文/姚云龍 陸皞 孫悅 王敏 劉彬

一、引言

數(shù)字經(jīng)濟(jì)是繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)后的主要經(jīng)濟(jì)形態(tài)，將會(huì)影響全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、并改變?nèi)蚋偁幐窬?，爆發(fā)式的數(shù)據(jù)量促使數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。在“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“加快建設(shè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革”。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展和數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)量增加，相應(yīng)能耗持續(xù)增加。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心主要依賴火電，能耗增加直接導(dǎo)致碳排放增加。在“雙碳”目標(biāo)下，數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)行面臨嚴(yán)峻的碳排放挑戰(zhàn)。

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，多位學(xué)者開展相應(yīng)研究，如聶耀昱等[1]探討了新型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同推進(jìn)實(shí)施數(shù)字中國戰(zhàn)略和碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略，潘玲穎等[2]研究了新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)集聚與能源消費(fèi)中心分布的關(guān)系，但“雙碳”目標(biāo)下新型數(shù)據(jù)中心在全生命周期過程中如何發(fā)展缺乏系統(tǒng)研究。本文從數(shù)據(jù)中心全生命周期角度探討在“雙碳”目標(biāo)下新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展路徑。

二、數(shù)據(jù)中心能耗與碳排放分析

（一）建筑能耗與碳排放

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)專委會(huì)發(fā)布的《2022 中國建筑能耗與碳排放研究報(bào)告》[3]，2020年全國建筑全過程能耗與碳排放統(tǒng)計(jì)詳見表1。

表1 2020年全國建筑全過程能耗與碳排放統(tǒng)計(jì)

由表1 可知，建筑能耗與碳排放主要集中在建材生產(chǎn)和建筑運(yùn)維階段，施工階段占比小，分析如下：

1. 建材生產(chǎn)階段包含工程消耗建材在其生產(chǎn)全過程的能耗和碳排放，數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)類型與其他建筑無區(qū)別，建材生產(chǎn)階段的能耗量和碳排放量可參考中國建筑全過程能耗和碳排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2. 建筑施工階段采用的施工安裝技術(shù)與其他建筑無區(qū)別，在施工階段的能耗和碳排放可參考中國建筑全過程能耗和碳排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3. 建筑運(yùn)維階段包含維持建筑使用功能和建筑內(nèi)各設(shè)備等室內(nèi)活動(dòng)的能耗和碳排放。表1 為普通建筑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該結(jié)果可供數(shù)據(jù)中心園區(qū)綜合樓參考，而數(shù)據(jù)中心樓和動(dòng)力中心樓以電子信息設(shè)備和配套設(shè)備為主，應(yīng)對(duì)設(shè)備的能耗和碳排放進(jìn)行研究。

（二）設(shè)備能耗與碳排放

數(shù)據(jù)中心運(yùn)行階段能耗和碳排放遠(yuǎn)大于普通建筑，且在全生命周期中占比大。《中國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2023年）》[4]對(duì)全國數(shù)據(jù)中心能耗與碳排放情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與預(yù)測，2021年統(tǒng)計(jì)結(jié)果和2025年預(yù)測結(jié)果詳見表2。

表2 全國數(shù)據(jù)中心能耗與碳排放統(tǒng)計(jì)與預(yù)測

根據(jù)表2 可知，數(shù)據(jù)中心能耗和碳排放占比較大。伴隨數(shù)字中國國家戰(zhàn)略布局，數(shù)據(jù)中心快速建設(shè)帶來能耗和碳排放的持續(xù)增加，給達(dá)成“雙碳”目標(biāo)帶來巨大挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心除需要考慮建筑生產(chǎn)施工和設(shè)備運(yùn)行能耗和碳排放外，還應(yīng)考慮設(shè)備生產(chǎn)制造和運(yùn)輸過程中的能耗和碳排放。通過對(duì)全生命周期涉及到的各類內(nèi)容進(jìn)行能耗和碳排放管理，從而實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

三、新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展路徑

（一）可再生能源與儲(chǔ)能

可再生能源包括太陽能、風(fēng)能，生物能、水能，地?zé)崮埽瑲淠艿?，其在消耗后可得到恢?fù)補(bǔ)充，且不會(huì)排放二氧化碳，采用可再生能源發(fā)電是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑。

數(shù)據(jù)中心能耗大部分來自非再生能源發(fā)電供應(yīng)，主要來自通過燃燒煤和天然氣形成的火力發(fā)電，會(huì)排放大量的二氧化碳。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年中國數(shù)據(jù)中心能耗937 億千瓦時(shí)，占中國全社會(huì)用電量的1.13%，預(yù)測2025年全國數(shù)據(jù)中心能耗1200 億千瓦時(shí)，占中國全社會(huì)用電量1.23%[4]。數(shù)據(jù)中心能耗占全社會(huì)能耗比例大，采用可再生能源帶來的電力供應(yīng)將有助于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

