趙靜宜，楊瑛潔（.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，北京 00033；.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 數(shù)據(jù)中心碳中和理念

2020 年9 月，中國宣布力爭2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和。實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是國家戰(zhàn)略，也是社會各界的共同責(zé)任。作為信息能源系統(tǒng)發(fā)展的基石，數(shù)據(jù)中心是耗電大戶，更加需要梳理能源架構(gòu)，按照國家政策指引，降低能源消耗，采用一切手段實現(xiàn)碳達(dá)峰乃至碳中和。

中國的碳中和需要構(gòu)建一個“三端共同發(fā)力體系”。第1 端是電力供應(yīng)端的低碳化，第2 端是能源消費端用能以綠電、綠氫、地?zé)岬忍娲?、油、氣。?端是固碳端，把“不得不排放的二氧化碳”用各種人為措施將其固定下來。全國各行業(yè)一起，按照宏觀規(guī)劃路線，經(jīng)過“控碳”“減碳”“低碳”3 個階段，最后達(dá)到“中和”階段［1］。

數(shù)據(jù)中心屬于能源消費端領(lǐng)域，要達(dá)到零碳數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)，應(yīng)首先分析碳排放的組成部分，然后明確建立3步走的方法（見圖1），通過提升能源使用效率以降低電力消耗、使用清潔能源或者能源替代等方式降低碳排放、通過碳交易等方式實現(xiàn)碳抵消的步驟達(dá)到目標(biāo)。

圖1 零碳數(shù)據(jù)中心打造方法及流程

2 千架數(shù)據(jù)中心的碳排放測算

以下以一個華北地區(qū)千架數(shù)據(jù)中心為例進行碳排放的分解說明。

該數(shù)據(jù)中心擁有1 000 個6 kW 機柜，運行PUE 為1.5，假設(shè)該數(shù)據(jù)中心配置16 個維護人員進行維護，維護用房面積為100 m2，冬季購買市政熱力進行辦公采暖。配置6 臺2 000 kW 柴油發(fā)電機組作為備用電源，維護計劃為系統(tǒng)每月帶2 000 kW 假負(fù)載運行0.5 h，人員通勤未使用燃油班車，每年斷電需運行柴油機組帶載的情況合計約10 h。

按照《公共建筑運營企業(yè)溫室氣體排放核算方法和報告指南》（試行）規(guī)定，數(shù)據(jù)中心中的碳排放源主要包括固定燃燒源燃燒化石燃料產(chǎn)生排放，如鍋爐、灶、備用發(fā)電機等化石燃料燃燒產(chǎn)生的排放等；移動燃燒源燃燒產(chǎn)生的排放，如交通工具的排放等；外購電力和熱力的排放；逸散型排放源，如空調(diào)、滅火器和化糞池等產(chǎn)生的排放（排放數(shù)量較小，一般情況下不予考慮）；建筑物周圍新種植樹木的溫室氣體的抵消（由于建筑物周圍新種植樹木的溫室氣體抵消的數(shù)量較小，一般情況下不予考慮）；委托運輸產(chǎn)生的排放（可忽略）共6 個方面［2］。其中后3 個方面數(shù)量較小可忽略，則數(shù)據(jù)中心的碳排放量總值為：

以上各數(shù)值依次為碳排放總量、燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量、外購電力對應(yīng)的碳排放量和外購熱力對應(yīng)的碳排放量，單位為t（tCO2）。

該數(shù)據(jù)中心外購電力產(chǎn)生的碳排放計算如下：

該數(shù)據(jù)中心的電力消耗為：1 000×6×1.5×8 760 kWh=78 840 MWh

購入電力所對應(yīng)的CO2排放量為：

其中AC e 為統(tǒng)計期內(nèi)運營單位（企業(yè)）購入的電量，單位為MWh。

EFe 為統(tǒng)計期內(nèi)運營單位（企業(yè)）所在區(qū)域電力消費的CO2排放因子，單位為tCO2/MWh。2022 年3 月，生態(tài)環(huán)境部應(yīng)對氣候變化司更新了《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施（2022 年修訂版）》，全國電網(wǎng)排放因子調(diào)整為0.581 0 tCO2/MWh［3］。

