“雙碳”目標下新型數據中心發展路徑探討

文/姚云龍 陸皞 孫悅 王敏 劉彬

一、引言

數字經濟是繼農業經濟和工業經濟后的主要經濟形態，將會影響全球經濟結構、并改變全球競爭格局，爆發式的數據量促使數字經濟快速發展。在“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中提出“加快建設數字經濟、數字社會、數字政府，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革”。隨著數字經濟發展和數據中心建設數量增加，相應能耗持續增加。傳統數據中心主要依賴火電，能耗增加直接導致碳排放增加。在“雙碳”目標下，數據中心建設與運行面臨嚴峻的碳排放挑戰。

在“雙碳”戰略背景下，多位學者開展相應研究，如聶耀昱等[1]探討了新型數據基礎設施協同推進實施數字中國戰略和碳達峰碳中和戰略，潘玲穎等[2]研究了新能源發電產業集聚與能源消費中心分布的關系，但“雙碳”目標下新型數據中心在全生命周期過程中如何發展缺乏系統研究。本文從數據中心全生命周期角度探討在“雙碳”目標下新型數據中心發展路徑。

二、數據中心能耗與碳排放分析

（一）建筑能耗與碳排放

根據中國建筑節能協會建筑能耗與碳排放數據專委會發布的《2022 中國建筑能耗與碳排放研究報告》[3]，2020年全國建筑全過程能耗與碳排放統計詳見表1。

表1 2020年全國建筑全過程能耗與碳排放統計

由表1 可知，建筑能耗與碳排放主要集中在建材生產和建筑運維階段，施工階段占比小，分析如下：

1. 建材生產階段包含工程消耗建材在其生產全過程的能耗和碳排放，數據中心結構類型與其他建筑無區別，建材生產階段的能耗量和碳排放量可參考中國建筑全過程能耗和碳排放統計結果。

2. 建筑施工階段采用的施工安裝技術與其他建筑無區別，在施工階段的能耗和碳排放可參考中國建筑全過程能耗和碳排放統計結果。

3. 建筑運維階段包含維持建筑使用功能和建筑內各設備等室內活動的能耗和碳排放。表1 為普通建筑的統計結果，該結果可供數據中心園區綜合樓參考，而數據中心樓和動力中心樓以電子信息設備和配套設備為主，應對設備的能耗和碳排放進行研究。

（二）設備能耗與碳排放

數據中心運行階段能耗和碳排放遠大于普通建筑，且在全生命周期中占比大。《中國數據中心產業發展白皮書（2023年）》[4]對全國數據中心能耗與碳排放情況進行統計與預測，2021年統計結果和2025年預測結果詳見表2。

表2 全國數據中心能耗與碳排放統計與預測

根據表2 可知，數據中心能耗和碳排放占比較大。伴隨數字中國國家戰略布局，數據中心快速建設帶來能耗和碳排放的持續增加，給達成“雙碳”目標帶來巨大挑戰。數據中心除需要考慮建筑生產施工和設備運行能耗和碳排放外，還應考慮設備生產制造和運輸過程中的能耗和碳排放。通過對全生命周期涉及到的各類內容進行能耗和碳排放管理，從而實現“雙碳”目標。

三、新型數據中心發展路徑

（一）可再生能源與儲能

可再生能源包括太陽能、風能，生物能、水能，地熱能，氫能等，其在消耗后可得到恢復補充，且不會排放二氧化碳，采用可再生能源發電是實現“雙碳”目標的有效途徑。

數據中心能耗大部分來自非再生能源發電供應，主要來自通過燃燒煤和天然氣形成的火力發電，會排放大量的二氧化碳。根據統計，2021年中國數據中心能耗937 億千瓦時，占中國全社會用電量的1.13%，預測2025年全國數據中心能耗1200 億千瓦時，占中國全社會用電量1.23%[4]。數據中心能耗占全社會能耗比例大，采用可再生能源帶來的電力供應將有助于實現“雙碳”目標。

我國可再生能源中的風力、光伏、水力資源優勢明顯，根據統計，我國水電機組容量上限約為560GW，光伏裝機容量上限約為117.2TW，風電裝機容量上限約為6580GW[5]。由于光伏裝機容量上限是水電機組容量上限的209 倍，風電裝機容量上限是水電機組容量上限的12 倍，因而我國未來綠色電力發展的主要方向是加大光伏與風電的裝機容量，預計2060年光伏與風電的裝機容量滲透率為69.83%，數據中心充分利用好光伏發電與風電，將有助于在能耗增加的情況下，依然實現碳減排。受自然條件限制，風電和光伏發電具有利用小時數和保證出力低、出力分布和日內功率波動大等特征，在并網前可結合儲能技術有效抑制風電和光伏發電的波動性和間歇性。

