基于碳中和的數據中心綠色發展策略研究

周婷 李婷 常傳源

摘 要：【目的】雙碳目標下，分析數據中心的碳中和路徑，為數據中心綠色發展提供方向。【方法】以基于碳中和的數據中心相關政策、標準出發，分析數據中心從選址規劃到設計、設備選用、生產、運維全壽命周期節能優化方法。【結果】數據中心的碳中和路徑涉及制冷、供配電、ICT設備等各方面，仍存在技術上的短缺與政策、標準等指導性不足的問題。【結論】全壽命周期的節能降耗離不開新型能源技術的發展，以促進碳中和目標的實現。

關鍵詞：碳中和；數據中心；節能技術

中圖分類號：TP308；X322? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0155-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.031

Research on Green Development Strategy of Data Center Based on

Carbon Neutralization

ZHOU Ting1? ?LI Ting1? ?CHANG Chuanyuan2

（1. Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology， Xuzhou 221000， China; 2. China Information Consulting＆Designing Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210000，China）

Abstract：[Purposes] Under the dual-carbon goal， analyze the carbon neutralization path of the data center， and provide the direction for the green development of the data center. [Methods] Based on the relevant policies and standards of the data center based on carbon neutrality， the energy saving optimization method of the whole life cycle of the data center from the site planning to the design， equipment selection， production， operation and maintenance is analyzed. [Findings] The carbon neutralization path of the data center involves refrigeration， power supply and distribution， ICT equipment and other aspects. There are still technical shortages and insufficient guidance of policies and standards. [Conclusions] The energy saving and consumption reduction in the whole life cycle cannot be separated from the development of new energy technologies to promote the realization of the goal of carbon neutrality.

Keywords： carbon neutralization; data center; energy saving technology

0 引言

我國于2020年9月22日在聯合國大會上提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。作為數字經濟的基石，數據中心正加緊走向集約化、規模化和綠色化。作為碳排放“大戶”，中國數據中心年碳排放量已超過3 300萬輛汽車的年碳排放量。從整體來看IT設備系統所產生的功耗約占數據中心總功耗的45%。基礎環境配套中，空調系統用電量已與IT設備相當，優化制冷系統成為數據中心提高能源效率的重要環節，供配電系統和照明系統約占數據中心總耗電量的10%和5%。

1 低碳數據中心建設政策指引

碳中和簡單來說就是減少排放、增加吸收，從國家層面，環境部、工信部等部門已經發布一系列政策助力推進數據中心和5G等基礎設施綠色高質量發展，助力實現碳達峰、碳中和目標。具體見表1。

頭部互聯網企業紛紛響應國家政策，啟動碳中和目標和碳減排路線圖規劃，踐行碳中和戰略。螞蟻集團承諾2030年實現凈零排放，推動供應鏈減排、積極采用液冷等新技術，加強溫室氣體排放控制科學管理等具體實施路徑；2021年阿里巴巴發布邁向零碳時代報告，阿里云杭州數據中心作為全球最大浸沒式液冷服務器集群，PUE（電源使用效率）逼近理論極限值1.0，每年可節電7 000萬kW·h，阿里廣東河源數據中心采用深層湖水制冷，成為阿里首個實現碳中和的大型數據中心［1］；與此同時百度也公布在2030年實現集團運營層面的碳中和目標。

2 基于“雙碳”的數據中心標準指引

近年來，盡管數據中心的節能優化技術快速迭代發展，但由于行業的成長和市場規模的擴大，數據中心的總能耗仍呈增長趨勢。對數據中心進行碳核算核查和低碳能力評估成為行業發展和行業碳排放管理的重要需求。2021年10月國家標準《數據中心能效限定值和能效等級》發布，規定了數據中心的能效等級與技術要求、統計范圍、測試與計算方法。數據中心能效等級由中國信息通信研究院牽頭編制的團體標準《溫室氣體排放核算與報告要求數據中心》（T/EES 0001—2021）定義了相關概念、計量要求、報告內容和格式等要求，為業界進行數據中心溫室氣體排放核算和報告提供了參考依據。《數據中心碳利用效率技術要求和測試規范》（T/CCSA 327—2021）定義了數據中心碳利用效率指標，通過測量和計算該指標，推進數據中心碳排放量化分析。2021年團體標準《零碳數據中心建設標準》（T/CA 301—2021）明確了零碳數據中心的概念，規定了零碳對數據中心在規劃、選址、設計、采購、建設、運行維護、拆除和回收利用等全壽命周期各階段的技術要求，明確了各環節的碳排放計算方法，并提出了實現零碳數據中心相應的技術要求。2022年工信部發布了《數據中心節能診斷服務指南（2022年版）》，描述了數據中心節能診斷的服務程序、方法和基本要求等內容，適用于指導開展節能診斷服務的機構。由中國信息通信研究院云計算與大數據研究所牽頭撰寫的《數據中心碳核算指南》對數據中心碳核算方法進行了分析和整理，從核算邊界、計量要求、核算方法、數據質量管理和溫室氣體排放報告等維度進行了重點分析，提出了數據中心低碳等級評估方法。低碳在數據中心標準建設上，團體標準和行業標準較多，國家層面標準較少，缺乏指導性強、體系完善的標準，在數據中心減碳規劃設計、能效評估與驗收上也相對缺乏［2］。