該數(shù)據(jù)中心化石燃料使用帶來的碳排放計算如下：

該數(shù)據(jù)中心的每年燃油消耗約為：（12×0.5×200×2000+10×9 000×200）/1 000=20 400 kg=20.4 t

每年燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量為：

E燃料=AD×EF=20.4×43.3=883.32 tCO2

其中AD 為消耗的柴油的活動水平數(shù)據(jù)，是柴油燃燒的數(shù)量，單位為GJ。柴油燃燒排放的活動水平數(shù)據(jù)為年度分品種化石能源消耗量和燃料平均低位發(fā)熱量（取缺省值43.3 GJ/t）之積。

EF為柴油的排放因子，單位為tCO2/GJ。

該數(shù)據(jù)中心外購熱力帶來的碳排放計算：

該數(shù)據(jù)中心的熱力消耗約為（120 天）：120×100/1.9=6 315.79 GJ

按照市政供熱每GJ熱量供暖1.9 m2進行估算。

每年外購入蒸汽和熱水所對應(yīng)的CO2排放量為：

E熱力=AC h×EF h=6 315.79 GJ× 0.11 tCO2/GJ=694.74 tCO2

其中AC h 為運營單位（企業(yè)）外購蒸汽和熱水的數(shù)量，單位為GJ。

EF h 為運營單位（企業(yè)）外購的蒸汽和熱水的排放因子，單位為tCO2/GJ。由國家統(tǒng)一規(guī)定確定，現(xiàn)可采用缺省值0.11 tCO2/GJ［2］。

數(shù)據(jù)中心碳排放匯總?cè)缦拢?/p>

該數(shù)據(jù)中心每年的總的碳排放為

E總=E電力+E燃料+E熱力=45 806.04+883.32+694.74=47 384.1 tCO2

其中，電力消耗產(chǎn)生的碳排放占比達(dá)96.67%。

為了方便分析主要因素，上述碳排放計算中忽略了多種影響較小的排放源的排放，比如說空調(diào)設(shè)備、滅火設(shè)備、高壓電力設(shè)備SF6氣體等的逸散物質(zhì)排放，電動車充電形成的電力消耗，如有員工食堂則會出現(xiàn)天然氣燃燒引起的碳排放等，也并未計入生產(chǎn)經(jīng)營過程中的碳排放。具體計算結(jié)果如表1所示。

表1 千架數(shù)據(jù)中心年度碳排放內(nèi)容及占比

實現(xiàn)零碳數(shù)據(jù)中心的目標(biāo)將通過3步走的方式達(dá)成：通過提升能源使用效率以降低電力消耗，使用清潔能源或者能源替代等方式降低碳排放，通過碳交易等方式實現(xiàn)碳抵消。

3 提升數(shù)據(jù)中心能源使用效率

如果將上述算例中該數(shù)據(jù)中心的運行PUE 取值從1.5降低到1.1，每年的總的碳排放則會下降為：

此時比PUE 值為1.5的情況減少12 422.78 tCO2碳排放，降低26.22%。測算運行PUE 從1.5 降低為1.4、1.3、1.2和1.1時總的碳排放下降情況如圖2所示。

圖2 千架數(shù)據(jù)中心運行PUE的降低對于碳排放量的影響

提升數(shù)據(jù)中心能源使用效率可以從根源上降低電力消耗，即通常所理解的降低運行PUE 值。從上述算例分析可知，這個做法大約最多可降低26%的碳排放。圖3 所示為數(shù)據(jù)中心運行PUE 值為1.5 情況下各專業(yè)占比的典型值餅圖，其中IT 設(shè)備貢獻值為67%，空調(diào)制冷系統(tǒng)占到了26%，配電系統(tǒng)對于PUE 值的貢獻小于10%。下面從3 個方面分別介紹提升能源使用效率的技術(shù)實現(xiàn)方式。

