数据中心碳中和路径探索与实践

董 雯 刘郑海 耿国胤 王 臻 孟熙慧子

1 中国联通研究院 北京 100048

2 中讯邮电咨询设计院有限公司 北京 100048

引言

当下，气候变化的影响正对全人类生存发展带来重大挑战，各国纷纷加速向碳中和转型，“绿色、低碳和可持续发展”成为世界各国经济发展的一致目标。目前全球已有超过100个国家作出碳中和承诺。2020年9月，习近平主席在联合国大会宣布，“中国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。

我国是世界最大的能源生产国和消费国，碳排放总量大，如图1所示，2020年我国能源碳排放99亿吨，占全球碳排放的31%。而且我国正处于工业化发展阶段，经济仍处在高速发展阶段，能源需求还将刚性增长，要在2030年实现碳达峰，时间短、任务重。

图1 2020年世界主要国家碳排放占比(数据源自英国石油公司)

中国在“十四五”规划中明确指出要加快数字化发展，推动数字经济和实体经济深度融合。2021年政府工作报告指出，加快数字化发展，打造数字经济新优势，协同推进数字产业化和产业数字化转型。可预见的是，大数据、云计算、5G、物联网等将带来计算量和数据量的激增，根据赛迪顾问公司预测，从2020年到2035年，中国数据量的增长规模约为每两年增加一倍(如图2所示)。面临市场需求的高速发展，数据中心行业的能源需求与碳减排挑战不容忽视。在中国迈向碳中和的道路上，实现数字基础设施行业的绿色高质量发展至关重要，为使数字技术对于中国社会的减排效应发挥到最大，其自身的高耗能和高碳排问题亟需重视，数字基础设施行业应率先开始绿色化转型，以实现发展和环境的共赢。

图2 2020～2035年中国数据量增长规模预测

1 数据中心实现碳中和任务艰巨

中国数字基础设施的能耗与碳排放主要集中在数据中心与通信基站领域，其中数据中心占很大比例，是节能减排关键点。绿色和平与工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心编写的《中国数字基建的脱碳之路：数据中心与5G减碳潜力与挑战》指出，2020年全国数据中心碳排放量高达9485万吨，约占中国全社会碳排放的1%[1]。

随着数字化转型加速，数据中心作为智能世界的底座，建设规模和功率密度不断提升，能耗总量呈高速增长趋势，根据数字能源产业智库预测，全球的数据中心能耗将从2020年的6700亿kWh，快速增长至2025年的9500亿kWh，占全球总用电量的3%左右。近年来，我国数据中心产业保持每年30%左右的增速，预计到“十四五”末，数据中心用电量在全社会用电量的占比也将超过3%[2]。按照目前的发展趋势，数据中心行业很难在2030年实现碳达峰，必须进行绿色转型才能实现可持续发展，逐步达到碳中和目标。

要实现数据中心的碳中和，必须多管齐下，首先，需要提升能效指标，最大限度降低空调、供电等配套设备设施的能耗，同时优化IT设备能效；其次，应充分发掘利用清洁能源，包括灵活调峰、储能设施等在内的一系列机制，数据中心将从单纯的用能系统逐渐演变为综合能源系统，自建自用绿色能源；在必要时，通过绿电交易、碳交易等手段，实现数据中心碳抵消，确保数据中心实现温室气体“零排放”[3]。

2 举措一：提升设备能效，实现节能降碳

数据中心能耗主要由两部分构成，分别是IT设备和基础设施，IT设备主要由服务器、存储和网络设备构成，为企业和用户提供服务，是数据中心的核心设备。基础设施主要由供配电、UPS、高压直流、空调、照明、办公、消防等各系统构成，是确保IT设备稳定运行的基础保障设施。

PUE是当前数据中心行业普遍认可的能效评估指标，在数值上等于数据中心总能耗与IT设备能耗之比，一般按照年度总能耗来计算，PUE值越接近1，表明IT设备能耗在总能耗中占比越高，电能利用越有效。比如一个数据中心的年度总能耗为1.5亿kWh，IT设备的年度总能耗是1亿kWh，那么这个数据中心的PUE就是1.50。因此，数据中心能效优化的基本目标是对PUE优化，在不影响业务处理能力基础上，尽量降低供配电、UPS、空调等基础设施的电能消耗[4]。对应上面的例子来说，在保障“1”的基础上，尽量减低“0.50”。