3 數據中心的“碳中和”實現路徑

3.1 設計階段

數據中心宜選址氣候適宜、環境空氣清潔、能充分利用自然冷源的區域。數據中心可以根據不同的地理位置、氣候條件選擇制冷散熱方法，提高制冷效率。中西部地區電量充沛，氣候干燥，空氣質量較高，滿足新風制冷環境要求，能夠提高自然冷源利用效率［3］。目前我國推進數據中心全國一體化發展，中西部的內蒙古、貴州、寧夏等地在電力、土地稅收等方面給數據中心產業建設優惠，能夠有效降低建設和運營成本。

在建設成本上，數據中心可以采用全模塊化設計，將基礎環境不同子系統預集成于預制模塊內，在建設過程中實現工廠到站點的快速部署，減少土建施工作業時間。制冷、供配電、消防、監控等所有模塊在工廠內進行預原裝與調試，材料回收率高，能夠有效降低建設過程中的建筑垃圾，具有全生命周期低碳的優勢。

3.2 運營階段

傳統數據中心在運維過程中存在信號干擾、應用保障等問題，人工運維效率較差，在應對突發網絡故障時難以做出及時的網絡故障處理和運營維護。在運營階段思考如何通過科學管理，滿足數據中心基礎設施運行維護與節能降耗的需求，對大型數據中心分區域分系統進行PUE分析，根據IT負載和室外溫濕度調節冷水機組、水泵、冷卻塔、閥門和空調末端等，結合環境監控數據和氣流組織優化空調運行模式［4］。可以采用智能管理系統進行能耗監測，包括耗水量、IT設備耗電量、基礎設施耗電量、蓄冷量、蓄電量、可再生能源使用率以及換算后的數據中心碳排放等，減少人員巡檢工作的功能，減少運維過程碳排放。在智能運維上谷歌利用AI算法自動管理數據中心的復雜冷卻設備，每5分鐘對數據中心內的冷卻設備進行采樣，AI模型基于采樣結果來決定采取哪些措施來優化電耗，使得整套冷卻設備具備自動微調的能力。

3.3 低碳數據中心建設技術

3.3.1 空調節能技術。優先選用間接蒸發、水側自然冷卻等利用自然冷源的方式降低PUE，盡量延長自然冷卻時間，減少壓縮機開啟的時間，實現機房的節能，烏蘭察布地區一年開啟壓縮機的時間不到30 d，實現機房的節能。從冷媒來看，標準狀況下空氣的定壓比熱容為1.004 kJ/（kg·K），水的比熱容為4.2 kJ/（kg·K），對于單機柜功率20 kW以上的超高密數據中心，可以采用液冷制冷方式，包括冷板式液冷和浸沒式液冷，從而提升換熱效率。用于阿里浸沒式液冷的氟化液比熱容和汽化潛熱分別為1 110 kJ/（kg·K）和88 kJ/kg，液體冷卻可以提供更好的換熱效果，從而液冷技術可以滿足數據中心高功率、高密部署、低PUE的使用需求［5］。主機房的空調形式應與氣流組織匹配，采用封閉熱通道技術，冷熱氣流隔離，減少冷量混合損失，提升制冷效率；通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬尋優最佳冷熱通道間距。當能夠滿足信息設備運行環境要求時，空調系統宜加大送回風溫差，減少風量，降低風機輸送功率，保證冷熱通道的正負壓和氣流速度均衡，保證每個機柜能夠均勻送風，減少風量不平衡帶來的空調能量損失［6］。

3.3.2 電力節能技術。數據中心是不間斷電源場景，不間斷電源UPS功率是用電容量的1.2～1.5倍，使用節能超高效模塊化UPS，優化供電和冗余結構，使UPS主機工作在高效低耗區間內，效率達到97%以上。同時采用智能在線運行模式，效率高達99%，減少供電損耗。采用預制化電力模塊，減少低壓供電鏈路路徑，增加主動運維措施，減少線損和接觸異常帶來的電損。機柜區域采用模塊化智能小母線，更可靠、易維護、高效率、靈活擴容，減少電纜使用。

隨著高壓直流網絡直流供電技術的逐步成熟，數據中心供電系統甚至可以直接接入高壓直流供電甚至輸電網絡，從而免去交流接入的交直流變換環節，與大容量高壓儲能系統的結合也更為靈活多變，未來數據中心的后備電源系統如果實現用氫能發電或儲能技術替代柴油機發電，最終將實現100%的綠電使用和零碳數據中心［7］。

