董 雯 劉鄭海 耿國胤 王 臻 孟熙慧子
1 中國聯(lián)通研究院 北京 100048
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當(dāng)下,氣候變化的影響正對全人類生存發(fā)展帶來重大挑戰(zhàn),各國紛紛加速向碳中和轉(zhuǎn)型,“綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展”成為世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一致目標(biāo)。目前全球已有超過100個國家作出碳中和承諾。2020年9月,習(xí)近平主席在聯(lián)合國大會宣布,“中國二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。
我國是世界最大的能源生產(chǎn)國和消費國,碳排放總量大,如圖1所示,2020年我國能源碳排放99億噸,占全球碳排放的31%。而且我國正處于工業(yè)化發(fā)展階段,經(jīng)濟(jì)仍處在高速發(fā)展階段,能源需求還將剛性增長,要在2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰,時間短、任務(wù)重。
圖1 2020年世界主要國家碳排放占比(數(shù)據(jù)源自英國石油公司)
中國在“十四五”規(guī)劃中明確指出要加快數(shù)字化發(fā)展,推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實體經(jīng)濟(jì)深度融合。2021年政府工作報告指出,加快數(shù)字化發(fā)展,打造數(shù)字經(jīng)濟(jì)新優(yōu)勢,協(xié)同推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型??深A(yù)見的是,大數(shù)據(jù)、云計算、5G、物聯(lián)網(wǎng)等將帶來計算量和數(shù)據(jù)量的激增,根據(jù)賽迪顧問公司預(yù)測,從2020年到2035年,中國數(shù)據(jù)量的增長規(guī)模約為每兩年增加一倍(如圖2所示)。面臨市場需求的高速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心行業(yè)的能源需求與碳減排挑戰(zhàn)不容忽視。在中國邁向碳中和的道路上,實現(xiàn)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的綠色高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要,為使數(shù)字技術(shù)對于中國社會的減排效應(yīng)發(fā)揮到最大,其自身的高耗能和高碳排問題亟需重視,數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)應(yīng)率先開始綠色化轉(zhuǎn)型,以實現(xiàn)發(fā)展和環(huán)境的共贏。
圖2 2020~2035年中國數(shù)據(jù)量增長規(guī)模預(yù)測
中國數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的能耗與碳排放主要集中在數(shù)據(jù)中心與通信基站領(lǐng)域,其中數(shù)據(jù)中心占很大比例,是節(jié)能減排關(guān)鍵點。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)》指出,2020年全國數(shù)據(jù)中心碳排放量高達(dá)9485萬噸,約占中國全社會碳排放的1%[1]。
隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速,數(shù)據(jù)中心作為智能世界的底座,建設(shè)規(guī)模和功率密度不斷提升,能耗總量呈高速增長趨勢,根據(jù)數(shù)字能源產(chǎn)業(yè)智庫預(yù)測,全球的數(shù)據(jù)中心能耗將從2020年的6700億kWh,快速增長至2025年的9500億kWh,占全球總用電量的3%左右。近年來,我國數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)保持每年30%左右的增速,預(yù)計到“十四五”末,數(shù)據(jù)中心用電量在全社會用電量的占比也將超過3%[2]。按照目前的發(fā)展趨勢,數(shù)據(jù)中心行業(yè)很難在2030年實現(xiàn)碳達(dá)峰,必須進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)型才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,逐步達(dá)到碳中和目標(biāo)。
