零碳數據中心的實現路徑研究與實踐

金和平

（中國長江三峽集團有限公司，湖北省武漢市 430000）

1 背景

1.1 全球氣候變化加劇

全球氣候變化正在對人類社會構成巨大的威脅，溫室氣體超量排放會帶來冰川融化、海平面上升、高溫熱浪、生態環境破壞等一系列問題，人類的生產與生活都會受到不可逆轉的影響。2020年，全球與能源相關的二氧化碳排放量高達315億t，并且仍在不斷增長[1][2]。2022年夏季長江流域出現罕見的超過40天長時間持續高溫干旱天氣，其主要原因是全球氣候變暖。

1.2 中國“雙碳”目標

習近平主席在2020年9月第七十五屆聯合國大會一般性辯論和聯合國生物多樣性峰會上提出：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，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。2021年12月，國務院國資委正式發布《關于推進中央企業高質量發展做好碳達峰碳中和工作的指導意見》，明確了中央企業做好碳達峰碳中和工作的總體要求與主要目標。

1.3 數據中心碳排

數據中心作為數字化底座、數字化基礎設施，目前正在快速發展，作為能耗大戶，其碳排放量逐年快速提升，據《中國數字基建的脫碳之路：數據中心與5G減碳潛力與挑戰（2020—2035）》中的數據，2021年數據中心碳排放量高達14746萬t，相當于3億輛汽車每年在城市中行程達到2萬km的碳排放[3]。

以1500個機柜、每柜8kW、平均負載率75%、PUE 1.5[4]的數據中心模型計算，其十年期碳排量約82.9萬t，其中用電碳排占比97%；具體構成如表1所示：

表1 數據中心碳排計算模型Table 1 Carbon emission calculation model of data center

2 零碳數據中心實現路徑

2.1 碳中和路徑

簡單來說，碳中和路徑就是減少排放、增加吸收。從前端來看，就是要進行能源替代，用低碳替代高碳、用可再生能源替代化石能源，實現能源生產綠色化、能源消費電氣化。從中端來看，就是要進行節能，開展提效和減量，在能源利用上要轉換高效、存儲高效、利用高效，實現鋼鐵、石化、化工等高耗能行業轉型，加快新興產業發展，利用數字化技術研發低碳技術，推動資源高效利用、提升新基建能效水平，配套完善綠色金融等低碳發展機制，實現節約用能、減少浪費。從后端來看，要開展碳捕集、碳封存，利用植物固定、土壤固定，實現再生資源回收循環利用，通過森林培育及生態修復增強固碳能力。

圖1 碳中和路徑圖Figure 1 Carbon neutralization path diagram

總之，碳中和達成的手段，生產和消費端能源替代、高效用能節能是關鍵，產業結構轉型、低碳技術創新發展、形成低碳機制是目標。

2.2 零碳數據中心建設路徑

零碳數據中心建設按規劃、選址、設計、采購、建設、運行維護、拆除和回收利用全生命周期，概括起來多從以下方面實現零碳排放。

清潔能源使用：采用光伏、水電、風能等清潔能源；對于無法完全采用清潔能源的，可采用綠電交易[5]、購買綠證等方式，減少碳排放。提倡布置屋頂、墻面分布式光伏系統，并合理配置儲能，增強清潔能源消納能力。

電能及水利用效率：新建大型、超大型零碳數據中心電能利用效率應滿足：嚴寒地區 PUE≤1.2；寒冷地區 PUE≤1.25；其他地區 PUE≤1.3；水利用效率滿足：WUE≤1.1kg/kWh。

工藝優化和管理：在設計、施工、運維階段采用BIM（建筑信息技術）[6]等技術，進行過程優化，減少人為失誤，縮短施工周期，節省施工材料，提高設備運行使用效率，降低能耗。