由于空调系统的能耗和环境温、湿度密切相关，而我国面积辽阔，各地区气候差异较大，我们以华中地区为例，来说明PUE优化的措施和能够达到指标。目前，大型数据中心空调系统普遍采用集中式冷冻水系统，供电系统采用独立的变配电系统和高频UPS、高压直流系统。各系统达到设计负载并稳定运行后的典型PUE为1.50，通过采用各种节能技术，在不改变现有IT机架结构的情况下，最多可以将数据中心PUE从1.50降低到1.25，整个数据中心的能耗和碳排放可下降约17%。优化前后各系统PUE因子占比情况如图3、图4所示。

图3 优化前数据中心各系统PUE因子占比

图4 优化后数据中心各系统PUE因子占比

2.1 高效能制冷

从PUE指标的构成因子可以看出，数据中心除IT设备自身用电之外，空调系统的用电量占比超过70%，是节能降碳的关键发力方向。空调系统的能耗与设备本身的能效比COP、室外侧可用自然冷源及室内侧热交换效率密切相关。

首先，随着水冷系统、新型精密空调末端及液冷技术的发展，数据中心制冷系统的能效比COP不断提升，制冷能力不断增强，COP从传统冷水机组的6提升到了蒸发冷却冷水机组的15。

从室外侧自然冷源角度来看，利用自然冷源越充分，空调系统的机械制冷时间也就越短，能耗越低。传统数据中心的空调系统大多采用集中式冷冻水方案，制冷效率低，耗水量高，能量损耗严重。新型数据中心首先应优化选址，优选气候条件适宜、可再生能源供应充足的地区建设数据中心，因地制宜地采用自然风冷、间接蒸发冷等方案，充分利用自然冷源，减少机械制冷工作时间，并辅助采用提升回风温度、提升水温等手段，降低空调系统的电力消耗，可将空调PUE因子从0.38降低到0.18左右。

在数据中心空调设备自身技术不断提升的同时，制冷设施的布局也在发生着变化，制冷末端逐渐向热源靠近，从早期的房间级制冷向行级、机柜级和服务器级演进，制冷末端越靠近热源，效率越高。液冷技术就是一种典型的服务器级制冷技术，将室内侧的热交换媒介从传统的气体变为液体，依靠液冷技术对机柜或IT部件进行换热制冷，液体比热容远高于气体，制冷效率更高，节能效果更好。采用高温服务器结合浸没式液冷可进一步将空调PUE因子从0.18降低到0.08左右，但是这种方式需要改变IT机架的整体结构，适合超高功率机架采用，目前需求量较低。

2.2 高效能供电

供配电系统为数据中心的IT、空调、照明等所有用电设备提供电能支持，电能损耗主要是由变压器、各级转换设备、配电设备和供电线路产生。UPS系统或高压直流系统是为IT设备供电的，电能损耗与设备本身的能效密切相关。不少数据中心是按IT设备峰值负荷需求进行冗余设计的，实际的运行负载很少处于峰值状态，然而传统UPS设备在低负荷率时电能转换效率低，导致数据中心UPS能效难以提升。

随着供电设备的技术发展与更新换代，提高效率、降低能耗成为关注重点，数据中心采用的节能降碳措施主要包含提升设备效率、改变运行方式、优化供电架构等。

首先，选用效率高且覆盖负载范围宽的UPS设备或高压直流设备；然后改变运行方式，将UPS系统从双变换模式调整为ECO节能模式或动态在线等高效运行模式，使IT设备在大部分时间内工作在市电直供状态；最后可以优化供电架构，将传统的独立变配电系统、独立UPS系统合并成一套一体化供电系统，减少配电开关级数，缩短供电距离，降低供配电损耗。上述多种手段相结合，可以将供电PUE因子从0.10降低到0.06左右。