在清潔能源使用上，鼓勵企業購買綠色電力。通過建立綠色電力購買與碳排放抵消政策，暢通綠色電力采購渠道。推廣鋰電池使用，探索氫燃料電池和氫能在數據中心不同場景電源應用方案。推進新型儲能技術、智能光伏與供配電技術的融合應用［8］。

3.3.3 ICT設備節能技術。ICT設備的高效節能技術包括全閃存化存儲、全光纖化網絡、無損以太網絡等，都可應用于數據中心節能提效。全閃存化存儲在相同的容量下，閃存相較于HDD的電力能耗降低70%，功耗大幅降低，能夠進一步壓縮產生同等業務輸出的總能耗，同時占用空間節約50%。全光纖化網絡用光纖替代傳統的銅芯通信線纜可以大幅提高網絡的高比特數據傳輸能力以及大吞吐量的交叉能力，并且傳輸距離更長，布線也更加靈活。隨著全光網絡的推進，節約了大量用于傳統通信線纜中的銅、鋁等金屬材料，而光纖中所采用的玻璃或塑料等芯材制造過程能耗更少，尤其是這類材料耐腐蝕性能更好，壽命更長，在長期角度能夠減少運維產生的成本與能耗排放。網絡設備節能采用單板級相變散熱技術和毫秒級切換電源模塊技術的數據中心網絡交換機，能耗降低約50%的能耗。

3.3.4 儲能與回收技術。由于數據中心業務負載的波動與光伏、風電等可再生能源產生波動的峰谷并不匹配，還可以增加適度的儲能系統對波動的能源供應進行削峰填谷，從而提高可再生能源的使用比例，降低對傳統火電的依賴程度。儲能通過儲能設備實現電力存儲，鋰電由于其高能量密度、高輸出電壓等特點成為下一代數據中心后備儲能方案之一。“雙路市電+儲能”替代“雙路市電+一路油機”，儲能系統替代柴油發電機能有效減少碳排放和污染物排放。谷歌在比利時的StGhislain數據中心就采用鋰離子電池儲能系統替代同等裝機容量的柴油發電機。國內國家電網旗下公司也落地了不少融合儲能、數據中心、變電站等多項城市基礎實施的“多站合一”項目。

在能源循環與階梯利用方面，大型數據中心特別是園區內部可以將機房回收的冷凍水余熱通過熱泵機組二次升溫，為園區內其他建筑或周邊社區提供供暖熱源。在夏季制冷工況下，熱泵機組可用于制冷，可作為數據中心制冷系統的部分冗余配置。技術經濟合理時，可采用吸收式冷水機組熱回收，這樣既提高了機房冷卻效果又減少了能耗［9］，余熱回收技術原理如圖1所示。

4 結語

本研究通過對低碳數據中心的建設標準、政策的解讀，分析了目前數據中心低碳建設的技術方向。未來數據中心建設將從選址規劃、能源選用、技術方案設計、設備選用、運行維護等各個方面發揮踐行碳中和的要求及碳達峰碳中和目標。全壽命周期的低能耗離不開新型能源技術的發展，包括制冷技術、儲能技術、電源技術。綠電交易與碳排放的交易核算上既需要國家相關標準和政策的支持，也需要商業與方案上的創新。

參考文獻：

［1］中國信息通信研究院.低碳數據中心發展白皮書［R］.2021.

［2］高書辰，潘京津.我國數據中心低碳發展現狀與路徑分析［J］.信息技術與標準化，2021（12）：53-54，58.

［3］陳心拓，周黎旸，張程賓，等.綠色高能效數據中心散熱冷卻技術研究現狀及發展趨勢［J］.中國工程科學，2022，24（4）：94-104.

［4］于慶友.“碳中和”背景下數據中心的運維與管理［J］.電氣應用，2021，40（9）：4-6.

［5］王艷松，張琦，孫聰，等.數據中心液冷技術發展分析［J］.電力信息與通信技術，2021，19（12）：69-74.

［6］金和平.零碳數據中心的實現路徑研究與實踐［J］.水電與抽水蓄能，2022，8（5）：1-5，10.

［7］侯永濤，王蕾.“雙碳”目標下數據中心供電系統發展方向探討［J］.郵電設計技術，2022（12）：66-70.

［8］工信部.信息通信行業綠色低碳發展行動計劃［R］.2022.

［9］許幸榮，劉琪，夏俊杰，等.大型數據中心低碳解決方案的現狀、趨勢和對策建議［J］.信息通信技術，2022，16（4）：16-22.

［10］國家信息中心.“碳達峰、碳中和”背景下數據中心綠色高質量發展研究報告［R］.2022.