基于碳中和的数据中心绿色发展策略研究

周婷 李婷 常传源

摘 要：【目的】双碳目标下，分析数据中心的碳中和路径，为数据中心绿色发展提供方向。【方法】以基于碳中和的数据中心相关政策、标准出发，分析数据中心从选址规划到设计、设备选用、生产、运维全寿命周期节能优化方法。【结果】数据中心的碳中和路径涉及制冷、供配电、ICT设备等各方面，仍存在技术上的短缺与政策、标准等指导性不足的问题。【结论】全寿命周期的节能降耗离不开新型能源技术的发展，以促进碳中和目标的实现。

关键词：碳中和；数据中心；节能技术

中图分类号：TP308；X322               文献标志码：A               文章编号：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日在联合国大会上提出，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。作为数字经济的基石，数据中心正加紧走向集约化、规模化和绿色化。作为碳排放“大户”，中国数据中心年碳排放量已超过3 300万辆汽车的年碳排放量。从整体来看IT设备系统所产生的功耗约占数据中心总功耗的45%。基础环境配套中，空调系统用电量已与IT设备相当，优化制冷系统成为数据中心提高能源效率的重要环节，供配电系统和照明系统约占数据中心总耗电量的10%和5%。

1 低碳数据中心建设政策指引

碳中和简单来说就是减少排放、增加吸收，从国家层面，环境部、工信部等部门已经发布一系列政策助力推进数据中心和5G等基础设施绿色高质量发展，助力实现碳达峰、碳中和目标。具体见表1。

头部互联网企业纷纷响应国家政策，启动碳中和目标和碳减排路线图规划，践行碳中和战略。蚂蚁集团承诺2030年实现净零排放，推动供应链减排、积极采用液冷等新技术，加强温室气体排放控制科学管理等具体实施路径；2021年阿里巴巴发布迈向零碳时代报告，阿里云杭州数据中心作为全球最大浸没式液冷服务器集群，PUE（电源使用效率）逼近理论极限值1.0，每年可节电7 000万kW·h，阿里广东河源数据中心采用深层湖水制冷，成为阿里首个实现碳中和的大型数据中心［1］；与此同时百度也公布在2030年实现集团运营层面的碳中和目标。

2 基于“双碳”的数据中心标准指引

近年来，尽管数据中心的节能优化技术快速迭代发展，但由于行业的成长和市场规模的扩大，数据中心的总能耗仍呈增长趋势。对数据中心进行碳核算核查和低碳能力评估成为行业发展和行业碳排放管理的重要需求。2021年10月国家标准《数据中心能效限定值和能效等级》发布，规定了数据中心的能效等级与技术要求、统计范围、测试与计算方法。数据中心能效等级由中国信息通信研究院牵头编制的团体标准《温室气体排放核算与报告要求数据中心》（T/EES 0001—2021）定义了相关概念、计量要求、报告内容和格式等要求，为业界进行数据中心温室气体排放核算和报告提供了参考依据。《数据中心碳利用效率技术要求和测试规范》（T/CCSA 327—2021）定义了数据中心碳利用效率指标，通过测量和计算该指标，推进数据中心碳排放量化分析。2021年团体标准《零碳数据中心建设标准》（T/CA 301—2021）明确了零碳数据中心的概念，规定了零碳对数据中心在规划、选址、设计、采购、建设、运行维护、拆除和回收利用等全寿命周期各阶段的技术要求，明确了各环节的碳排放计算方法，并提出了实现零碳数据中心相应的技术要求。2022年工信部发布了《数据中心节能诊断服务指南（2022年版）》，描述了数据中心节能诊断的服务程序、方法和基本要求等内容，适用于指导开展节能诊断服务的机构。由中国信息通信研究院云计算与大数据研究所牵头撰写的《数据中心碳核算指南》对数据中心碳核算方法进行了分析和整理，从核算边界、计量要求、核算方法、数据质量管理和温室气体排放报告等维度进行了重点分析，提出了数据中心低碳等级评估方法。低碳在数据中心标准建设上，团体标准和行业标准较多，国家层面标准较少，缺乏指导性强、体系完善的标准，在数据中心减碳规划设计、能效评估与验收上也相对缺乏［2］。

