達(dá)到了一億千瓦時(shí)，是互聯(lián)網(wǎng)公司中在該次交易的最大綠電購買者。騰訊在綠色節(jié)能上探索利用屋頂光伏給數(shù)據(jù)中心供電，達(dá)到了良好的節(jié)能效果。

（八）對機(jī)房余熱進(jìn)行回收利用

大型和超大型數(shù)據(jù)中心每年有大量的熱量需要排出。而數(shù)據(jù)中心周邊的辦公樓等建筑在冬季需要熱量來進(jìn)行供暖。建筑物的冬季供暖通常是通過鍋爐或者熱泵來解決，這就會造成大量能源消耗。如果在數(shù)據(jù)中心使用熱回收的冷水機(jī)組，則可以為周邊辦公樓提供穩(wěn)定的熱源用來供暖，這樣不但降低了數(shù)據(jù)中心對環(huán)境的熱污染，還進(jìn)一步降低了碳排放。如果采用這種方式，一個大型數(shù)據(jù)中心可以對周邊上萬平米的房間進(jìn)行免費(fèi)供暖。比如，萬國數(shù)據(jù)5A級的北京三號數(shù)據(jù)中心回收機(jī)房余熱并提供給周圍用戶使用，實(shí)現(xiàn)了能源的綜合利用。騰訊數(shù)據(jù)中心也探索利用機(jī)房余熱回收用于供暖。

四、數(shù)據(jù)中心節(jié)能的政策性建議

（一）提高大型數(shù)據(jù)中心占比

在數(shù)據(jù)中心高速發(fā)展的情況下，目前我國數(shù)據(jù)中心建設(shè)仍然處于小而散的階段，以中小型數(shù)據(jù)中心為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國數(shù)據(jù)總量已經(jīng)占到全世界的20%，但是我國的大型數(shù)據(jù)中心的數(shù)量只占全世界的10%。我國大型、超大型數(shù)據(jù)中心的比例與發(fā)達(dá)國家相比仍然偏低。許多大型國有企業(yè)往往愿意自行建設(shè)數(shù)據(jù)中心，不愿意租用數(shù)據(jù)中心或者購買第三方服務(wù)，這種情況是制約大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重要原因。如果能夠提高大型數(shù)據(jù)中心占比，有利于降低數(shù)據(jù)中心的PUE值。

（二）“東數(shù)西算”推動數(shù)據(jù)中心向西遷移

目前我國數(shù)據(jù)中心的地區(qū)分布方面，京津冀、長三角、和珠三角等發(fā)達(dá)地區(qū)的規(guī)模較大，發(fā)達(dá)地區(qū)數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)量能夠占到全國的一半。但是東部地區(qū)普遍存在能耗指標(biāo)緊張的問題，而西部地區(qū)具有土地資源充足、可再生能源豐富等優(yōu)勢，所以西部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心發(fā)展迅速。烏蘭察布和貴州等地吸引了多家互聯(lián)網(wǎng)知名企業(yè)投資建設(shè)數(shù)據(jù)中心。在這種趨勢下，政府也積極推出相關(guān)政策支持。

（三）引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心充分利用可再生能源

鼓勵把模塊化氫電池和太陽能板房運(yùn)用于數(shù)據(jù)中心建設(shè)，并且與儲能、氫能等新技術(shù)相結(jié)合，不斷提高可再生能源在數(shù)據(jù)中心能耗中的占比。鼓勵大型、超大型數(shù)據(jù)中心嘗試建立新能源電力的專線供電。

應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)數(shù)據(jù)中心在選址時(shí)優(yōu)先靠近新能源發(fā)電側(cè)，以便于就近使用新能源。目前有的互聯(lián)網(wǎng)知名公司已經(jīng)逐步推動其數(shù)據(jù)中心盡量使用綠色能源。有的數(shù)據(jù)中心探索應(yīng)用多站融合的方案。比如，在推進(jìn)電源綠色化方面，依據(jù)不同數(shù)據(jù)中心的選址情況，通過建設(shè)分布式光伏或風(fēng)力發(fā)電，并且與儲能技術(shù)相結(jié)合，從而建立一個為數(shù)據(jù)中心供電的綠色電力系統(tǒng)。

為了使數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要把軟件、硬件、能源等行業(yè)集合起來，統(tǒng)籌建設(shè)變電站、儲能站和數(shù)據(jù)中心，從而建立多站融合的新模式。

（四）積極探索運(yùn)用液冷技術(shù)

傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的散熱介質(zhì)是空氣，其散熱速度存在一定瓶頸。未來數(shù)據(jù)中心向著大規(guī)模和高熱密度的方向發(fā)展，單機(jī)架的功率密度會進(jìn)一步提高。

用特制液體取代空氣作為冷媒為發(fā)熱部件進(jìn)行散熱的液冷技術(shù)，是一種數(shù)據(jù)中心節(jié)能的新方法。液冷技術(shù)具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，并且能夠達(dá)到高熱密度的散熱要求。在數(shù)據(jù)中心運(yùn)用液冷技術(shù)之后，數(shù)據(jù)中心可以保持40℃以上的運(yùn)行溫度。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，液冷技術(shù)是目前我國數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)中最有效的。預(yù)計(jì)2025年中國液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將超千億元。

（五）加快數(shù)據(jù)中心運(yùn)維人才培養(yǎng)

目前我國在數(shù)據(jù)中心運(yùn)維方面還存在人才短缺的現(xiàn)象。特別是隨著數(shù)據(jù)中心新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心運(yùn)維越來越需要更多掌握多領(lǐng)域知識的綜合性運(yùn)維人才。

作者單位：石云鵬? ? 中國人民銀行濟(jì)南分行科技處

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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