圖3 數(shù)據(jù)中心運行PUE分配的典型比例

3.1 數(shù)據(jù)中心降低PUE值的電力節(jié)能措施

數(shù)據(jù)中心的整個配電鏈路在不斷地進行簡化和升級。目前已經(jīng)采取的節(jié)能技術(shù)措施主要有升壓、直流供電、架構(gòu)簡化、提高設(shè)備負(fù)荷率等。

電源設(shè)備的優(yōu)化升級和技術(shù)創(chuàng)新也在快速進行，設(shè)備體積更小，效率更高，維護更為便捷。UPS設(shè)備的效率從90%以下提升到96%，效率的提升不僅能夠節(jié)約設(shè)備自身的耗電，同時也能夠節(jié)約為設(shè)備降溫的空調(diào)設(shè)備的配置和耗電。

中國聯(lián)通自研的預(yù)制化一體化電源設(shè)備2021 年已經(jīng)在某省進行了直流試點應(yīng)用（見圖4），2022 年在某數(shù)據(jù)中心基地進行了交流設(shè)備的大規(guī)模商用，其他一些工程建設(shè)也開始使用這種預(yù)制化集成式設(shè)備。多個應(yīng)用案例已經(jīng)證明，該技術(shù)可以有效節(jié)約電力室面積達(dá)40%，節(jié)約施工周期80%，該設(shè)備的智能化功能可以實現(xiàn)整體鏈路的監(jiān)控預(yù)制，方便后期運維，提升數(shù)據(jù)中心的出機柜率。

圖4 中國聯(lián)通自研的預(yù)裝式一體化電源設(shè)備

3.2 數(shù)據(jù)中心降低PUE值的制冷節(jié)能措施

數(shù)據(jù)中心的PUE 值中，貢獻值最大的除了服務(wù)器設(shè)備之外就是制冷系統(tǒng)。設(shè)法使用更多的自然冷源是數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)的重要方向之一，在近些年的數(shù)據(jù)中心建設(shè)中板式換熱器、間接蒸發(fā)制冷、智能雙循環(huán)空調(diào)等利用自然冷源的技術(shù)被大量采用。另外也有一些數(shù)據(jù)中心開始使用液冷技術(shù)，將熱量用液體換熱方式直接從服務(wù)器帶到室外。其他方面比如封閉冷熱通道、優(yōu)化氣流組織、提高水溫等手段也應(yīng)用較多。同時發(fā)現(xiàn)，單靠單一專業(yè)進行單軍作戰(zhàn)已經(jīng)不能滿足技術(shù)發(fā)展的需要。數(shù)據(jù)中心的冷電協(xié)同和智能管控技術(shù)變得越來越重要。供電設(shè)備和制冷系統(tǒng)開始聯(lián)合起來進行專業(yè)間的技術(shù)研究，中國聯(lián)通目前的研究方向為實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)自控系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)，樓宇自動控制系統(tǒng)等由傳統(tǒng)的向上級平臺匯總轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向交互、協(xié)同控制，通過優(yōu)化調(diào)整使設(shè)備和系統(tǒng)整體運行在效率較高區(qū)域，通過AI調(diào)優(yōu)使得系統(tǒng)的運行更加智能和節(jié)能。