3 数据中心的“碳中和”实现路径

3.1 设计阶段

数据中心宜选址气候适宜、环境空气清洁、能充分利用自然冷源的区域。数据中心可以根据不同的地理位置、气候条件选择制冷散热方法，提高制冷效率。中西部地区电量充沛，气候干燥，空气质量较高，满足新风制冷环境要求，能够提高自然冷源利用效率［3］。目前我国推进数据中心全国一体化发展，中西部的内蒙古、贵州、宁夏等地在电力、土地税收等方面给数据中心产业建设优惠，能够有效降低建设和运营成本。

在建设成本上，数据中心可以采用全模块化设计，将基础环境不同子系统预集成于预制模块内，在建设过程中实现工厂到站点的快速部署，减少土建施工作业时间。制冷、供配电、消防、监控等所有模块在工厂内进行预原装与调试，材料回收率高，能够有效降低建设过程中的建筑垃圾，具有全生命周期低碳的优势。

3.2 运营阶段

传统数据中心在运维过程中存在信号干扰、应用保障等问题，人工运维效率较差，在应对突发网络故障时难以做出及时的网络故障处理和运营维护。在运营阶段思考如何通过科学管理，满足数据中心基础设施运行维护与节能降耗的需求，对大型数据中心分区域分系统进行PUE分析，根据IT负载和室外温湿度调节冷水机组、水泵、冷却塔、阀门和空调末端等，结合环境监控数据和气流组织优化空调运行模式［4］。可以采用智能管理系统进行能耗监测，包括耗水量、IT设备耗电量、基础设施耗电量、蓄冷量、蓄电量、可再生能源使用率以及换算后的数据中心碳排放等，减少人员巡检工作的功能，减少运维过程碳排放。在智能运维上谷歌利用AI算法自动管理数据中心的复杂冷却设备，每5分钟对数据中心内的冷却设备进行采样，AI模型基于采样结果来决定采取哪些措施来优化电耗，使得整套冷却设备具备自动微调的能力。

3.3 低碳数据中心建设技术

3.3.1 空调节能技术。优先选用间接蒸发、水侧自然冷却等利用自然冷源的方式降低PUE，尽量延长自然冷却时间，减少压缩机开启的时间，实现机房的节能，乌兰察布地区一年开启压缩机的时间不到30 d，实现机房的节能。从冷媒来看，标准状况下空气的定压比热容为1.004 kJ/（kg·K），水的比热容为4.2 kJ/（kg·K），对于单机柜功率20 kW以上的超高密数据中心，可以采用液冷制冷方式，包括冷板式液冷和浸没式液冷，从而提升换热效率。用于阿里浸没式液冷的氟化液比热容和汽化潜热分别为1 110 kJ/（kg·K）和88 kJ/kg，液体冷却可以提供更好的换热效果，从而液冷技术可以满足数据中心高功率、高密部署、低PUE的使用需求［5］。主机房的空调形式应与气流组织匹配，采用封闭热通道技术，冷热气流隔离，减少冷量混合损失，提升制冷效率；通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟寻优最佳冷热通道间距。当能够满足信息设备运行环境要求时，空调系统宜加大送回风温差，减少风量，降低风机输送功率，保证冷热通道的正负压和气流速度均衡，保证每个机柜能够均匀送风，减少风量不平衡带来的空调能量损失［6］。

3.3.2 电力节能技术。数据中心是不间断电源场景，不间断电源UPS功率是用电容量的1.2～1.5倍，使用节能超高效模块化UPS，优化供电和冗余结构，使UPS主机工作在高效低耗区间内，效率达到97%以上。同时采用智能在线运行模式，效率高达99%，减少供电损耗。采用预制化电力模块，减少低压供电链路路径，增加主动运维措施，减少线损和接触异常带来的电损。机柜区域采用模块化智能小母线，更可靠、易维护、高效率、灵活扩容，减少电缆使用。

随着高压直流网络直流供电技术的逐步成熟，数据中心供电系统甚至可以直接接入高压直流供电甚至输电网络，从而免去交流接入的交直流变换环节，与大容量高压储能系统的结合也更为灵活多变，未来数据中心的后备电源系统如果实现用氢能发电或储能技术替代柴油机发电，最终将实现100%的绿电使用和零碳数据中心［7］。