設計與施工：充分利用閑置或廢棄的隧道、洞室、涵洞、倉庫、安裝間等設施，減少土建過程的碳排放。要采用回收率高的設計方案，數據中心建筑材料的回收率大于70%；要結合圍護結構保溫隔熱和遮陽措施，降低建筑的用能需求；主機房區域采用無窗密閉圍護，避免和減少進入室內的太陽輻射以及窗或透明幕墻的溫差傳熱；辦公區域及公用區域應充分利用天然光源；要充分搞好園區綠化，合理設置停車位、充電樁等，鼓勵新能源汽車的使用。施工應制定合理的施工計劃，避免返工，縮短施工周期；施工過程中要求采用預拌混凝土，預拌砂漿，以減少現場揚塵和碳排放。施工現場工程用車要求采用清潔能源車。施工現場使用的泵、電機等機械宜采用高效直流變頻驅動。

空氣調節與氣流組織：優先選用間接蒸發、水側自然冷等利用自然冷源的方式降低PUE。有條件的應采用江河湖海水等作為冷源[7]。對于單機柜功率20kW以上的超高密數據中心，采用板式液冷或浸沒式液冷提高制冷效率。當建設地周邊存在連續穩定、可以利用的廢熱和工業余熱，且技術經濟合理時，可采用吸收式冷水機組。技術經濟合理時，數據中心需供暖區域可利用主機房余熱供暖。在滿足機房運行環境要求時，應盡量提高數據中心冷凍水供水溫度，冷凍水供回水溫度差不宜小于5℃。宜采用人工智能等智能化的方式進行能效優化，根據IT負載和室外溫濕度調節冷機、水泵、冷塔、閥門、空調末端等，實現PUE尋優。主機房的空調形式應與氣流組織匹配，對于無法采用間接蒸發冷卻的場景，宜采用近端冷卻設備，減少輸配能耗。對于單機柜功率密度6kW以上的高功率密度區域，宜采用通道封閉技術。當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，送回風溫差宜大于10℃。主機房采用地板下送風時，地板宜做保溫處理，地板下不宜布置管、線、槽等障礙物，如果有障礙物，架空地板高度不宜低于600mm。

供配電與照明：建議采用第三路市電或其他類型的低碳穩定電源作為備用電源，取消柴油發電機減少一次化石能源產生的碳排放。低壓配電系統可采用融合、預制化方式，節約占地、提高供電鏈路效率。在滿足負載運行要求的前提下，UPS[8]可運行在超級旁路模式或智能在線模式。宜采用高密、環保的備電方案，降低對數據中心承重和空間的要求，減少傳統鉛酸方案帶來的環境污染和碳排放。照明系統應嚴格執行國家相關標準規定的“照明功率密度”限制值（LPD）中的目標值，應合理利用天然采光，采用導光和反光裝置將天然光引入室內進行照明，應選用智能照明系統，對系統的工作狀態進行控制，實現自動熄燈來節能。

給排水：零碳數據中心的冷卻用水、生活用水、公用系統用水等的排水，要按水質進行收集，重復或多次應用。應結合場地具體情況制定合理的雨水利用方案，降低場地徑流總量，加大雨水入滲、調蓄和回用。給水排水管網應采取有效措施避免管網漏損，用水器具應采用二級及以上節水器具。生活用熱水的熱源，選用數據中心產生的余熱、太陽能、熱泵等多種熱源后回用。

智能化系統：要求采用人工智能等先進智能化輔助手段，提高數據中心能源效率、運維效率，降低能耗。系統應具備碳排放量計算和統計功能，能收集和分析數據中心碳排放量、綠電使用率、碳匯交易量等。要能通過人工智能等智能化手段進行能效優化。要具備替代或減少人員巡檢工作的功能，減少運維過程碳排放。要與相關管理信息系統互聯互通，能接入政府能效監測管理平臺等數字化平臺，實現對總能耗、總耗水、IT總耗電、可再生能源使用量、蓄電量、蓄冷量及數據中心碳排放量等監測和控制。

3 實踐案例

3.1 三峽集團新基建

作為全球最大水電開發運營企業和我國最大清潔能源集團，中國三峽集團在為構建清潔低碳、安全高效的能源體系履行使命責任的同時，積極進行數字產業化，積極探索由提供清潔能源到提供綠色算力，通過“新基建”加速數字化轉型，融合清潔能源高效配電技術與IDC運營技術[9][10]，從提供綠色電力輸出轉變為綠色算力輸出，從度電能源價值轉變為度電算力價值。