3.3 其他節(jié)能措施

其他的一些高效技術(shù)也在中國聯(lián)通的數(shù)據(jù)中心中被大量采用，能夠明顯提升能效、節(jié)約占地面積、提升出機柜率、降低投資。比如數(shù)據(jù)中心園區(qū)的油機資源池技術(shù)，使用池化的概念將短期內(nèi)富裕的容量調(diào)劑給新建負(fù)荷使用，降低整體TCO；小母線技術(shù)在節(jié)省列頭柜位置的同時也可以靈活擴容，提升出機柜率；室外集裝箱柴油機組的使用在解決了制冷和保溫等因素限制后可以有效加快建設(shè)進度，節(jié)約建筑面積。在前一個規(guī)劃期內(nèi)，中國聯(lián)通全國大面積推廣自研的“云艙”技術(shù)進行氣流組織管理，推廣使用智能雙循環(huán)空調(diào)、間接蒸發(fā)制冷等節(jié)能降碳技術(shù)，已經(jīng)取得了顯著效果。

4 使用清潔能源或能源替代等方式降低碳排放

4.1 降低數(shù)據(jù)中心電力消耗產(chǎn)生的碳排放

4.1.1 電力排放因子的區(qū)別

數(shù)據(jù)中心運營過程中碳排放占比最大的是電力消耗產(chǎn)生的碳排放，這部分碳排放占總體碳排放的95%以上。按照前述分析，通過降低電力消耗即PUE值的方法可以降低26.22%的碳排放，還有約70%屬于電力使用當(dāng)中固有的碳排放需要關(guān)注。要解決這個問題就需要能源供應(yīng)端發(fā)力，改變電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)，降低排放因子，或者企業(yè)引入新能源發(fā)電。

電網(wǎng)排放因子與可再生能源、火電機組單位供電標(biāo)煤耗密切相關(guān)。從理論上講，可再生能源比例越高，火電機組單位供電標(biāo)煤耗越低，電網(wǎng)排放因子越小。

本文采用的全國電網(wǎng)排放因子是2022 年由生態(tài)環(huán)境部規(guī)定的0.581 0 tCO2/MWh。實際上各區(qū)域和各省的電網(wǎng)中清潔能源和可再生能源電力占比相差較大，排放因子各不相同。根據(jù)2019 年4 月《生態(tài)環(huán)境部關(guān)于商請?zhí)峁?018 年度省級人民政府控制溫室氣體排放目標(biāo)責(zé)任落實情況自評估報告的函》的附件“二氧化碳排放核算方法及數(shù)據(jù)核查表”可知，北京市電力排放因子為0.616 8 tCO2/MWh，青海省的電力排放因子只有0.260 2 tCO2/MWh，相差較大［4］。如果將建設(shè)在北京的運行PUE 值為1.5 的數(shù)據(jù)中心改為建在青海省，則每年總的碳排放量可降低至22 092.22 tCO2/MWh，降低幅度達(dá)53.38%。因此將數(shù)據(jù)中心建設(shè)在電力排放因子較低的地域是獲取較低的碳排放的首要措施。

隨著我國可再生能源在電網(wǎng)中發(fā)電比例的增加，電力排放因子將繼續(xù)下降，這對于用戶來說無疑是非常有益的，但是受電網(wǎng)穩(wěn)定性的限制，這個數(shù)值一定有個底限，剩余的無法降低的碳排放依然需要用戶自身解決。

4.1.2 企業(yè)新能源發(fā)電

數(shù)據(jù)中心用戶在企業(yè)內(nèi)部自建新能源發(fā)電站，如屋頂光伏、墻體光伏等光伏電站，使用新能源發(fā)電也可降低自身外購電力產(chǎn)生的碳排放。

在上述算例中，數(shù)據(jù)中心和配套柴油發(fā)電機房屋頂安裝光伏板，采用540 Wp 光伏組件，光伏組件周圍預(yù)留維護空間，經(jīng)測算總裝機容量為84.2 kW，根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB 50797?2012）中的發(fā)電量計算方法［5］，20 年周期內(nèi)年均理論發(fā)電量約為8.2 萬kWh，可節(jié)約的碳排放量為4 764.2 tCO2/MWh，占總碳排放量的10.4%。