數據中心為不間斷運行，且具有時空效應特點，可結合實際用戶負荷情況對算力進行時間和空間上的重分配，通過數據中心算力的重分配可均衡服務器使用效率，又能滿足負荷的削峰填谷。大型數據中心園區規劃建設110KV 變電站，并配套儲能系統實現削峰填谷和可再生能源的靈活調度，降低數據中心運維成本，提高可再生能源利用率。對于不具備自建110KV變電站的數據中心園區可考慮配建儲能設施或租用儲能設施。此外，采用氫燃料電池代替柴油發電機作為數據園區后備應急電源系統，有助于在使用應急電源時降低數據中心碳排放。

（二）規劃布局與產業集聚

綜合考慮數字經濟發展規劃、現代能源體系規劃和用戶分布特征，以及電力傳輸、數據傳輸、算力需求、算力網絡技術、產業集聚等影響，推進綠色規劃布局，在符合規劃要求前提下進行項目選址，降低運維過程碳排放。

“十四五”數字經濟發展規劃明確提出在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝地區雙城經濟圈、貴州、內蒙古、甘肅、寧夏等地區布局全國一體化算力網絡國家樞紐節點，建設數據中心集群，結合應用、產業等發展需求優化數據中心建設布局。“十四五”現代能源體系規劃明確提出綠色低碳轉型工程布局，加快西南水電基地建設，在廣東、福建、浙江、江蘇、山東等地開展海上分散式風電基地建設，在青海、甘肅、內蒙古、寧夏、新疆等地規劃布局分散式風電和分布式光伏等。第七次全國人口普查結果顯示，東部地區人口占39.93%，中部地區人口占25.83%，西部地區人口占27.12%，東北地區人口占6.98%。此三項因素對數據中心規劃布局形成重要影響，其相互關系詳見圖1。

圖1 新型數據中心規劃布局影響因素

考慮到可再生能源比例逐年提高，數據中心選址應結合風、光、水力發電規劃布局，就近消納可再生能源電力，減少電力傳輸帶來的不必要損耗，如在貴州、內蒙古、甘肅、寧夏等地區規劃布局，不僅可使用這些地區豐富的可再生能源，而且地區氣候適宜，有助于降低運行能耗，分布區域詳見圖1 中B 區。

全國人口分布的聚集區域，同時屬于算力需求量聚集區域，典型的聚集區如京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝地區雙城經濟圈等，在此類區域規劃建設數據中心可滿足算力對時延的需求，相應數據中心建設需求量大，是傳統數據中心重點建設區域，分布區域詳見圖1 中C 區，該區域有助于布置超低時延核心數據中心和低時延數據中心。

此外，在沿海風電資源分布廣泛的廣東、福建、浙江、江蘇、山東等區域，同時滿足可再生能源分布區和算力需求區，其分布區域詳見圖1 中D區。圖1 中A 區集“東數西算”八大集群、算力需求集聚、可再生能源分布于一體，如在長三角和粵港澳大灣區結合風力發電基地布局新型數據中心。

（三）循環經濟與綠色建筑

數據中心由數據中心樓、動力中心樓、綜合樓、110KV變電站、室外工程等組成，涉及傳統建筑工程領域。“十四五”循環經濟發展規劃指出，發展循環經濟具有顯著的資源節約與碳減排協同效應。循環經濟遵循“減量化、再利用、資源化”的原則。綠色建筑是可持續發展的建筑，是循環經濟在建筑領域的體現。推動數據中心在建筑全生命周期過程中采用循環經濟和綠色建筑發展理念，是“雙碳”目標下新型數據中心發展的必由之路。

1. 在數據中心設計中引入“減量化”理念，研究數據中心各專業建設內容，提出能滿足2 ～3 代設備發展的數據中心建設方案，并力求形成行業標準推廣使用，如采用裝配式建筑模塊、裝配式機電模塊等，結合智慧化管理系統，實現智能優化開料、大規模批次生產，充分降低材料和人工消耗。實施“減量化”設計及建造，采用簡潔化裝修，避免耗費裝飾材料。建造全過程引入數字化理念，選取合理的建造工藝，如采用綜合支架考慮多專業協同。通過“減量化”有助于實現綠色建造、形成產業集聚效應、降低能耗和碳排放。

2. 在數據中心運行中引入“再利用”理念，積極響應國家清潔生產改造政策，實施園區循環化發展工程。積極推進光伏建筑儲能一體化、設備耗能余熱回收、污水處理和循環再利用等資源綜合再利用方案。如在綜合樓屋面布置光伏，縮短供電路徑，減少電網供電過程損耗，可滿足綜合樓的能耗要求。再如數據中心設備余熱回收作為供暖使用，減少建筑的額外供暖能耗，有助于降低能耗和碳排放。

