從能源利用角度探討數據中心發展戰略

何承堯

1 信息產業發展迅猛

當今，信息產業的發展日新月異，迅猛異常，以“云計算”和“大數據”為概念特征引領信息產業向廣度、深度不斷擴展，"信息爆炸"所產生的海量，甚至天量數據，通過互聯網交換，其存儲和流通需求，催生了互聯網數據中心（Internet Data Center）的建設和蓬勃發展。據相關統計資料顯示：2008年至2013年6年間，我國數據中心的市場規模增長了5.4倍，年均增長率超過30%，預計至2016年，仍將保持年均30%的增長率。目前，我國的數據中心的服務器共約500萬臺。就上海而言，按“四個中心”：國際經濟中心、國際金融中心、國際貿易中心、國際航運中心及“科技創新中心”、智慧城市等功能要求，據測算將需要建設一批數據中心，安裝大約2000萬臺服務器。

2 數據中心的迅猛發展與節能減排的矛盾日益突顯

數據中心雖是IT行業的“寵兒”，卻是不折不扣、名副其實的耗能大戶。以擬建的某數據中心為例：本期建設服務器機架9500個，裝機功率43 450 kW。取數據中心能效指標PUE=1.5，年用電量為4億kWh。該數據中心規劃最終建設規模為30 000個機架，全部建成運行后，按以上數據推算年用電量為12.63億kWh，約為上海市“一產”用電量的1.7倍，全市用電量的0.9%。換言之，一個數據中心的用電量約為全市用電量的1%。

若按上海全部數據中心安裝2 000萬臺服務器估算，全部設備的裝機功率為450萬kW，年用電量將達283.8億kWh，約為2013年全市用電量的20%。這意味著要為這2 000萬臺服務器增建一個大型發電基地，大量增加發電設備的容量，而且，按上海市供電煤耗0.3 kg標準煤/kWh計，則每年要消耗85萬t標準煤，將對全市實現能耗總量控制目標產生嚴重的影響。

從萬元產值能耗指標來看：上述數據中心本期項目年綜合能耗為12.06萬t標準煤，年產值為65 846萬元，萬元產值能耗為1.832 t標準煤，為2013年上海市萬元產值能耗0.545 t標準煤的3.36倍。這清楚表明：數據中心的建設將嚴重影響上海萬元產值能耗下降目標的完成。

綜上所述，無論從全市能源消費量的總量控制目標，或是從萬元產值能耗下降的目標看，數據中心的大規模的建設將帶來能耗上升較大的負面影響，促使我們能源工作者進行深入的思考，另辟蹊徑，探討數據中心的發展策略，爭取在發展信息產業的同時，兼顧節能減排，收到“魚和熊掌兼得”的效果。

3 數據中心的用能特點

為了降低和控制數據中心的能源消耗，就必須認真、深入地分析數據中心的用能特點：

3.1 機房功率密度高，電力負荷集中、強度大，負荷特性全年呈剛性

以每臺服務器機架4.5 kW計，數據中心如安裝10 000個機架，則裝機功率為4.5萬kW，加上輔助設備功率，總裝機功率可達6.75萬kW（取PUE=1.5）。如安裝30 000個機架，則總裝機功率達20.25萬kW，而且數據中心全年不間斷運行，負荷峰谷差較小，呈剛性，這就要求有強勁的電網為它供電，以策安全。

3.2 空調負荷大，且以內熱源為主，全年負荷基本平穩

數據中心的能耗主要包括：

——IT設備的能耗（主機能耗）

——其他設備的能耗（包括：電氣、空調、照明、通風、動力等設備）的能耗（輔機能耗）

其中，空調能耗占了輔機能耗的絕大部分，而空調能耗中，主要是排放內熱源所散發出來的熱量，IT設備運行中散發出來的熱量占了大部分，電氣設備運行中散發出來的熱量次之，照明設備散發出來的熱量再次之。由于機房基本無人值守、辦公，因此，由新風帶進室內的熱量有限。外熱源主要是由太陽光的輻射從廠房圍護結構（包括屋頂和四面墻壁，門窗等）帶進室內的熱量。由于廠房圍護結構的窗墻比可以控制得較小，屋頂和墻壁如能達到熱工性能標準，則由外熱源所產生的空調負荷相對比較小，僅略高于照明設備發熱所產生的空調負荷，而且低于電氣設備發熱而產生的空調負荷。而機房全年不間斷運行，年運行小時為8 760 h，因而，由內熱源所產生的空調負荷是基本穩定的，季節性負荷差異較小。

4 數據中心的發展策略

數據中心是互聯網的重要組成部分，為互聯網海量數據的存儲和流通提供服務，而互聯網是由光纜構成的網絡，光的傳輸速度高達30萬km/s，即使兩地相隔遙遠，信號傳輸是轉瞬即到。因此，數據中心的布局可不受地理位置的限制，不必完全布局在中心城市。按照數據中心電力負荷集中，強度大的用能特點，應將它布置在靠近能源基地（如：大型水電站，火電站，大型煤礦坑口電站等），同時由于數據中心的空調負荷大，可將它布置在高緯度地區。由于，上海處于夏熱冬冷地區，又是能源凈輸入地、西電東送目的地，針對上海的具體情況，特提出如下建議：

4.1 數據中心配置自備電廠兼作調峰電廠

數據中心配置自備電廠，其所發之電可就近供應數據中心使用，并將網電作為備用，既減輕了電網的供電壓力，又減少了輸電線損。以上海市某擬建數據中心為例：數據中心選用以天然氣為燃料的兩臺9E級燃氣—蒸汽聯合循環機組，單臺發電功率20萬kW，一臺運行即可滿足數據中心用電負荷的需求;另一臺作為備用，網電作為再備用，雙重保險。同時自備電廠兼有調峰功能，用電高峰時，啟動備用機組，可提供20萬kW調峰容量。這種設計的好處是：

（1）對數據中心而言，可節省百余臺備用柴油機組（按100%容量備用，且N+1冗余，備用柴油機總裝機功率為22萬kW。）及相關設備的投資和運行、維護費用。

（2） 提高了數據中心供電的安全可靠性.由原來兩路網電供電，柴油發電機備用，改為兩臺燃氣—蒸汽聯合循環發電機組一用一備，再加上兩路網電備用，相當于再增加一道保險，提高了供電的安全可靠性.