另外數(shù)據(jù)中心運營方可以在有條件的地區(qū)就地自建大型光伏電站，或者與光伏電站進行合作引入綠電，這就需要關(guān)注數(shù)據(jù)中心集群配套可再生能源電站、數(shù)據(jù)中心大用戶直供、拉專線、建設(shè)分布式光伏等方式的跟蹤和研究，進一步提高數(shù)據(jù)中心的清潔能源利用比例。

4.2 降低數(shù)據(jù)中心燃料消耗產(chǎn)生的碳排放

本文所述千架數(shù)據(jù)中心中，每年發(fā)電機組所使用燃料產(chǎn)生的碳排放占總的碳排放的1.93%，這一部分排放需要使用什么方法進行消除呢？筆者進行了一系列思考，對比了氫燃料發(fā)電作為備電和電池儲能系統(tǒng)作為備電的技術(shù)可行性。

中國聯(lián)通自2008 年起就開始了小容量的氫燃料電池研究，推動并積極參與中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會組織的氫燃料電池供電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定，2011 年中國聯(lián)通在山東、上海和遼寧進行了基站用氫燃料電池應(yīng)用的試點工作。微軟也在2022 年7 月宣布成功設(shè)計和測試一個3 000 kW 的氫燃料電池系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的備用電源來替代柴油發(fā)電機組［6］。從目前技術(shù)研究情況來看，氫燃料電池有望進入數(shù)據(jù)中心。

電池儲能系統(tǒng)替代柴油發(fā)電機組作為備電也將成為可能。儲能系統(tǒng)可以獲得峰谷電價差之間的利益，但是無法像備用柴油發(fā)電機組那樣依靠8～12 h 燃油儲備和后續(xù)的油罐車加油獲得長時間電力供應(yīng)，故兩者之間的比較不在同一個水平上。根據(jù)測算，如果用戶可以接受1 h 電力后備時間，那么使用2～3 h 的儲能系統(tǒng)無疑是非常合算的備電方式，但如果用戶要求儲能提供12 h的后備電源，則儲能成本將過于高昂。

需要說明的是，行業(yè)中經(jīng)常提到的數(shù)據(jù)中心企業(yè)運營方使用儲能技術(shù)對于降碳并無貢獻，無論是水蓄冷還是電儲能，儲能本身產(chǎn)生能量消耗，并不會使得數(shù)據(jù)中心PUE 值降低。儲能應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心中一方面可以形成與備用電源類似的連續(xù)供電能力，另一方面主要是利用峰谷電價差政策獲得削峰填谷的電價收益。近段時間隨著國家新能源發(fā)電占比提高，為了提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，用戶側(cè)響應(yīng)政策在各地也都紛紛出臺。有儲能設(shè)備的用戶在電網(wǎng)需要進行負(fù)荷調(diào)節(jié)的時候轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际教摂M電廠，發(fā)出電力獲得效益，這也成為一個運營獲益思路。但是由于電網(wǎng)不穩(wěn)定或者是電力出現(xiàn)匱乏的時期，數(shù)據(jù)中心運營方往往會更加關(guān)注電力的可靠連續(xù)運行，需要保證負(fù)荷的用電安全，所以這一政策對于數(shù)據(jù)中心運營方來說是一個進退兩難的誘惑。

如果不采用上述2 種方法，該部分排放可以最終使用碳交易的方式進行抵消。

4.3 降低數(shù)據(jù)中心熱力使用產(chǎn)生的碳排放

本文所述千架數(shù)據(jù)中心中，每年熱力使用產(chǎn)生的碳排放為694.74 tCO2，占總的碳排放45 806.04 tCO2的1.52%，這部分熱力使用可以通過數(shù)據(jù)中心余熱回收的建設(shè)進行消除，難度相對較小。根據(jù)在余熱回收方面的研究成果，規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的熱力資源較為充沛，滿足自身運維的熱力使用只是其中較小的一部分，可以將余熱收集進行處理后與外部熱力管網(wǎng)進行對接，在將來作為碳交易的一部分進行抵消。

