“双碳”目标下数据中心绿色发展可行路径研究
编者按：介绍了我国数据中心的能耗状况，分析了数据中心绿色转型的形势任务和困难挑战，从规划、建设、运营全生命周期提出了数据中心绿色发展的可行路径，为数据中心行业实现碳中和提供参考。
近年来，随着人工智能、云计算等新一代信息技术的快速发展及各行业数字化转型进程加快，全社会数据总量爆发式增长，数据计算和存储需求激增，数据中心行业进入高速增长期，建设规模和建设体量不断提升。与此同时，作为有名的“耗能大户”，数据中心的能耗总量不断攀升，能效问题日益凸显，在国家“双碳”战略目标下，推动数据中心绿色转型已经成为一项重要而紧迫的任务。
背景
1.我国数据中心能耗情况
受新基建、数字化转型等政策的促进，我国数据中心市场规模持续扩张。工信部发布的数据显示，截至2022年年底，全国在用数据中心机架总规模超过650万标准机架，近5年年均增速超过30%。与数据中心市场规模持续扩张相对应的是，在过去十年间，我国数据中心整体用电量年均增速超过10%。2021年全国数据中心总耗电量达2166亿度，约占全国总用电量的2.6%。据专家测算，到2025年全国数据中心总耗电量将占全国总用电量的4%。
数据中心的耗能部分主要包括IT设备、制冷系统、供配电损耗、照明及其他消耗，其中IT设备约占45%，制冷系统占比达到43%，供配电损耗占比10%，照明及其他损耗占比2%。
目前，国内外数据中心行业和我国政府部门都使用电能利用效率PUE作为衡量数据中心节能水平的能耗指标，它的值等于数据中心总耗电量与IT设备耗电量的比值。PUE必然大于1，越接近1，说明总用电量中用于IT设备的电量越多，用电效率越高。
2.数据中心绿色转型的形势任务
在“碳达峰、碳中和”背景下，中央和地方政府陆续出台了一系列政策文件，明确节能降耗要求，引导数据中心走绿色发展道路。
2021年7月，工信部印发《新型数据中心发展三年行动计划（2021—2023年）》，提出到2023年年底，全国新建大型及以上数据中心PUE降低到1.3以下，严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。
2021年11月，国家发展改革委等部门发布《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求 推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》，要求到2025年，新建大型、超大型数据中心的PUE降到1.3以下，国家枢纽节点进一步降到1.25以下。
我国主要城市也纷纷出台政策严控数据中心能效。2021年，北京市经信局印发《北京市数据中心统筹发展实施方案(2021—2023年)》，提出逐步关闭年均PUE高于2.0的备份存储类数据中心；加快对年均PUE高于1.8的数据中心进行改造：改造后的计算型云数据中心PUE不高于1.3、边缘计算中心PUE不高于1.6。2022年，上海市经济信息化委等部门印发《上海市新型基础设施领域碳达峰实施方案》，提出“十四五”期间，新建数据中心PUE不高于1.3。“十五五”期间新建数据中心PUE力争1.25以下，既有数据中心改造后PUE不高于1.4。
随着能耗指标的不断收紧，数据中心行业正面临巨大的节能降碳挑战，必须充分认识到“双碳”目标的紧迫性和艰巨性，加快绿色转型，才能如期实现“双碳”目标。
困难与挑战
1.东西部供需不平衡，资源利用不充分
我国东部发达地区对算力和存储的需求多，但土地、电力供应紧张，可再生能源相对贫乏，平均气温较高，不利于数据中心的绿色发展；西部地区土地资源、可再生能源丰富且气候寒冷干燥，有利于数据中心的节能降碳，但需求较少。现阶段，东西部数据中心规模比例约为7∶3，西部地区适宜的气候、丰富的可再生能源未能得到充分利用。
2.存量数据中心总体能耗水平较高，节能改造任务艰巨