在清洁能源使用上，鼓励企业购买绿色电力。通过建立绿色电力购买与碳排放抵消政策，畅通绿色电力采购渠道。推广锂电池使用，探索氢燃料电池和氢能在数据中心不同场景电源应用方案。推进新型储能技术、智能光伏与供配电技术的融合应用［8］。

3.3.3 ICT设备节能技术。ICT设备的高效节能技术包括全闪存化存储、全光纤化网络、无损以太网络等，都可应用于数据中心节能提效。全闪存化存储在相同的容量下，闪存相较于HDD的电力能耗降低70%，功耗大幅降低，能够进一步压缩产生同等业务输出的总能耗，同时占用空间节约50%。全光纤化网络用光纤替代传统的铜芯通信线缆可以大幅提高网络的高比特数据传输能力以及大吞吐量的交叉能力，并且传输距离更长，布线也更加灵活。随着全光网络的推进，节约了大量用于传统通信线缆中的铜、铝等金属材料，而光纤中所采用的玻璃或塑料等芯材制造过程能耗更少，尤其是这类材料耐腐蚀性能更好，寿命更长，在长期角度能够减少运维产生的成本与能耗排放。网络设备节能采用单板级相变散热技术和毫秒级切换电源模块技术的数据中心网络交换机，能耗降低約50%的能耗。

3.3.4 储能与回收技术。由于数据中心业务负载的波动与光伏、风电等可再生能源产生波动的峰谷并不匹配，还可以增加适度的储能系统对波动的能源供应进行削峰填谷，从而提高可再生能源的使用比例，降低对传统火电的依赖程度。储能通过储能设备实现电力存储，锂电由于其高能量密度、高输出电压等特点成为下一代数据中心后备储能方案之一。“双路市电+储能”替代“双路市电+一路油机”，储能系统替代柴油发电机能有效减少碳排放和污染物排放。谷歌在比利时的StGhislain数据中心就采用锂离子电池储能系统替代同等装机容量的柴油发电机。国内国家电网旗下公司也落地了不少融合储能、数据中心、变电站等多项城市基础实施的“多站合一”项目。

在能源循环与阶梯利用方面，大型数据中心特别是园区内部可以将机房回收的冷冻水余热通过热泵机组二次升温，为园区内其他建筑或周边社区提供供暖热源。在夏季制冷工况下，热泵机组可用于制冷，可作为数据中心制冷系统的部分冗余配置。技术经济合理时，可采用吸收式冷水机组热回收，这样既提高了机房冷却效果又减少了能耗［9］，余热回收技术原理如图1所示。

4 结语

本研究通过对低碳数据中心的建设标准、政策的解读，分析了目前数据中心低碳建设的技术方向。未来数据中心建设将从选址规划、能源选用、技术方案设计、设备选用、运行维护等各个方面发挥践行碳中和的要求及碳达峰碳中和目标。全寿命周期的低能耗离不开新型能源技术的发展，包括制冷技术、储能技术、电源技术。绿电交易与碳排放的交易核算上既需要国家相关标准和政策的支持，也需要商业与方案上的创新。

参考文献：

［1］中国信息通信研究院.低碳数据中心发展白皮书［R］.2021.

［2］高书辰，潘京津.我国数据中心低碳发展现状与路径分析［J］.信息技术与标准化，2021（12）：53-54，58.

［3］陈心拓，周黎旸，张程宾，等.绿色高能效数据中心散热冷却技术研究现状及发展趋势［J］.中国工程科学，2022，24（4）：94-104.

［4］于庆友.“碳中和”背景下数据中心的运维与管理［J］.电气应用，2021，40（9）：4-6.

［5］王艳松，张琦，孙聪，等.数据中心液冷技术发展分析［J］.电力信息与通信技术，2021，19（12）：69-74.

［6］金和平.零碳数据中心的实现路径研究与实践［J］.水电与抽水蓄能，2022，8（5）：1-5，10.

［7］侯永涛，王蕾.“双碳”目标下数据中心供电系统发展方向探讨［J］.邮电设计技术，2022（12）：66-70.

［8］工信部.信息通信行业绿色低碳发展行动计划［R］.2022.

［9］許幸荣，刘琪，夏俊杰，等.大型数据中心低碳解决方案的现状、趋势和对策建议［J］.信息通信技术，2022，16（4）：16-22.

［10］国家信息中心.“碳达峰、碳中和”背景下数据中心绿色高质量发展研究报告［R］.2022.