我國可再生能源中的風(fēng)力、光伏、水力資源優(yōu)勢(shì)明顯，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國水電機(jī)組容量上限約為560GW，光伏裝機(jī)容量上限約為117.2TW，風(fēng)電裝機(jī)容量上限約為6580GW[5]。由于光伏裝機(jī)容量上限是水電機(jī)組容量上限的209 倍，風(fēng)電裝機(jī)容量上限是水電機(jī)組容量上限的12 倍，因而我國未來綠色電力發(fā)展的主要方向是加大光伏與風(fēng)電的裝機(jī)容量，預(yù)計(jì)2060年光伏與風(fēng)電的裝機(jī)容量滲透率為69.83%，數(shù)據(jù)中心充分利用好光伏發(fā)電與風(fēng)電，將有助于在能耗增加的情況下，依然實(shí)現(xiàn)碳減排。受自然條件限制，風(fēng)電和光伏發(fā)電具有利用小時(shí)數(shù)和保證出力低、出力分布和日內(nèi)功率波動(dòng)大等特征，在并網(wǎng)前可結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)有效抑制風(fēng)電和光伏發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性。

數(shù)據(jù)中心為不間斷運(yùn)行，且具有時(shí)空效應(yīng)特點(diǎn)，可結(jié)合實(shí)際用戶負(fù)荷情況對(duì)算力進(jìn)行時(shí)間和空間上的重分配，通過數(shù)據(jù)中心算力的重分配可均衡服務(wù)器使用效率，又能滿足負(fù)荷的削峰填谷。大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃建設(shè)110KV 變電站，并配套儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)削峰填谷和可再生能源的靈活調(diào)度，降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)維成本，提高可再生能源利用率。對(duì)于不具備自建110KV變電站的數(shù)據(jù)中心園區(qū)可考慮配建儲(chǔ)能設(shè)施或租用儲(chǔ)能設(shè)施。此外，采用氫燃料電池代替柴油發(fā)電機(jī)作為數(shù)據(jù)園區(qū)后備應(yīng)急電源系統(tǒng)，有助于在使用應(yīng)急電源時(shí)降低數(shù)據(jù)中心碳排放。

（二）規(guī)劃布局與產(chǎn)業(yè)集聚

綜合考慮數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、現(xiàn)代能源體系規(guī)劃和用戶分布特征，以及電力傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、算力需求、算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)集聚等影響，推進(jìn)綠色規(guī)劃布局，在符合規(guī)劃要求前提下進(jìn)行項(xiàng)目選址，降低運(yùn)維過程碳排放。

“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃明確提出在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈、貴州、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等地區(qū)布局全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點(diǎn)，建設(shè)數(shù)據(jù)中心集群，結(jié)合應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)等發(fā)展需求優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局?！笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃明確提出綠色低碳轉(zhuǎn)型工程布局，加快西南水電基地建設(shè)，在廣東、福建、浙江、江蘇、山東等地開展海上分散式風(fēng)電基地建設(shè)，在青海、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆等地規(guī)劃布局分散式風(fēng)電和分布式光伏等。第七次全國人口普查結(jié)果顯示，東部地區(qū)人口占39.93%，中部地區(qū)人口占25.83%，西部地區(qū)人口占27.12%，東北地區(qū)人口占6.98%。此三項(xiàng)因素對(duì)數(shù)據(jù)中心規(guī)劃布局形成重要影響，其相互關(guān)系詳見圖1。

圖1 新型數(shù)據(jù)中心規(guī)劃布局影響因素

考慮到可再生能源比例逐年提高，數(shù)據(jù)中心選址應(yīng)結(jié)合風(fēng)、光、水力發(fā)電規(guī)劃布局，就近消納可再生能源電力，減少電力傳輸帶來的不必要損耗，如在貴州、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等地區(qū)規(guī)劃布局，不僅可使用這些地區(qū)豐富的可再生能源，而且地區(qū)氣候適宜，有助于降低運(yùn)行能耗，分布區(qū)域詳見圖1 中B 區(qū)。

全國人口分布的聚集區(qū)域，同時(shí)屬于算力需求量聚集區(qū)域，典型的聚集區(qū)如京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈等，在此類區(qū)域規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心可滿足算力對(duì)時(shí)延的需求，相應(yīng)數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求量大，是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，分布區(qū)域詳見圖1 中C 區(qū)，該區(qū)域有助于布置超低時(shí)延核心數(shù)據(jù)中心和低時(shí)延數(shù)據(jù)中心。