圖2 從提供綠色電力輸出轉變為綠色算力輸出Figure 2 From providing green power output to green computing power output

“十四五”期間三峽集團計劃在宜昌區域打造華中地區最大的數據中心集群，布局在三峽壩區和葛洲壩壩區兩個區域，充分利用水電工程建設后形成的清潔水電、土地資源、江水冷源等優勢建設同城多活的數據中心集群，構建算力樞紐節點，為區域數字經濟高質量發展提供保障。

3.2 東岳廟零碳數據中心

三峽東岳廟數據中心位于宜昌市三峽壩區東岳廟，與三峽大壩直線距離僅3.8公里，屬于三峽大壩保護區內，是安保等級極高的數據中心。規劃建設26400個單機柜額定功率6kW的機柜，總投資約為55億元，占地面積超過166畝，分三期建設，計劃建設5棟數據中心大樓、一棟通信指揮樓和一棟變電站兼電力保障綜合樓，建成之后將會成為我國華中地區規模最大的零碳數據中心集群。

東岳廟數據中心一期建設4400個機柜，包含一棟數據中心機房樓、一棟通信指揮樓和電力保障綜合樓，建筑面積分別為30538m2、4802m2和2187m2，總投資約8.45億元。于2020年12月28日奠基，2021年2月20日正式開工建設，2021年7月13日主體建筑封頂，2021年11月30日實現首批機柜交付投產，2022年3月29日竣工驗收。三峽集團配合湖北省發展改革委正在以東岳廟數據中心為基礎按“以建促批”積極申報“東數西算”國家第九大算力樞紐節點。以東岳廟零碳、高安保和區位條件，積極爭當國家數據“保管員”、綠色零碳“引領員”、東數西算“調度員”。

圖3 東岳廟數據中心一期建設Figure 3 Dongyuemiao Data Center PhaseⅠConstruction output

2022年5月27日東岳廟一期項目獲得中國質量認證中心（CQC）頒發的A級機房等級證書，PUE值≤1.3。入選國家工信部發布的《國家新型數據中心典型案例名單（2021年）公示》，被評為綠色低碳方向的大型數據中心典型案例。形成《零碳數據中心建設標準》團體標準、《IDC數字化交付規范》和《IDC工程數字化運行管理規范》等一批數字化管理規范、IDC知識庫等智力資產。

東岳廟零碳數據中心建設實踐，貫穿“水流—電流—數據流”綠色能源轉化為綠色算力脈絡，傳遞三峽集團將瓦特變比特的數字產業化理念，實現了“零”碳排放的生命周期。主要表現在以下五個方面：

一是在能源供應方面，實現了零碳。東岳廟數據中心供電全部采用三峽電站的水電，通過三路供電保障，取消了柴油發電后備電源。

二是在工程建設方面，全生命周期節約碳排放1.45萬t。采用鋼結構、工程產品化及部件模塊化等一系列綠色施工方法，極大減少了建筑垃圾、廢水及二氧化碳的排放。減排情況如表2所示。

表2 鋼混與預制鋼結構建筑碳排對比Table 2 Carbon emission comparison between steel concrete and prefabricated steel structure buildings

三是在動環方面，利用AI和江水冷源，實現了高效配電、高效制冷和遠程運維。供配電全鏈融合+AI管理，系統效率達到95.5%，UPS（不間斷電源）采用模塊化，低負載輪巡技術，效率高達97%。利用三峽水庫冷水源，按照高溫冷凍水+自然冷卻方案，AI實時自動調節尋優，PUE實時保持最優狀態，實現PUE降低8%～15%，全生命周期可減少碳排放30萬t。搭建DCIM動環監控系統、遠程運維系統，通過對數據中心空調、機柜和UPS實時運行數據建模分析，實現提前預警和調優，確保數據中心能夠安全穩定運行。