随着政府部门不断提高数据中心的准入门槛，新建数据中心能效水平有了明显改善，但存量数据中心的PUE普遍大于1.5。部分数据中心建成时间早、规模小，技术水平落后，PUE值超过2，改造成本高昂，企业改造意愿不强。此外，在改造的同时，需确保业务连续不间断，数量庞大的存量数据中心节能改造任务非常艰巨。
3.可再生能源市场化交易机制不健全
数据中心的电力供应多来自市政电网，从我国目前的一次能源结构状况来看，数据中心降低碳排放最有效的方法是提升可再生能源利用率，可通过自建可再生能源电站或可再生能源交易实现。
我国目前可再生能源交易的方式主要有绿色电力交易和绿色电力证书认购。其中，绿电交易市场尚未完全形成市场化定价机制，区域壁垒和地方保护增加了跨区域交易的难度，大部分数据中心仍未取得绿电市场的交易资格；绿证交易缺乏激励机制，加上国内绿证价格高、缺乏国际认可，导致绿证交易率极低。数据中心参与可再生能源市场化交易机制亟须完善。
4.碳排放标准体系和管理机制有待完善
行业目前尚缺乏科学全面的碳排放标准体系，管理机制也需进一步完善。大部分城市尚未上线数据中心能耗在线监测平台，缺乏对数据中心能耗的动态监控与管理能力；可再生能源应用未纳入数据中心碳减排考核体系，缺乏约束激励机制，数据中心应用可再生能源动力不足。此外，业界尚未提出对碳减排的量化指标，数据中心碳排放的披露信息也非常有限，监管、考核评价机制亟须跟上。
数据中心绿色发展可行路径
数据中心的碳排放贯穿规划、建设、运营、改造各个阶段，在“双碳”战略目标下，要加强顶层设计，树立起全生命周期绿色发展的理念，在各个阶段因地制宜制订减排计划。
1.以科学规划、合理布局为牵引
我国西部地区气候寒冷，可再生能源丰富，能够更好地契合数据中心绿色发展的需求。数据中心在选址时应以“东数西算”工程为指引，充分考虑气候环境、能源供给等要素，特别是非实时算力需求更应考虑落地西部地区。同时，应推动新建大型、超大型数据中心，改造存量“老旧小散”数据中心，逐步关停低效数据中心，实现产业的集约化发展。
2.以优化用能结构为关键
数据中心的碳排放量与大量消耗的电能密切相关，优化用能结构、提高可再生能源利用率可以从源头提升数据中心绿色低碳水平。企业可充分利用屋顶、空地等空间，自建太阳能光伏，即发即用；也可投资建设光伏、风电等可再生能源电站。结合储能技术，可以克服可再生能源发电的间歇性，提高数据中心可再生能源的利用率。大型数据中心可探索建立可再生能源电力的专线供电。
3.以技术创新为引擎
（1）优化IT设备能效
IT设备能耗占了数据中心总能耗的“半壁江山”，提升IT设备的能效至关重要。产品选型方面应优先选用相同技术指标下功耗较低的产品，提升单位算力，例如高转换效率的电源模块，全闪存化存储等。随着数据量的不断增长和制冷系统能耗占比的逐渐降低，有专家预测，存储系统的能耗将占据数据中心总耗电量的35%。存储系统的能耗83%来自存储介质，相同容量下采用闪存作为介质的固态硬盘比机械硬盘能耗降低70%，逐步提升存储系统中固态硬盘的比例，最终实现全闪存化可大幅降低数据中心能耗。
数据中心通常基于峰值业务需求配置服务器，冗余度较高，动态调压调频技术可根据计算资源的需求动态调整服务器芯片的电压和频率，降低服务器功耗；虚拟化技术可迁移并集中低负载服务器上的虚拟机，关闭或休眠部分服务器，从而降低能耗。
（2）提升制冷系统效率
数据中心总能耗中制冷系统的占比仅次于IT设备，是降低PUE成效最明显的发力环节。根据气候条件、机柜功率密度等因素设计制冷架构，充分利用自然冷源、应用高效制冷技术、优化气流组织等，可以提升制冷系统效率，降低能耗。