此外，在沿海風(fēng)電資源分布廣泛的廣東、福建、浙江、江蘇、山東等區(qū)域，同時(shí)滿足可再生能源分布區(qū)和算力需求區(qū)，其分布區(qū)域詳見圖1 中D區(qū)。圖1 中A 區(qū)集“東數(shù)西算”八大集群、算力需求集聚、可再生能源分布于一體，如在長三角和粵港澳大灣區(qū)結(jié)合風(fēng)力發(fā)電基地布局新型數(shù)據(jù)中心。

（三）循環(huán)經(jīng)濟(jì)與綠色建筑

數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)中心樓、動(dòng)力中心樓、綜合樓、110KV變電站、室外工程等組成，涉及傳統(tǒng)建筑工程領(lǐng)域?！笆奈濉毖h(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃指出，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有顯著的資源節(jié)約與碳減排協(xié)同效應(yīng)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)遵循“減量化、再利用、資源化”的原則。綠色建筑是可持續(xù)發(fā)展的建筑，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)在建筑領(lǐng)域的體現(xiàn)。推動(dòng)數(shù)據(jù)中心在建筑全生命周期過程中采用循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色建筑發(fā)展理念，是“雙碳”目標(biāo)下新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必由之路。

1. 在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中引入“減量化”理念，研究數(shù)據(jù)中心各專業(yè)建設(shè)內(nèi)容，提出能滿足2 ～3 代設(shè)備發(fā)展的數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案，并力求形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推廣使用，如采用裝配式建筑模塊、裝配式機(jī)電模塊等，結(jié)合智慧化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化開料、大規(guī)模批次生產(chǎn)，充分降低材料和人工消耗。實(shí)施“減量化”設(shè)計(jì)及建造，采用簡潔化裝修，避免耗費(fèi)裝飾材料。建造全過程引入數(shù)字化理念，選取合理的建造工藝，如采用綜合支架考慮多專業(yè)協(xié)同。通過“減量化”有助于實(shí)現(xiàn)綠色建造、形成產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)、降低能耗和碳排放。

2. 在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行中引入“再利用”理念，積極響應(yīng)國家清潔生產(chǎn)改造政策，實(shí)施園區(qū)循環(huán)化發(fā)展工程。積極推進(jìn)光伏建筑儲(chǔ)能一體化、設(shè)備耗能余熱回收、污水處理和循環(huán)再利用等資源綜合再利用方案。如在綜合樓屋面布置光伏，縮短供電路徑，減少電網(wǎng)供電過程損耗，可滿足綜合樓的能耗要求。再如數(shù)據(jù)中心設(shè)備余熱回收作為供暖使用，減少建筑的額外供暖能耗，有助于降低能耗和碳排放。

3. 在數(shù)據(jù)中心全生命周期中引入“資源化”理念，選擇能夠滿足回收再利用的材料和節(jié)約輔助材料和人工的安裝工藝，推動(dòng)建筑垃圾源頭減量。在建造過程中引入綠色建造工藝及管理措施，推進(jìn)渣土、泥漿、垃圾等資源化利用。在設(shè)備生產(chǎn)、加工和回收過程中，形成規(guī)范化生產(chǎn)、回收及拆解流程，推進(jìn)智能化與精細(xì)化拆解，實(shí)現(xiàn)設(shè)備材料的100% 資源化利用。

（四）電子信息設(shè)備與配套設(shè)備

在數(shù)據(jù)中心運(yùn)行階段中，產(chǎn)生能耗的設(shè)備主要包括電子信息設(shè)備和配套設(shè)備，其中配套設(shè)備又包含散熱冷卻設(shè)備、供配電設(shè)備以及其他配套設(shè)備。以數(shù)據(jù)中心年平均PUE 值1.3為例，電子信息設(shè)備能耗占比約77%，散熱冷卻設(shè)備能耗占比約16%，電源設(shè)備占比約6%，其他占比約1%。由此可見，在“雙碳”目標(biāo)下降低電子信息設(shè)備和散熱冷卻設(shè)備的能耗是解決碳排放的重要途徑。

1. 數(shù)據(jù)中心安裝的主體設(shè)備為電子信息設(shè)備，包括服務(wù)器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組等。其中服務(wù)器的能耗占比最高，可達(dá)到50%，存儲(chǔ)器能耗占比35%，其余電子信息設(shè)備能耗占比15%。電子信息設(shè)備在運(yùn)行階段的能耗與設(shè)備運(yùn)行能耗、業(yè)務(wù)負(fù)載率等相關(guān)。在數(shù)據(jù)中心發(fā)展過程中，通過產(chǎn)品迭代更新促使電子信息設(shè)備在處理等量數(shù)據(jù)量的情況下逐漸降低自身能耗，并通過優(yōu)化服務(wù)器算法，為客戶均衡分配資源，采用合理的節(jié)能策略實(shí)現(xiàn)電子信息設(shè)備節(jié)能。