3. 在數據中心全生命周期中引入“資源化”理念，選擇能夠滿足回收再利用的材料和節約輔助材料和人工的安裝工藝，推動建筑垃圾源頭減量。在建造過程中引入綠色建造工藝及管理措施，推進渣土、泥漿、垃圾等資源化利用。在設備生產、加工和回收過程中，形成規范化生產、回收及拆解流程，推進智能化與精細化拆解，實現設備材料的100% 資源化利用。

（四）電子信息設備與配套設備

在數據中心運行階段中，產生能耗的設備主要包括電子信息設備和配套設備，其中配套設備又包含散熱冷卻設備、供配電設備以及其他配套設備。以數據中心年平均PUE 值1.3為例，電子信息設備能耗占比約77%，散熱冷卻設備能耗占比約16%，電源設備占比約6%，其他占比約1%。由此可見，在“雙碳”目標下降低電子信息設備和散熱冷卻設備的能耗是解決碳排放的重要途徑。

1. 數據中心安裝的主體設備為電子信息設備，包括服務器、存儲器和網絡交換機組等。其中服務器的能耗占比最高，可達到50%，存儲器能耗占比35%，其余電子信息設備能耗占比15%。電子信息設備在運行階段的能耗與設備運行能耗、業務負載率等相關。在數據中心發展過程中，通過產品迭代更新促使電子信息設備在處理等量數據量的情況下逐漸降低自身能耗，并通過優化服務器算法，為客戶均衡分配資源，采用合理的節能策略實現電子信息設備節能。

2. 數據中心配套設備是除電子信息設備外主要的能耗設備，能源消耗集中在散熱冷卻設備和供配電設備中，散熱冷卻設備能耗占比達到配套設備總能耗的70% 左右，應列為碳減排研究重點。衡量標準采用數據中心能源效率（power usage effectiveness,PUE），即消耗的所有能源與電子信息設備消耗的能源比值，屬于有效能耗概念范疇，該比值大于1，越接近1表明非電子信息設備耗能越少，即能效水平越好。國家發展和改革委員會等四部門發布文件明確提出全國新建大型、超大型數據中心平均電能利用效率降到1.3 以下，國家樞紐節點進一步降到1.25 以下。

目前，數據中心主流冷卻技術為間接蒸發冷卻系統、集中式水冷系統、氟泵空調系統和液冷技術。液冷技術又可分為冷板式液冷、浸沒式液冷和噴淋式液冷，目前以冷板式和浸沒式為主。以內蒙古和林格爾集群為例，各類冷卻技術相應的PUE 統計值如圖2 所示。

圖2 不同類型散熱冷卻設備PUE

從圖2 可知，隨散熱冷卻設備的不斷創新，PUE 越來越接近1，非電子信息設備耗能越來越少，有助于實現數據中心的“雙碳”目標。

（五）智能運維與更新改造

在數據中心全生命周期中加強運維管理提升運維效率，對存量機房進行設備更新改造均有助于實現“雙碳”目標。傳統運維較多采用人為控制，受人數、客觀、主觀以及電子信息設備多維度、海量數據等因素制約，存在算力資源分配不均衡、散熱冷卻設備運轉不均衡以及故障率高不能及時處理等特征，均不利于碳減排。

建議對數據中心基礎設施實施數字化，并制定完整的數字化、流程化、標準化規則，形成具有兼容性接口的各類協議，通過接入人工智能，在已制定的規則下結合能源管理規則進行智能化管理，優化算力資源分配和散熱冷卻設備運轉，實現運維過程的自我檢測、診斷和報告等，最終實現新型數據中心的自動駕駛。

對存量數據中心及時改造升級，加快應用高密度、高效率電子信息設備，并結合原有條件改造實施散熱冷卻設備，對小型數據中心進行遷移整合，對算力資源進行合理化分配并降低時延，更好地滿足城市邊緣計算需求，通過以上更新改造實現存量數據中心的碳減排。

四、結束語

數字經濟繁榮促使數據中心大量建設，推高其能耗和碳排放。通過研究數據中心建筑和設備的能耗和碳排放特點，給出有助于實現“雙碳”目標的新型數據中心發展路徑：數據中心采用可再生能源、儲能、氫燃料電池等措施實現碳減排；依據國土空間規劃、數字經濟發展規劃、能源體系規劃，推進數據中心綠色規劃布局，降低運行過程中的碳排放；引入循環經濟和綠色建筑理念實現減量化、再利用、資源化，實現碳減排；采用同等處理能力低能耗電子信息設備和散熱冷卻設備，降低PUE 實現碳減排；結合數字化、智能化、標準化，實現數據中心自動駕駛，實現碳減排。通過以上發展路徑，規劃并建設新型數據中心，有效降低碳排放，甚至實現零碳排放，對“雙碳”目標下數據中心建設思路具有指導意義。