充分利用自然冷源，最大限度地减少机械制冷，是降低数据中心制冷能耗最有效的手段，也是数据中心制冷系统发展的主要趋势之一。另一个主要发展趋势是，末端冷却设备越来越贴近热源，例如液冷、热管背板技术等。云计算、人工智能等技术带来了高通量的计算业务，新一代芯片采用众核高功耗策略实现性能的提升。NVIDIA H100SXM已达到4 nm制程，TDP飙升至700 W。不断提升的芯片功耗带来了严重的散热挑战，风冷已力有不逮。液冷凭借液体远超气体的比热容、芯片级精准制冷，实现了高效散热，同时具有更优秀的热回收性能。另外，还可以选择磁悬浮变频离心冷水机组、间接蒸发式冷水机组、氟泵空调、变频末端精密空调等高效制冷设备。
优化气流组织，合理部署冷/热通道，可以减少冷量损失、消除局部热点，适当提高送回风温度或冷冻水供回水温差，可避免过量制冷，也是制冷系统节能降耗的重要手段。此外，将IT设备工作产生的余热回收，用于建筑供暖、生活用水加热等，能大幅降低碳排放。
（3）降低供配电损耗
数据中心供配电系统的损耗主要由变压器、UPS、配电设备和供电线路产生，可以从简化供配电架构、应用高效供配电设备入手降低系统损耗。
传统数据中心多采用2N交流UPS架构，市电进入数据中心后，还需经过变压器、低压配电柜、输入输出配电柜、UPS等环节才能进入设备，中间环节多、损耗高。市电直供跳过UPS等设备，减少了转换环节的损耗，随着市电质量的提升，应用越来越多。高压直流技术（HVDC）相比传统UPS系统，减少了整流逆变环节，工作效率显著提高,并且可靠性高、易于维护。HVDC+市电直供模式简化了供配电架构，可靠高效，应用前景广阔。
UPS的容量通常按照IT设备的峰值负荷进行设计，大部分运行时间内负载都比较低。在低负载时，传统UPS转换效率低、损耗大，模块化UPS可智能休眠部分功率模块，减少电能的损耗。为了减少UPS双变换模式下整流、逆变两次转换的电能损耗，主流厂商相继推出ECO运行模式。ECO模式下UPS优先以旁路带载，IT负载的有功功率由市电直供，运行效率可提升至98%以上。
（4）人工智能（AI）赋能高效运维
传统数据中心多聚焦于节能设备本身，忽视了运维阶段的节能潜力。随着人工智能技术的不断发展，将AI技术引入运维当中，持续优化运行模式，成为数据中心节能降碳的重要手段。通过基础设施、传感器收集负载、温湿度、能耗等参数，借助深度学习神经网络生成模型，持续训练迭代并利用数字孪生技术进行评价，最终实现制冷、供配电等系统随负载动态调度，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。
4.以健全可再生能源市场交易机制为补充
受数据中心园区场地规模限制，自建可再生能源发电量通常难以满足自用需求，企业还需结合绿色电力交易、认购绿色电力证书、碳交易等方式实现碳抵消。我国的绿电交易、绿证交易和碳交易目前都处于起步阶段，需要加快健全市场交易机制，扩大市场化交易试点地区及参与企业范围，建立合理完善的跨区域绿色交易机制，加强认证监督及国际互认机制的建设，有序推进绿电市场和绿证市场的有机融合。
5.以完善的标准体系和管理机制为保障
政府部门应加快数据中心碳排放标准体系建设，发挥标准化工作的引领作用；健全数据中心碳排放管理机制，加强监管力度，建立数据中心在线能耗监测平台，推动新建和存量数据中心尽快接入，倒逼数据中心高质量发展；鼓励开展碳排放自查和第三方核查，建立碳信息披露制度；构建科学全面的绿色低碳评价体系，打造示范项目，出台激励政策，激发企业节能改造的热情；将数据中心可再生能源利用率纳入碳减排考核体系，提升企业使用可再生能源的动力。
总结与展望
随着“双碳”战略的不断推进，数据中心绿色转型势在必行。要将绿色发展理念贯穿数据中心全生命周期，从科学规划布局、优化用能结构、创新实践新技术等方面多管齐下，改造存量，优化增量；同时健全可再生能源市场交易机制，完善数据中心碳排放标准体系和管理机制，强化能耗监测，引导数据中心向绿色低碳发展演进，逐步实现碳中和目标。
本文标题：“双碳”目标下数据中心绿色发展可行路径研究
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