4.4 降低數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的其他碳排放

中國聯(lián)通也正著力實施運營全流程管理的數(shù)字化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的智慧能源管理功能，進行能耗的全方位監(jiān)測和運營優(yōu)化管理；同時著手進行數(shù)據(jù)中心的碳管理，從設(shè)計、采購、建設(shè)、運營、回收等各個環(huán)節(jié)進行管理降碳。這部分屬于范圍3 的排放，需要在進行管理降碳與統(tǒng)計之后移交碳抵消和碳交易環(huán)節(jié)來處理。

5 碳抵消和碳交易

實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的碳中和，除了使用各種手段降低能耗，減少碳排放，還需要采用合理的措施進行碳抵消?？紤]到在數(shù)據(jù)中心碳排放各組成成分中，由于受到電網(wǎng)穩(wěn)定性限制，電力系統(tǒng)不可能實現(xiàn)完全使用非化石能源發(fā)電，所以外購電力不可能實現(xiàn)完全無排放，則需要考慮購買綠證或者使用綠電的方式降低或抵消外購電力產(chǎn)生的碳排放；而碳中和進程當(dāng)中，化石能源的使用和熱力使用，以及人員活動當(dāng)中產(chǎn)生的少量排放也需要充分考慮。國家為加快能源轉(zhuǎn)型，促進新能源發(fā)電的發(fā)展和能源領(lǐng)域碳排放控制，不斷推出新的政策和市場機制，已分別推出全國碳交易和綠電交易試點工作。截至目前，我國能源領(lǐng)域已經(jīng)形成了綠證交易、綠電交易和包含碳排放配額和CCER 在內(nèi)的碳交易3種市場機制并行的格局。預(yù)計可以通過企業(yè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)方式建設(shè)高質(zhì)量生態(tài)碳匯的手段來抵消和碳交易，例如使用在一些資源豐富的地區(qū)構(gòu)建林業(yè)碳匯、草原碳匯等方式。將來為了實現(xiàn)全國范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心運營碳中和的目標(biāo)，可以考慮與區(qū)塊鏈碳信用供應(yīng)商合作，購買高質(zhì)量的碳信用，或者使用碳金融交易方式作為數(shù)據(jù)中心碳中和戰(zhàn)略的重要補充。

6 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心運行的降碳目標(biāo)是成為零碳數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)碳中和。需要對現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)進行詳細(xì)分析，對數(shù)據(jù)中心在生命周期內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量進行梳理，使用各種手段減少直接排放，通過降低能耗、使用新能源、外購綠電等方式減少范圍2排放，通過人員及生產(chǎn)活動標(biāo)準(zhǔn)化梳理和資產(chǎn)全流程碳資源管理等手段降低范圍3 排放，同時使用林業(yè)碳匯固碳、二氧化碳捕集利用與封存、碳交易等方式進行正負(fù)抵消，實現(xiàn)總排放為零的數(shù)據(jù)中心。

中國聯(lián)通一直關(guān)注數(shù)據(jù)中心的碳增長點，正在建立完善的系統(tǒng)化雙碳管理平臺，依靠數(shù)字化手段對目前的碳源進行梳理管控，致力于建立健全總量+強度指標(biāo)體系，加強行業(yè)協(xié)同，為完善“雙控”制度做準(zhǔn)備。同時，對新形勢下能耗指標(biāo)在企業(yè)內(nèi)部的流動及考評也進行了研究和試點。在國家政策指引下，應(yīng)加強關(guān)注碳排放源，建立健全化石能源和主要網(wǎng)絡(luò)用電設(shè)備臺賬，為碳核查、碳交易做準(zhǔn)備。關(guān)注碳變化點，結(jié)合投資及新型模式引入進程，逐步完善用電計量，為考核及碳交易做準(zhǔn)備。