“双碳”目标下新型绿色数据中心高质量发展路径探讨

魏文豪，韩振东，杨 猛，吴 帅（.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 00048；.中国联合网络通信集团有限公司，北京 00033）

0 引言

在云计算、大数据、5G、AI 等数字技术驱动下，新型数据中心逐渐成为数字化时代的“新基建”和拉动数字经济发展的“助推器”，成为承载技术革新的重要底座，对新发展阶段推动高质量发展有着重要意义。一系列国家政策文件的陆续发布，“东数西算”工程的全面启动，使我国数据中心的发展获得了新动能，预测在“十四五”期间仍将保持快速增长。作为信息基础设施中的耗能大户，近10年数据中心的能源消耗以每年超过10%的速度递增，随数量和体量的不断增长，其能源消耗和碳排放问题会越来越突出。

2020 年9 月习近平总书记在第75 届联合国大会上提出了我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标，在此背景下国家近期发布了《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022—2025 年）》《工业能效提升行动计划》等系列文件，明确提出数据中心绿色可持续发展的行动计划，因此面向双碳，亟需顺应绿色节能、低碳可持续的发展趋势，探索新型绿色数据中心高质量发展路径，助力“3060”目标的实现。

1 新形势下数据中心发展现状与趋势

新基建的发展、东数西算工程的启动、十四五规划中数字中国建设目标的提出，为我国数字基础设施建设提供了重要指导，我国数据中心产业发展步入新阶段，低碳高质、协同发展的格局正在逐步形成。

1.1 数据中心机架规模稳步增长

近年来我国数据中心机架规模持续增长，其中大型以上数据中心机架规模增长迅速。如图1 所示，按2.5 kW 的标准机架进行统计，截至2021 年底，我国数据中心在用机架规模已达520 万架，近5 年复合年均增长率超过30%。其中大型以上数据中心机架规模增长更为迅速，机架规模已达420 万架，占比达80%［1］。随着东数西算等国家战略的持续赋能，未来几年数据中心规模仍将保持平稳增长，预计2025年将达759 万架，较2021 年增长45%；2030 年将达1 125 万架，较2021年增加116%［2］。

图1 我国数据中心机架规模［1］

1.2 双碳目标下绿色低碳政策陆续出台

随着双碳战略的纵深推进，国家近期密集发布一系列绿色低碳政策，进一步明确了数据中心的能效要求，推动数据中心绿色、高质量、加速发展（见表1）。

表1 近期发布的政策文件

1.3 绿色化、集约化、敏捷化、智能化为未来发展方向

绿色化：双碳目标的实现离不开数据中心的绿色建设运营，传统数据中心向新型绿色数据中心转型是大势所趋，作为典型耗能大户，绿色低碳已是数据中心建设的基本要求，通过全生命周期的绿色化可以让数据中心实现最大能源效率，同时做到对环境影响最小。

集约化：近期国家政策文件明确提出新建大型、超大型数据中心原则上布局在国家枢纽节点集群范围内，推动集约化建设。集约化可以最大程度提高资源、能源、管理等多方面的效率，真正符合云时代的要求，是数据中心未来发展的必然趋势。

敏捷化：信息通信行业是技术、业务变化最快的行业，作为信息通信基础设施的数据中心，需具备灵活弹性和快速交付的能力，以适应未来业务的变化，实现对客户的业务承诺，敏捷化是数据中心本身作为重资产的快速价值变现，也是企业在未来竞争中领跑的关键能力。

智能化：数据中心运维从手工运维到自动化平台运维，目前正朝智能运营发展，业界提出了“自动驾驶网络”的概念，通过融合AI 技术打造可看、可管、可控的数字孪生数据中心大脑，有效提高运维效率，降低运营成本，提升运行可靠性。智能化则将是未来发展的关键。

2 双碳目标下数据中心发展面临的挑战

根据国际化标准组织（ISO）发布的ISO14064 标准，企业温室气体的排放可划分为3个范围：一是自身产生的碳排放，二是通过消耗电力能源产生的碳排放，三是产业价值链的碳排放。数据中心90%以上的碳排放属于范围二。由于当前中国发电量70%以上仍为燃煤发电，发电同时伴随着大量温室气体及其他污染物排放，因此数据中心既是高耗能产业，也是高排放产业［4］。

据统计，2021 年全国数据中心能源消耗约2 166亿kWh，较2020 年增加44%，占全社会用电量的2.6%左右；二氧化碳排放量约1.35 亿t，较2020 年增加3 915 万t，占全国的1.14%左右。十四五、十五五期间，数据中心机架规模将继续稳步增长，其能源消耗也将快速增长，预计十四五末，全国数据中心能源消耗将达3 500 亿kWh，较2021 年增加62%，约占全社会用电量的4%；二氧化碳排放量2.1 亿t，较2021 年增加54%，全国占比接近2%；十五五末能源消耗总量将达5 915 亿kWh，占全社会用电量的5%以上，二氧化碳排放量约3.4 亿t，较2021 年增加152%，全国占比接近3%［5］。在数字经济发展的大背景下，数据中心二氧化碳排放量与机架规模、电力消耗紧密挂钩，短时间较难扭转其碳排放增长的态势，如果不改变大量消耗化石能源、高耗能、高排放的传统发展模式，数据中心行业2030年实现碳达峰的难度很大，必须进行绿色转型才能实现可持续高质量发展，逐步达到碳中和目标。