传统数据中心的备电方案采用铅酸电池，体积大、重量大、寿命短，3～5年就需要更换。近年来随着大容量锂电池的生产工艺不断提升，已经越来越多地应用于5G基站等ICT行业。锂电池的能量密度和大电流放电能力远高于铅酸电池，安装面积是铅酸电池的1/3，循环寿命是铅酸电池的10倍，数据中心如果采用锂电池备电的话，碳排量将远远低于铅酸电池。

2.3 智能调优的设备运营

数据中心投运之后，一般初期负荷率较低，随着客户入驻和业务量的提升，负荷逐步提升，因此空调、电源等系统的工作模式需要进行持续的调整和优化。传统数据中心依赖人工维护，各个系统的工作模式全靠维护人员的经验进行调整，缺乏系统间协同和实时应变能力，资源利用率和能效水平低。

新型数据中心采用数字化智能运维方案，部署大量传感器收集各种设备、环境参数，应用AI和大数据技术，实现供电、供冷设备随业务负载动态调度，达到最优工作状态，提升数据中心的资源利用率和整体能效，有效降低运维成本，减少碳排放。

2.4 优化IT设备能效

IT设备是数据中心的核心，也是能耗的主要来源。在IT设备中，服务器能耗占比最高，服务器的节能策略一般分为以下两类。

第一类，基于硬件性能的能效优化，指通过采用低能耗电子元件或采用动态调压调频(Dynamic Voltage and Frequency Scaling，DVFS)技术来降低服务器能耗，但是会在一定程度上降低系统的实时性。

第二类，基于负载调度的能效优化，虚拟化技术的发展简化了负载调度，负载调度算法的节能原理体现在以下两方面：一是均衡各主机负载，防止部分主机由于负载率高而影响业务处理质量并产生局部热点；二是集中低负载主机上的虚拟机，将部分主机关闭或休眠从而降低能耗[4]。

目前数据中心行业采取的方式主要从IT设备软硬件层面来降低功耗。IT基础架构方面，从应用优化、架构规划/优化、产品选型进行整体优化，平衡降耗与提效，例如用AI技术来进行数据的分时调度，实现智能预测，对服务器设备进行合理的扩容和缩容，优化计算资源的分配，提升服务器的利用率。

2.5 打造绿色园区

数据中心的建筑和园区也要实施绿色节能的设计和措施，比如机房余热回收为办公和生活用房供暖，采用太阳能照明和太阳能热水器，雨水回收和再生水项目，建筑绿化，设置充电桩等手段，最大限度降低碳排放。

3 举措二：优化数据中心选址，提升清洁能源利用率

3.1 能源使用现状

实现碳中和是一项系统工程，一直以来，数据中心用电多依赖于以化石能源发电为主的电网电力，数据中心供电侧如何最大限度地开发、利用清洁可再生电力尤为关键，我国可再生能源丰富，但在数据中心如何有效利用需要进一步探索和实践。

3.2 东数西算，优化选址

我国东西部数据中心布局不平衡，而且与能源供给能力不匹配。从现有的数据中心分布情况来看，经济发达的人口密集区域(如京津冀、长三角、粤港澳、成渝)能源供给紧张，机架数量在全国的占比超过了60%；经济欠发达的西部地区能源富裕，而且风能、光能等可再生能源占比较高，但是机架数量在全国的占比仅10%左右，按照未来5年的市场需求进行测算，如果政府不干预的话，东西部数据中心布局将进一步失衡。

西部地区气候寒冷干燥，可再生能源丰富，能够契合数据中心绿色高质量发展的需求。我国“西电东送”项目目前供电能力达到2亿千瓦，但是由于跨区域供电电缆在国土空间布局上的限制，据估算未来“西电东送”的最大供电能力约为5亿千瓦，面临东部用电需求不断快速增长的趋势，“西电东送”的压力日趋增大。因此，主动引导东部地区的数据中心等算力设施到西部去，可为东部经济高质量发展腾出空间。