要實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的碳中和,必須多管齊下,首先,需要提升能效指標(biāo),最大限度降低空調(diào)、供電等配套設(shè)備設(shè)施的能耗,同時優(yōu)化IT設(shè)備能效;其次,應(yīng)充分發(fā)掘利用清潔能源,包括靈活調(diào)峰、儲能設(shè)施等在內(nèi)的一系列機制,數(shù)據(jù)中心將從單純的用能系統(tǒng)逐漸演變?yōu)榫C合能源系統(tǒng),自建自用綠色能源;在必要時,通過綠電交易、碳交易等手段,實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心碳抵消,確保數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)溫室氣體“零排放”[3]。
數(shù)據(jù)中心能耗主要由兩部分構(gòu)成,分別是IT設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施,IT設(shè)備主要由服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成,為企業(yè)和用戶提供服務(wù),是數(shù)據(jù)中心的核心設(shè)備?;A(chǔ)設(shè)施主要由供配電、UPS、高壓直流、空調(diào)、照明、辦公、消防等各系統(tǒng)構(gòu)成,是確保IT設(shè)備穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)保障設(shè)施。
PUE是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心行業(yè)普遍認(rèn)可的能效評估指標(biāo),在數(shù)值上等于數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗之比,一般按照年度總能耗來計算,PUE值越接近1,表明IT設(shè)備能耗在總能耗中占比越高,電能利用越有效。比如一個數(shù)據(jù)中心的年度總能耗為1.5億kWh,IT設(shè)備的年度總能耗是1億kWh,那么這個數(shù)據(jù)中心的PUE就是1.50。因此,數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)化的基本目標(biāo)是對PUE優(yōu)化,在不影響業(yè)務(wù)處理能力基礎(chǔ)上,盡量降低供配電、UPS、空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施的電能消耗[4]。對應(yīng)上面的例子來說,在保障“1”的基礎(chǔ)上,盡量減低“0.50”。
由于空調(diào)系統(tǒng)的能耗和環(huán)境溫、濕度密切相關(guān),而我國面積遼闊,各地區(qū)氣候差異較大,我們以華中地區(qū)為例,來說明PUE優(yōu)化的措施和能夠達(dá)到指標(biāo)。目前,大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)普遍采用集中式冷凍水系統(tǒng),供電系統(tǒng)采用獨立的變配電系統(tǒng)和高頻UPS、高壓直流系統(tǒng)。各系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計負(fù)載并穩(wěn)定運行后的典型PUE為1.50,通過采用各種節(jié)能技術(shù),在不改變現(xiàn)有IT機架結(jié)構(gòu)的情況下,最多可以將數(shù)據(jù)中心PUE從1.50降低到1.25,整個數(shù)據(jù)中心的能耗和碳排放可下降約17%。優(yōu)化前后各系統(tǒng)PUE因子占比情況如圖3、圖4所示。
圖3 優(yōu)化前數(shù)據(jù)中心各系統(tǒng)PUE因子占比
圖4 優(yōu)化后數(shù)據(jù)中心各系統(tǒng)PUE因子占比
從PUE指標(biāo)的構(gòu)成因子可以看出,數(shù)據(jù)中心除IT設(shè)備自身用電之外,空調(diào)系統(tǒng)的用電量占比超過70%,是節(jié)能降碳的關(guān)鍵發(fā)力方向??照{(diào)系統(tǒng)的能耗與設(shè)備本身的能效比COP、室外側(cè)可用自然冷源及室內(nèi)側(cè)熱交換效率密切相關(guān)。
首先,隨著水冷系統(tǒng)、新型精密空調(diào)末端及液冷技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的能效比COP不斷提升,制冷能力不斷增強,COP從傳統(tǒng)冷水機組的6提升到了蒸發(fā)冷卻冷水機組的15。
從室外側(cè)自然冷源角度來看,利用自然冷源越充分,空調(diào)系統(tǒng)的機械制冷時間也就越短,能耗越低。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)大多采用集中式冷凍水方案,制冷效率低,耗水量高,能量損耗嚴(yán)重。新型數(shù)據(jù)中心首先應(yīng)優(yōu)化選址,優(yōu)選氣候條件適宜、可再生能源供應(yīng)充足的地區(qū)建設(shè)數(shù)據(jù)中心,因地制宜地采用自然風(fēng)冷、間接蒸發(fā)冷等方案,充分利用自然冷源,減少機械制冷工作時間,并輔助采用提升回風(fēng)溫度、提升水溫等手段,降低空調(diào)系統(tǒng)的電力消耗,可將空調(diào)PUE因子從0.38降低到0.18左右。