3 新型绿色数据中心高质量发展实施路径

面向双碳目标，新型数据中心建设应贯彻绿色发展理念，全方位全过程推进绿色规划、绿色设计、绿色建造、绿色运维、绿色用能等，使发展建立在高效利用资源、严格保护环境、有效控制碳排放的基础上，实现全面降碳和高质量发展。

3.1 绿色规划

规划是数据中心建设的源头，科学规划、合理布局对数据中心绿色发展来说至关重要，数据中心规划应统筹协调数据、网络、电力等方面，综合考虑政策导向、业务需求、气候条件、能源供给、基础设施、TCO 成本等因素，合理选址。

目前东数西算工程已全面启动，国家一体化大数据中心体系总体布局形成了八大枢纽节点、十大集群和十二个起步区，引导数据中心绿色集约化布局，近期发布的《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022—2025 年）》等政策文件均明确提出“加强数据中心统筹布局，推进东数西算工程，引导承载高时延业务的数据中心优先向气候适宜、可再生能源富集的国家算力枢纽节点布局”“新建大型、超大型数据中心原则上布局在国家枢纽节点数据中心集群范围内”等要求，进一步推进数据中心的集约化布局。

因此，数据中心规划选址应以国家政策为指引，充分考虑枢纽集群布局、充分考虑当地能源供应情况，充分考虑当地绿电资源、可再生能源分布情况，优先选择气候条件适宜、绿电供应充足的地区，从规划的源头实现绿色低碳。

3.2 绿色设计

绿色设计主要从绿色园区、绿色建筑、绿色机电几个维度出发，由大到小、由表及里，依据《绿色数据中心建筑评价技术细则》《数据中心绿色分级评估技术方法》《绿色数据中心评价指标体系》等要求，通过园区低碳化、建筑绿色化、机电高效化等手段，使PUE降到国家、地方标准以下，绿色低碳等级达到4A 级以上，实现全方位的节能降碳。

3.2.1 绿色园区

数据中心绿色园区重点从海绵园区、绿色灌溉、雨水回收、再生水利用、余热回收、冷却水回收等方面着手，提升能源综合利用效率，最大限度降低碳排放，实现园区的绿色可持续发展。

3.2.2 绿色建筑

绿色建筑应结合规划条件对绿建等级的要求及国家“绿色低碳等级达到4A级以上”的要求进行设计，从节地、节能、节水、节材入手，采用部分或全预制装配式产品或方案提升建设效率、节约资源，通过充分利用自然采光和通风、维护结构的保温隔热等被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖、空调、照明需求，通过采用高能效等级设备产品、楼宇自控等主动技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率，实现低能耗绿色建筑。

3.2.3 绿色机电

数据中心的能耗主要来自于IT 设备、制冷系统、供配电系统和其他辅助设施（见图2）。IT 设备包括服务器、存储、网络设备等数据中心的核心设备，是最主要的耗能大户；制冷系统作为保障IT 设备稳定运行的环境控制系统，在非IT 设备中能耗占比最大，其次是作为动力心脏的供配电系统，照明、安消防系统等其他辅助设施占比最小。因此，为实现节能减碳，绿色机电设计应重点从IT 设备、制冷系统、供配电系统的高效节能入手，不断提升能效水平。

图2 数据中心能耗主要组成

3.2.3.1 IT设备高效节能

作为数据中心的核心，充分发挥IT 设备的节能潜力尤为重要。目前IT 设备的节能策略主要有3 种：一是采用有自动休眠功能的IT 设备，降低闲时能耗；二是采用服务器节能电源模块、风扇节能等技术，在保证处理能力的同时降低设备能耗；三是采用云计算和系统资源共享技术，通过优化调度提高服务器资源利用效率，降低能耗［6］。数据中心IT 设备应重点关注服务器的节能，结合行业新技术发展演进，积极采用节能高效服务器，如新型液冷服务器、高温型服务器、高密度集成服务器等，实现IT设备的高效能效。

3.2.3.2 制冷系统高效节能

制冷系统是PUE 贡献占比最大的影响因素，其电能消耗受气候、制冷方案、设备性能、运维精细度等影响，浮动范围较大，是数据中心节能降碳的关键点，制冷系统节能主要从充分利用自然冷源、提高产品效率、优化运行控制3个方面着手，重点关注节能新技术的应用，因地制宜的选用制冷解决方案。