四是在環境建設方面，實現了綠色園區。通過選擇合理綠化方式，科學配置綠化植物，形成園區森林。采用節灌溉水方式，搭配高效的雨水回收系統和生態道路，減緩地表徑流，降低熱島效應，滋養土壤，涵養地下水。開展屋頂、墻面光伏和園區小型風力發電設計，擬在二期進行實施。

五是全面應用數字化技術，實現基于BIM的交付和運維。打造了三峽集團新基建數字化管控平臺，建立了IDC項目數字化工作模式和標準體系，實現TGPMS（三峽工程管理信息系統）與IOT、GIS、BIM、知識管理深度融合的數字化協同工作管理，形成面向數字孿生運營需求的東岳廟新基建IDC項目全生命周期數字資產。首次在IDC設計、施工、竣工中全過程應用BIM技術，進行全過程優化，減少人為失誤，縮短施工周期，節省施工材料，降低能耗，減少碳排放。將空間資產、設備資產、交付檔案數據借助BIM技術實現可視化管理，根據關聯關系進行穿透查詢，通過靈活的交互設計、成熟的引擎實現二維、三維的信息交互應用，實現了資產數字化交付和運維。

3.3 數據中心碳排計算方法

根據以上零碳數據中心路徑論述及中國三峽集團東岳廟零碳數據中心建設實踐，由中國三峽集團牽頭、邀請國內行業相關單位參與編制了《零碳數據中心建設標準》（T/CA 301—2021），在中國通信工業協會數據中心委員會的組織下，作為行業標準于2021年12月1日開始實施。該標準對零碳數據中心進行了定義，當被考察數據中心的碳排放總量 C總=0時，該數據中心為零碳數據中心。明確了數據中心在規劃、選址、設計、采購、建設、 運行維護、拆除和回收利用等各環節的碳排放計算方法，其生命周期產生的碳排放總量計算公式如下[11]：

圖4 東岳廟數據中心BIM平臺截圖Figure 4 Screenshot of Dongyuemiao Data Center BIM Platform

式中：Cjc——建筑建材生產運輸階段的碳排放，應為建材生產階段碳排放與建材運輸階段碳排放之和，該指標應在設計階段由設計、建設單位對材料清單進行計算。Cjc=∑MiFi，其中Mi為第i種主要建材的消耗量，Fi為第i種主要建材的碳排放因子；

Cjs——數據中心建設階段的碳排放， 包括工程器械、工程車輛和施工人員活動產生的碳排放，應由建設單位對建設階段的過程碳排進行，參考《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）中第 5.2.3節的能源計算公式，Cjs=∑Ejz·iEFi，其中Ejz·i為建筑建造階段第i種能源總用量，EFi為第i種能源的碳排放因子；

Csb——數據中心設備及材料生產運輸階段的碳排放，包括除建筑建材外的所有設備和材料在生產、運輸階段產生的碳排放，該參數在采購階段，由設備清單，按照材料質量進行核算，對于無法細分的設備，按設備重量1.1倍的冷軋碳鋼板卷的碳排放等效計算；

Cyw——數據中心運行階段能源消耗產生的碳排放，能源消耗包括電力、燃氣、燃油、市政熱力等，也包括運維人員活動、運維車輛行為帶來的碳排放，應按照數據中心運行實際消耗的各類能源總量進行計算，其中電能的碳排放應按照本區域電網的碳排放因子進行計算。Cyw=∑Ei×EFi×y，其中Ei、EFi、y參考《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）中第4.1.4節的參數定義；

Ccc——數據中心拆除階段產生的碳排放，參考《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019）中第5.3.1節的相關規定；

Cp——數據中心生命周期通過植樹造林、二氧化碳捕集利用與封存等技術，以及通過碳交易抵消的碳排放，值為負數。

4 結語

本文通過對零碳數據中心的實現路徑研究，結合實踐案例，提出了數據中心全生命周期零碳排放的具體方法措施。通過介紹三峽集團東岳廟零碳數據中心建設實踐案例，與讀者分享零碳數據中心建設的實際操作經驗。同時，從研究和實踐中得出了數據中心全生命周期碳排計算公式，為零碳數據中心評判提供依據。