在數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)備自身技術(shù)不斷提升的同時,制冷設(shè)施的布局也在發(fā)生著變化,制冷末端逐漸向熱源靠近,從早期的房間級制冷向行級、機柜級和服務(wù)器級演進(jìn),制冷末端越靠近熱源,效率越高。液冷技術(shù)就是一種典型的服務(wù)器級制冷技術(shù),將室內(nèi)側(cè)的熱交換媒介從傳統(tǒng)的氣體變?yōu)橐后w,依靠液冷技術(shù)對機柜或IT部件進(jìn)行換熱制冷,液體比熱容遠(yuǎn)高于氣體,制冷效率更高,節(jié)能效果更好。采用高溫服務(wù)器結(jié)合浸沒式液冷可進(jìn)一步將空調(diào)PUE因子從0.18降低到0.08左右,但是這種方式需要改變IT機架的整體結(jié)構(gòu),適合超高功率機架采用,目前需求量較低。
供配電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心的IT、空調(diào)、照明等所有用電設(shè)備提供電能支持,電能損耗主要是由變壓器、各級轉(zhuǎn)換設(shè)備、配電設(shè)備和供電線路產(chǎn)生。UPS系統(tǒng)或高壓直流系統(tǒng)是為IT設(shè)備供電的,電能損耗與設(shè)備本身的能效密切相關(guān)。不少數(shù)據(jù)中心是按IT設(shè)備峰值負(fù)荷需求進(jìn)行冗余設(shè)計的,實際的運行負(fù)載很少處于峰值狀態(tài),然而傳統(tǒng)UPS設(shè)備在低負(fù)荷率時電能轉(zhuǎn)換效率低,導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心UPS能效難以提升。
隨著供電設(shè)備的技術(shù)發(fā)展與更新?lián)Q代,提高效率、降低能耗成為關(guān)注重點,數(shù)據(jù)中心采用的節(jié)能降碳措施主要包含提升設(shè)備效率、改變運行方式、優(yōu)化供電架構(gòu)等。
首先,選用效率高且覆蓋負(fù)載范圍寬的UPS設(shè)備或高壓直流設(shè)備;然后改變運行方式,將UPS系統(tǒng)從雙變換模式調(diào)整為ECO節(jié)能模式或動態(tài)在線等高效運行模式,使IT設(shè)備在大部分時間內(nèi)工作在市電直供狀態(tài);最后可以優(yōu)化供電架構(gòu),將傳統(tǒng)的獨立變配電系統(tǒng)、獨立UPS系統(tǒng)合并成一套一體化供電系統(tǒng),減少配電開關(guān)級數(shù),縮短供電距離,降低供配電損耗。上述多種手段相結(jié)合,可以將供電PUE因子從0.10降低到0.06左右。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的備電方案采用鉛酸電池,體積大、重量大、壽命短,3~5年就需要更換。近年來隨著大容量鋰電池的生產(chǎn)工藝不斷提升,已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于5G基站等ICT行業(yè)。鋰電池的能量密度和大電流放電能力遠(yuǎn)高于鉛酸電池,安裝面積是鉛酸電池的1/3,循環(huán)壽命是鉛酸電池的10倍,數(shù)據(jù)中心如果采用鋰電池備電的話,碳排量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉛酸電池。
數(shù)據(jù)中心投運之后,一般初期負(fù)荷率較低,隨著客戶入駐和業(yè)務(wù)量的提升,負(fù)荷逐步提升,因此空調(diào)、電源等系統(tǒng)的工作模式需要進(jìn)行持續(xù)的調(diào)整和優(yōu)化。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心依賴人工維護(hù),各個系統(tǒng)的工作模式全靠維護(hù)人員的經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整,缺乏系統(tǒng)間協(xié)同和實時應(yīng)變能力,資源利用率和能效水平低。
新型數(shù)據(jù)中心采用數(shù)字化智能運維方案,部署大量傳感器收集各種設(shè)備、環(huán)境參數(shù),應(yīng)用AI和大數(shù)據(jù)技術(shù),實現(xiàn)供電、供冷設(shè)備隨業(yè)務(wù)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,有效降低運維成本,減少碳排放。
IT設(shè)備是數(shù)據(jù)中心的核心,也是能耗的主要來源。在IT設(shè)備中,服務(wù)器能耗占比最高,服務(wù)器的節(jié)能策略一般分為以下兩類。
第一類,基于硬件性能的能效優(yōu)化,指通過采用低能耗電子元件或采用動態(tài)調(diào)壓調(diào)頻(Dynamic Voltage and Frequency Scaling,DVFS)技術(shù)來降低服務(wù)器能耗,但是會在一定程度上降低系統(tǒng)的實時性。