因此“东数西算”工程是一个系统性工程，一是实现东西部数据中心的结构调整；二是同步建设全国数据中心八大枢纽节点间的直连网络；三是提升数据中心的绿色化、集约化水平，将大型、超大型数据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；四是具备多地多数据中心的云计算能力，初步形成公共云服务体系[5]。

在数字中国、绿色中国的目标引导下，数据中心正在成为影响社会可持续发展的重点领域。数据中心的规划布局，涉及到数据系统、网络系统和电力系统的整体效率和能效，必须将三者的规划建设统筹协调，才能实现企业和行业的可持续发展，助力实现国家的能源和气候目标。因此，在数据中心的规划设计中，最重要的是选址，应以国家“东数西算”政策为牵引，充分考虑所在地能源供给情况，尽量选址在绿电资源、可再生能源富裕的区域，从源头降低碳排放，为实现碳中和数据中心奠定坚实基础。

如表1所示，根据华为公司测算，百万机架的数据中心，从东南迁移到西北，PUE从1.35降低到1.15，十年可以节电1187亿度，节省建设及运营总成本860亿元。

表1 东数西算数据中心模型成本测算表

4 举措三：多措并举，全面降碳

4.1 发掘资源，自建光伏

经过三十多年的发展，目前我国光伏装机容量已达2.5亿千瓦，成为世界上装机容量最大的国家，国内已形成了完整的产业链，系统的建设成本在逐步走低。最新的调研显示，当前大、中型规模光伏电站的工程单位造价已低于5元/Wp[6]。数据中心建设方可以充分发掘机房屋面、园区空地等资源，自建太阳能光伏，自发自用，降低市电消耗和碳排放。

由于光伏发电占地面积特别大，直接使用屋顶光伏等手段能够实现绿电替代的比例非常小。目前主流的单晶硅太阳能组件的单位面积发电量约为140～180W/m2，而现有数据中心单机架的平均耗电量已达到6kW/架以上，单位面积的耗电量达到1.2kW/m2以上，而且呈上升趋势，因此数据中心用电如果全部采用光伏的话，需要约8倍于数据中心建筑面积的场地来安装光伏板，而现有数据中心大都为多层建筑，4～6层建筑居多，除屋顶之外的空余场地非常少，那么屋面太阳能只能满足整个数据中心1/48～1/32的用电。仅采用数据中心园区内自建光伏，难以满足自用需求，还要结合购买绿电等其他手段来实现碳中和的目标。

4.2 创新模式，交易减碳

由于数据中心耗电量巨大，多数情况下需要外部电力供应，那么可以通过电力交易市场购入光伏发电、风电、水电等“零碳绿电”，或是投资建设光伏电站、风电站、水电站等绿色能源站来解决。随着绿电交易机制进一步完善，绿证为重要补充方式，可通过自愿认购绿证的方式降低碳排放。

此外，还要积极跟踪国家相关的支持鼓励政策，充分利用电力交易、碳交易等手段以及数据中心商业模式创新来全面降碳，最终实现碳中和。

5 结语

碳中和数据中心是建立在集成应用各种创新低碳技术和创新商业模式基础上的，首先，从“用能侧”要最大限度地使用各类冷量资源、节能设备，最大限度提升能源利用效率；其次，响应国家“东数西算”政策，优化数据中心选址布局，统筹围绕国家重大区域发展战略，根据能源结构、产业布局、市场发展、气候环境等，适时在自然冷源丰富、电力资源充足的一体化算力网络国家枢纽节点地区合理布局，从源头上解决绿电引入难题；最后，从“供能侧”入手，充分挖掘自身资源，自建或合建分布式清洁可再生发电系统，同时利用电力交易市场、碳交易市场等手段来实现“零碳排”。因此，要遵从长期规划、因地制宜、深入挖潜的原则，以最终目标为导向，多措并举、逐步推进数据中心的节能降碳进程。

在数字经济时代，随着大数据、云计算、物联网、区块链等新一代数字技术应用的广泛普及，数据中心的地位正在从信息基础设施的边缘迈向核心，并成为承载和驱动千行百业数字化转型的重要底座，我们必须结合国家“双碳”战略，把握行业发展趋势，共同推动数据中心的高质量可持续发展。