（3）數據中心采用自備電廠所發的電較購買網電價格便宜，可降低數據中心運行成本，提高經濟效益。

（4）兼顧調峰功能，為電網減少峰谷差作貢獻。由于數據中心的用電負荷是剛性的，用電高峰時，數據中心采用自備電廠所發的電，相當于減輕了電網的負擔，并可啟動備用燃氣—蒸汽聯合循環機組發電上網，提供20萬kW頂峰容量，有利于減少電網峰谷差。

（5）燃氣—蒸汽聯合循環機組的汽輪機可采用抽汽—背壓汽輪機或背壓式汽輪機，將燃氣輪機發電后的煙氣余熱，通過溴化鋰吸收式制冷機轉化成冷量向數據中心供冷，可大大提高綜合能源利用率。空調負荷的不足部分可用自發電驅動電制冷機予以補充，部分蒸汽還可提供必須的熱負荷，自備電廠也就成了數據中心電、冷、熱三聯供的能源中心。

4.2 將數據中心建在液化天然氣接收站和氣化廠附近，利用液化天然氣氣化時所產生的冷量，作為數據中心空調制冷的冷源

目前，我國的數據中心的PUE大多處于2.2~3.0之間，少數采用先進技術的數據中心的PUE為1.6左右，而世界上最先進的數據中心，即Facebook建在北極圈的數據中心的PUE僅為1.07，它充分利用了北極寒冷的氣候環境和大量的冷水資源作為天然冷源，有效地降低了用于空調制冷的用電量。上海處于夏熱冬冷地區，要降低數據中心的PUE值難度極大，但是，上海有其獨特的有利條件——建有液化天然氣接收站。當液化天然氣氣化時，將釋放大量的冷量，1 t液化天然氣釋放的冷量為19.82萬kcal。現在，液化天然氣的氣化廠是利用海水加熱氣化，或在頂峰時采用天然氣燃燒直接加熱使天然氣氣化，不僅讓大量的冷量被海水帶走，而且要消耗能源，對海洋環境也帶來一定的影響。

如果將數據中心建在液化天然氣接收站和氣化廠附近，則可將液化天然氣氣化時所釋放的冷量作為冷源，提供數據中心空調制冷，大大為減少空調制冷的用電量，從而有效地降低PUE值。此外，還可節省數據中心的空調系統（包括空調機組、冷卻水泵、冷卻塔等）的投資和運行費用。

上海的液化天然氣接收站一期規模為300萬t/年，液化天然氣氣化時所產生的冷量（包括液化天然氣氣化時釋放的潛熱和從液化氣儲存溫度升高至環境溫度的顯熱，按830 kj/kg，即198.25 kcal/kg計。）將近6 000億kcal/年，即使利用率為50%，則為3 000億kcal/年，能滿足上海市遠期全部數據中心的空調容量。

若再將為數據中心配套、以天然氣為燃料，采用燃氣——蒸氣聯合循環機組的自備電廠建在一起，則更有利于提高綜合能源利用率，如將燃氣--蒸汽聯合循環機組中的汽輪機改為抽汽—凝汽式汽輪機或凝汽式汽輪機，則可利用液化天然氣氣化冷量供空調制冷后排放的水的剩余冷量加入凝汽式汽輪機的凝汽器作循環冷卻水，由于此水的水溫仍低于環境中的海水水溫，便可提高凝汽器的真空度，使汽輪機發出更多的電量，提高發電效率。由此，數據中心的PUE值有望降低至1.1～1.2，大大減輕上海這類超大型城市的能源負擔，也有利于數據中心的持續發展。

3）上海應及早規劃，適當控制數據中心的發展規模

鑒于上海是能源凈輸入的特大城市，又處于夏熱冬冷地區，節能減排的任務很重，大量的數據中心如建在本地，導致從數千里之外“西電東送”的電，相當一部分又被數據中心消耗了，為此，可考慮將數據中心建在能源基地附近和高緯度地區，通過互聯網光纜遠程交換和儲存數據信息，既完全不會影響使用功能，并能利用當地充足的能源和氣候條件，可有效減輕上海的能源供應壓力和降低遠程輸電的損耗。

如前所述，數據中心如建在上海，擬建在液化天然氣接收站和氣化廠附近，就近利用液化天然氣氣化時所產生的冷能，以降低數據中心的空調能耗，但空調能耗僅占數據中心總能耗三成左右，它仍然是一個超級能耗大戶，對上海實現能耗總量控制目標相當不利。同時，根據中心的萬元產值能耗高達1.832 t標準煤，勢必影響“十三五”期間以后萬元產值能耗下降目標的完成。為此，筆者建議：對上海數據中心的建設應及早規劃研究，在滿足上海“四個中心”、”科技創新中心“和”智慧城市”要求的前提下，合理，適當地控制數據中心的發展規模，并對布局進行統籌配置。