第二類,基于負(fù)載調(diào)度的能效優(yōu)化,虛擬化技術(shù)的發(fā)展簡化了負(fù)載調(diào)度,負(fù)載調(diào)度算法的節(jié)能原理體現(xiàn)在以下兩方面:一是均衡各主機負(fù)載,防止部分主機由于負(fù)載率高而影響業(yè)務(wù)處理質(zhì)量并產(chǎn)生局部熱點;二是集中低負(fù)載主機上的虛擬機,將部分主機關(guān)閉或休眠從而降低能耗[4]。
目前數(shù)據(jù)中心行業(yè)采取的方式主要從IT設(shè)備軟硬件層面來降低功耗。IT基礎(chǔ)架構(gòu)方面,從應(yīng)用優(yōu)化、架構(gòu)規(guī)劃/優(yōu)化、產(chǎn)品選型進(jìn)行整體優(yōu)化,平衡降耗與提效,例如用AI技術(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的分時調(diào)度,實現(xiàn)智能預(yù)測,對服務(wù)器設(shè)備進(jìn)行合理的擴容和縮容,優(yōu)化計算資源的分配,提升服務(wù)器的利用率。
數(shù)據(jù)中心的建筑和園區(qū)也要實施綠色節(jié)能的設(shè)計和措施,比如機房余熱回收為辦公和生活用房供暖,采用太陽能照明和太陽能熱水器,雨水回收和再生水項目,建筑綠化,設(shè)置充電樁等手段,最大限度降低碳排放。
實現(xiàn)碳中和是一項系統(tǒng)工程,一直以來,數(shù)據(jù)中心用電多依賴于以化石能源發(fā)電為主的電網(wǎng)電力,數(shù)據(jù)中心供電側(cè)如何最大限度地開發(fā)、利用清潔可再生電力尤為關(guān)鍵,我國可再生能源豐富,但在數(shù)據(jù)中心如何有效利用需要進(jìn)一步探索和實踐。
我國東西部數(shù)據(jù)中心布局不平衡,而且與能源供給能力不匹配。從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心分布情況來看,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的人口密集區(qū)域(如京津冀、長三角、粵港澳、成渝)能源供給緊張,機架數(shù)量在全國的占比超過了60%;經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西部地區(qū)能源富裕,而且風(fēng)能、光能等可再生能源占比較高,但是機架數(shù)量在全國的占比僅10%左右,按照未來5年的市場需求進(jìn)行測算,如果政府不干預(yù)的話,東西部數(shù)據(jù)中心布局將進(jìn)一步失衡。
西部地區(qū)氣候寒冷干燥,可再生能源豐富,能夠契合數(shù)據(jù)中心綠色高質(zhì)量發(fā)展的需求。我國“西電東送”項目目前供電能力達(dá)到2億千瓦,但是由于跨區(qū)域供電電纜在國土空間布局上的限制,據(jù)估算未來“西電東送”的最大供電能力約為5億千瓦,面臨東部用電需求不斷快速增長的趨勢,“西電東送”的壓力日趨增大。因此,主動引導(dǎo)東部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心等算力設(shè)施到西部去,可為東部經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展騰出空間。
因此“東數(shù)西算”工程是一個系統(tǒng)性工程,一是實現(xiàn)東西部數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)調(diào)整;二是同步建設(shè)全國數(shù)據(jù)中心八大樞紐節(jié)點間的直連網(wǎng)絡(luò);三是提升數(shù)據(jù)中心的綠色化、集約化水平,將大型、超大型數(shù)據(jù)中心的可再生能源平均利用率提升至50%左右,PUE下降至1.3以下;四是具備多地多數(shù)據(jù)中心的云計算能力,初步形成公共云服務(wù)體系[5]。
在數(shù)字中國、綠色中國的目標(biāo)引導(dǎo)下,數(shù)據(jù)中心正在成為影響社會可持續(xù)發(fā)展的重點領(lǐng)域。數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃布局,涉及到數(shù)據(jù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的整體效率和能效,必須將三者的規(guī)劃建設(shè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào),才能實現(xiàn)企業(yè)和行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,助力實現(xiàn)國家的能源和氣候目標(biāo)。因此,在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計中,最重要的是選址,應(yīng)以國家“東數(shù)西算”政策為牽引,充分考慮所在地能源供給情況,盡量選址在綠電資源、可再生能源富裕的區(qū)域,從源頭降低碳排放,為實現(xiàn)碳中和數(shù)據(jù)中心奠定堅實基礎(chǔ)。