2. 數(shù)據(jù)中心配套設(shè)備是除電子信息設(shè)備外主要的能耗設(shè)備，能源消耗集中在散熱冷卻設(shè)備和供配電設(shè)備中，散熱冷卻設(shè)備能耗占比達(dá)到配套設(shè)備總能耗的70% 左右，應(yīng)列為碳減排研究重點(diǎn)。衡量標(biāo)準(zhǔn)采用數(shù)據(jù)中心能源效率（power usage effectiveness,PUE），即消耗的所有能源與電子信息設(shè)備消耗的能源比值，屬于有效能耗概念范疇，該比值大于1，越接近1表明非電子信息設(shè)備耗能越少，即能效水平越好。國家發(fā)展和改革委員會(huì)等四部門發(fā)布文件明確提出全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率降到1.3 以下，國家樞紐節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步降到1.25 以下。

目前，數(shù)據(jù)中心主流冷卻技術(shù)為間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、集中式水冷系統(tǒng)、氟泵空調(diào)系統(tǒng)和液冷技術(shù)。液冷技術(shù)又可分為冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷，目前以冷板式和浸沒式為主。以內(nèi)蒙古和林格爾集群為例，各類冷卻技術(shù)相應(yīng)的PUE 統(tǒng)計(jì)值如圖2 所示。

圖2 不同類型散熱冷卻設(shè)備PUE

從圖2 可知，隨散熱冷卻設(shè)備的不斷創(chuàng)新，PUE 越來越接近1，非電子信息設(shè)備耗能越來越少，有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的“雙碳”目標(biāo)。

（五）智能運(yùn)維與更新改造

在數(shù)據(jù)中心全生命周期中加強(qiáng)運(yùn)維管理提升運(yùn)維效率，對(duì)存量機(jī)房進(jìn)行設(shè)備更新改造均有助于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。傳統(tǒng)運(yùn)維較多采用人為控制，受人數(shù)、客觀、主觀以及電子信息設(shè)備多維度、海量數(shù)據(jù)等因素制約，存在算力資源分配不均衡、散熱冷卻設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不均衡以及故障率高不能及時(shí)處理等特征，均不利于碳減排。

建議對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施數(shù)字化，并制定完整的數(shù)字化、流程化、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則，形成具有兼容性接口的各類協(xié)議，通過接入人工智能，在已制定的規(guī)則下結(jié)合能源管理規(guī)則進(jìn)行智能化管理，優(yōu)化算力資源分配和散熱冷卻設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維過程的自我檢測、診斷和報(bào)告等，最終實(shí)現(xiàn)新型數(shù)據(jù)中心的自動(dòng)駕駛。

對(duì)存量數(shù)據(jù)中心及時(shí)改造升級(jí)，加快應(yīng)用高密度、高效率電子信息設(shè)備，并結(jié)合原有條件改造實(shí)施散熱冷卻設(shè)備，對(duì)小型數(shù)據(jù)中心進(jìn)行遷移整合，對(duì)算力資源進(jìn)行合理化分配并降低時(shí)延，更好地滿足城市邊緣計(jì)算需求，通過以上更新改造實(shí)現(xiàn)存量數(shù)據(jù)中心的碳減排。

四、結(jié)束語

數(shù)字經(jīng)濟(jì)繁榮促使數(shù)據(jù)中心大量建設(shè)，推高其能耗和碳排放。通過研究數(shù)據(jù)中心建筑和設(shè)備的能耗和碳排放特點(diǎn)，給出有助于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展路徑：數(shù)據(jù)中心采用可再生能源、儲(chǔ)能、氫燃料電池等措施實(shí)現(xiàn)碳減排；依據(jù)國土空間規(guī)劃、數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、能源體系規(guī)劃，推進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色規(guī)劃布局，降低運(yùn)行過程中的碳排放；引入循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色建筑理念實(shí)現(xiàn)減量化、再利用、資源化，實(shí)現(xiàn)碳減排；采用同等處理能力低能耗電子信息設(shè)備和散熱冷卻設(shè)備，降低PUE 實(shí)現(xiàn)碳減排；結(jié)合數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心自動(dòng)駕駛，實(shí)現(xiàn)碳減排。通過以上發(fā)展路徑，規(guī)劃并建設(shè)新型數(shù)據(jù)中心，有效降低碳排放，甚至實(shí)現(xiàn)零碳排放，對(duì)“雙碳”目標(biāo)下數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路具有指導(dǎo)意義。