充分利用自然冷源方面，应结合建筑规模、空调负荷、气候条件、PUE 目标等因素合理选择冷水机组+常规冷却塔/间接蒸发冷却塔、蒸发冷却冷水机组+新风补冷、风冷间接蒸发冷却空调、风冷氟泵相变空调系统等方案，并辅以提高供回水温度和大温差等手段，结合末端的冷/热通道封闭、列间、背板、风墙等技术，实现高效节能。提高产品效率方面，可积极选用全变频氟泵空调（智能双循环多联模块化空调VRM等）、磁悬浮变频离心机组，节能节水型冷却塔、集成冷站、直流变频行级空调、高效末端等，以实现设备节能。优化运行控制方面，可采用智能控制手段如AI调优技术，提高与IT 设备运行状态的动态适配性，实现最优PUE。通过以上措施，PUE 的制冷负载因子可降低至0.1～0.24。同时液冷作为新型制冷技术，可有效解决超高热流密度的散热问题，在全国大部分地区实现自然冷却，随其成熟应用可积极采用液冷技术或与上述措施合用，推动PUE进一步降低。

3.2.3.3 供配电系统高效节能

供配电系统作为PUE 第二大影响因素，其电能消耗主要由电能输送、交直流变换和电压电流变换所产生，与供电线路、各级转换设备、配电设备及变压器的能效息息相关，因此其节能主要从优化配电结构、应用节能产品、运行节能3个方面出发，重点关注电源系统效率的提升，降低电源设备和线路损耗。

优化配电结构可从简化配电环节出发，一是通过平面布局的优化实现供电路由的简捷化、变压器深入负荷中心、提升高电压等级线路占比，尽可能降低线路损耗；二是采用预装式一体化电源系统代替传统的独立变配电系统，缩短供电距离，减少配电开关级数，节约占地面积，实现利用率的提升和能耗的降低。应用节能产品可积极选用节能型变压器，高压油机、新型UPS 设备（高频UPS、模块化UPS）、智能小母线、高倍率蓄电池等。运行节能可从改变运行模式出发，一是将UPS 系统从传统的在线双变换模式调整为ECO模式、智能在线模式等高效运行模式，实现大部分时间的市电直供，提升运行效率；二是可采用高压直流系统代替UPS 系统，提升可靠性和系统效率。通过以上措施，PUE的供电负载因子可降低至0.05左右。

3.3 绿色建造

绿色建造主要从绿色采购和绿色施工出发，在工程建设的各个环节追求绿色。采购阶段加大对网络、IT、电源及空调等设备的用能效率、制造工艺、使用寿命等要求，强化环境管理体系认证要求，引导供应链绿色生产，采用绿色建材、绿色部品部件及《国家绿色数据中心先进适用技术产品目录》中的产品等。施工阶段采用BIM、物联网、机器人等智能建造手段，应用绿色施工新技术、新材料、新工艺、新设备，积极应用“建筑业10 项新技术”，推进现场建筑垃圾减量化、废弃物高效处理与再利用，实现建设阶段低消耗、低排放和高效益。

3.4 绿色运维

数据中心运维阶段是其全生命周期历时最长、耗能最多、节能空间最大的阶段，强化运维阶段的绿色管理能力，对数据中心节能降碳至关重要。随着人工智能、物联网、数字孪生技术的快速发展，基于数字孪生和AI 技术的数字化智慧运营平台成为数据中心持续节能的有效手段。通过基础设施、传感器及算法算力的支持，收集负载、温湿度及能耗等参数，利用深度学习神经网络生成模型，并在算法学习中持续升级迭代，实现制冷、供电、网络等随负载、流量的动态调度，同时通过健康管理及多场景验证实现“基于规则的故障发现”到“基于AI 机器学习的故障预知”，实现资源利用率、运维效率和整体效能的提升，由自动化走向智能智慧化的绿色运维。

3.5 绿色用能

实现双碳目标，还应从可再生能源利用、储能及外购绿电等绿色用能模式上优化用能。

一是开发利用清洁可再生能源。可利用光伏发电或风力发电的方式自备清洁可再生电厂，自发自用，降低碳排放。最新建筑节能规范已明确提出新建建筑应安装太阳能系统，因此建设中可充分发掘屋面及园区空余场地，部署分布式光伏发电，从供电侧最大限度开发利用清洁可再生能源，就地消纳新能源，实现数据中心与可再生能源的深度融合。

二是储能系统。储能作为灵活性调节资源，是优化用能结构、最大化清洁能源利用、提高供电可靠性的强有力手段，并可与供配电技术融合应用，如储能系统替代柴油发电机，取消蓄冷罐等，有效减少碳排放和污染物排放。对于峰谷电价差较大的地区，可采用储能节能技术和冷水储能节能技术，削峰填谷，降低运营成本。

三是市场化手段。随着电力系统市场机制的完善，可通过绿电交易或认购绿电证书等手段，购入风电、水电、光伏发电等“零碳绿电”，提升可再生能源利用占比，降低碳排放，同时结合国家政策采用碳交易等手段，购买CCER 进行“碳抵消”，打造零碳数据中心。

4 结束语

随着双碳目标的逐步推进，作为数字经济底座的新型数据中心建设应贯彻落实国家东数西算、双碳等新战略，践行新发展理念，以全生命期绿色为主线、节能降碳为重点、清洁能源为方向、智能智慧为手段，从绿色规划源头抓起，采用绿色低碳化设计，推行全过程绿色建造，智慧化绿色运维，多维度绿色用能，多策并举，构建新型绿色数据中心高质量发展新格局。