如表1所示,根據(jù)華為公司測算,百萬機架的數(shù)據(jù)中心,從東南遷移到西北,PUE從1.35降低到1.15,十年可以節(jié)電1187億度,節(jié)省建設(shè)及運營總成本860億元。
表1 東數(shù)西算數(shù)據(jù)中心模型成本測算表
經(jīng)過三十多年的發(fā)展,目前我國光伏裝機容量已達(dá)2.5億千瓦,成為世界上裝機容量最大的國家,國內(nèi)已形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈,系統(tǒng)的建設(shè)成本在逐步走低。最新的調(diào)研顯示,當(dāng)前大、中型規(guī)模光伏電站的工程單位造價已低于5元/Wp[6]。數(shù)據(jù)中心建設(shè)方可以充分發(fā)掘機房屋面、園區(qū)空地等資源,自建太陽能光伏,自發(fā)自用,降低市電消耗和碳排放。
由于光伏發(fā)電占地面積特別大,直接使用屋頂光伏等手段能夠?qū)崿F(xiàn)綠電替代的比例非常小。目前主流的單晶硅太陽能組件的單位面積發(fā)電量約為140~180W/m2,而現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心單機架的平均耗電量已達(dá)到6kW/架以上,單位面積的耗電量達(dá)到1.2kW/m2以上,而且呈上升趨勢,因此數(shù)據(jù)中心用電如果全部采用光伏的話,需要約8倍于數(shù)據(jù)中心建筑面積的場地來安裝光伏板,而現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心大都為多層建筑,4~6層建筑居多,除屋頂之外的空余場地非常少,那么屋面太陽能只能滿足整個數(shù)據(jù)中心1/48~1/32的用電。僅采用數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)自建光伏,難以滿足自用需求,還要結(jié)合購買綠電等其他手段來實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。
由于數(shù)據(jù)中心耗電量巨大,多數(shù)情況下需要外部電力供應(yīng),那么可以通過電力交易市場購入光伏發(fā)電、風(fēng)電、水電等“零碳綠電”,或是投資建設(shè)光伏電站、風(fēng)電站、水電站等綠色能源站來解決。隨著綠電交易機制進(jìn)一步完善,綠證為重要補充方式,可通過自愿認(rèn)購綠證的方式降低碳排放。
此外,還要積極跟蹤國家相關(guān)的支持鼓勵政策,充分利用電力交易、碳交易等手段以及數(shù)據(jù)中心商業(yè)模式創(chuàng)新來全面降碳,最終實現(xiàn)碳中和。
碳中和數(shù)據(jù)中心是建立在集成應(yīng)用各種創(chuàng)新低碳技術(shù)和創(chuàng)新商業(yè)模式基礎(chǔ)上的,首先,從“用能側(cè)”要最大限度地使用各類冷量資源、節(jié)能設(shè)備,最大限度提升能源利用效率;其次,響應(yīng)國家“東數(shù)西算”政策,優(yōu)化數(shù)據(jù)中心選址布局,統(tǒng)籌圍繞國家重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略,根據(jù)能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)布局、市場發(fā)展、氣候環(huán)境等,適時在自然冷源豐富、電力資源充足的一體化算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點地區(qū)合理布局,從源頭上解決綠電引入難題;最后,從“供能側(cè)”入手,充分挖掘自身資源,自建或合建分布式清潔可再生發(fā)電系統(tǒng),同時利用電力交易市場、碳交易市場等手段來實現(xiàn)“零碳排”。因此,要遵從長期規(guī)劃、因地制宜、深入挖潛的原則,以最終目標(biāo)為導(dǎo)向,多措并舉、逐步推進(jìn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降碳進(jìn)程。
在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代,隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新一代數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的廣泛普及,數(shù)據(jù)中心的地位正在從信息基礎(chǔ)設(shè)施的邊緣邁向核心,并成為承載和驅(qū)動千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要底座,我們必須結(jié)合國家“雙碳”戰(zhàn)略,把握行業(yè)發(fā)展趨勢,共同推動數(shù)據(jù)中心的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。