在双碳目标下,数据中心作为用电密集型行业迫切需要低碳、绿色发展。

2020年9月,中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标。这既是我国为全球气候变暖做出的庄严承诺,也是我国绿色低碳发展的动员令。在双碳目标下,数据中心作为用电密集型行业迫切需要低碳、绿色发展。

一

国家“双碳”目标对数据中心的要求

根据国际能源署公布的资料(如图1所示),2020年全球碳排放总量按地区统计,中国的碳排放占31%,几乎占到了总排放量的1/3。可以看出,减少碳排放从地区来看,重点也是在中国。

 

另外,从国际能源署公布的2020年全球碳排放来源构成(如图2所示),能源发电与供热行业占43%,交通运输行业占26%。因此,减少碳排放从行业来看,重点在能源发电、供热与交通运输行业。

 

数据中心行业除了柴发运行情况外一般不直接产生CO2,但是数据中心行业是用电密集型行业,每平米的用电量高达1～2kW,甚至达到3～4kW。根据CDCC提供的统计数据,2019年～2021年,全国数据中心的用电量约为800～900亿kWh,约占全国社会总用电量的1.1%左右。

我们再来看看全国数据中心能效利用水平情况(如图3所示),2021年度全国数据中心平均PUE为1.49,其中,华北、华东的数据中心平均PUE接近1.40,华中、华南数据中心平均PUE值接近1.60,数据中心能效利用水平存在较大提升空间。

 

国家“双碳目标”对数据中心提出了哪些要求呢?

1 ✦ 更绿色

这里的绿色有两层含义,其一是绿色产品的选用,比如选用谐波少、噪声低、辐射低、抗干扰的产品,其二就是应用绿色能源,比如太阳能光伏、储能、风电等。在这方面,国际互联网大公司给我们做出了榜样,截至2020年10月,Facebook、苹果、谷歌、微软等33家科技企业及数据中心服务商先后承诺将100%使用可再生能源,并为自己设置了中期和远期目标,目前部分企业已提前或超额实现目标。

2 ✦ 更节能

以在系统设计和产品选型上进行更多的考虑。比如选用效率更高的UPS、损耗更低的变压器、COP更高的空调设备等,根据不同气候条件选用更加节能的空调系统、充分利用自然冷等等;节约用水方面,在水制冷系统的数据中心中,水资源消耗占据了较大比例,我们可以采用闭式冷却塔、采用蒸发风冷和加湿系统来节约用水,也可以将循环水净化处理后再利用。

3 ✦ 更智能

4 ✦ 更可靠

数据中心通常要求业务无中断,一旦出现业务中断就带来严重的损失。所以,数据中心运行的高可靠性至关重要,一般来说数据中心的等级越高,可靠性就越高。可靠性是一个综合的指标,体现在建筑结构、供电架构、空调系统,消防安防、网络布线等等各个方面,按照木桶的短板理论,每一个系统的设置都应该满足才行。

单个数据中心的可靠性很难做到万无一失,但是我们可以通过双中心或者多中心的业务备份来提高可靠性。比如:在2020年双11期间,阿里云就有五大超级数据中心支持双11的交易高峰,数据中心的整体架构从集中式转为分布式,在出现故障后可以实现1min发现,1min定位,1min恢复,保证了数据中心业务的可靠性。

5 ✦ 低成本

数据中心的成本分为建设成本(CAPEX)和运营成本(OPEX),建设成本包括土地成本、外部市政水电引入成本、土建成本、机电成本等。土地成本、外部市政水电引入成本与建设地的规划条件、市政情况有关,业主在选择数据中心的建设地点时应该予以考量。土建成本、机电成本跟建设等级、设计方案有关,也跟建设方设备的招标采购以及项目管理水平有关。数据中心在运营阶段,最大的成本是电费,所以,在数据中心选址时,需要格外关注当地的电价和电力市场的变化。当然还有水资源利用成本、设备折旧的成本、网络带宽的成本以及维护的人力成本等等。数据中心要降本增效,需要在建设和运营的各个环节进行精细控制。

6 ✦ 易维护

数据中心要想易维护,首先要在系统设计上简单、可靠。系统越简单越易维护,越可靠越易维护。其次就是要数据不全、不具备学习能力,不能够给运维人员提供操作建议。那么未来,我们会越来越多的将物联网、大数据、人工智能技术应用到数据中心的监控当中,让监控系统具有观察、学习、预测、推荐等功能,最终实现自动化运维。

二

数据中心双碳目标的发展路径

1 ✦ 发展节能技术，提高能源利用效率

数据中心的节能主要体现在以下五个方面:

1）IT设备节能

目前,对数据中心的能效考核指标是PUE,大家更多的是关注基础设施的节能降耗,实际上IT设备的节能不容忽视。调查发现,当前全球数据中心的CPU利用率并不高,比如谷歌数据中心的CPU利用率最高约为75%,而中国某大型电商的CPU利用率约为45%。可见,即使在虚拟化技术非常流行的今天,数据中心的CPU利用率还有较大的提升空间。

目前主流的存储介质主要包括HDD机械磁盘介质和基于SSD的半导体闪存介质。在相同容量下,固态硬盘的能耗比机械硬盘低70%,空间占用也节省50%。此外,合理配置计算与存储,让计算和存储的能力相匹配,也能有效降低能耗,提高效率。

2）供配电系统节能

在供配电系统的损耗中变压器和UPS的损耗占主要部分,那么,我们在选用变压器和UPS的时候,就要选用高效节能型变压器,选用效率高的UPS,带有UPS超级旁路运行功能的UPS。当然还有变压器深入负荷中心、合理设置供配电系统用房、合理规划线缆敷设路由、采用一体化预制电力模块等等,减少线缆的损耗。

3）空调系统节能

在数据中心中,空调系统的能耗是除IT设备以外的第二大能耗。空调系统节能首先考虑自然冷源的充分利用;对高密机房,用特制液体作为冷媒为服务器进行散热;还有间接蒸发冷技术、冰川相变技术等。

4）资源回收利用

数据中心的服务器所产生大量的热需要冷却,而数据中心周边的办公用房等在冬季需要供暖。如果在数据中心中采用热回收技术,将数据机房的热进行回收,就可以为周边办公楼提供供暖。

对于水冷系统的数据中心,随着水资源消耗快速增长,水资源利用效率(WUE)逐渐得到大家的重视。数据中心可以对排污水、雨水等进行过滤、净化、消毒等技术处理后回收利用,减少水资源的消耗。

5）智能化监控

建立完善的智能化监控系统,并通过AI技术的智能算法进行分析,测算,在充分考虑PUE和安全性平衡的前提下,选择最合适的运行模式,从而使得数据中心既节能,又安全。

2 ✦ 自建分布式光伏电站

在太阳能资源丰富地区,数据中心可以利用建筑屋顶、侧立面自建分布式光伏电站。商业模式采用“自发自用,余电上网”。目前,有的互联网公司已经逐步推动数据中心使用绿色能源,有的数据中心探索应用多站融合的方案。比如,依据不同数据中心的选址情况,通过建设分布式光伏或风力发电,并且结合储能技术,为数据中心建立一个绿色电力系统。

3 ✦ 投建大型集中式光伏电站、风电等

数据中心企业直接投资建设集中式风电、光伏电站。这种方式需要高额的前期投资,作为数据中心的非主营业务,国内数据中心企业目前尚未大范围开展。但是国际企业微软、facebook等已有一定探索和实践。随着国家东数西算工程的推进,大量的数据中心将在内蒙、甘肃、宁夏等西部地区建设,利用西部地区丰富的太阳能资源和广袤的土地资源,这种方式也将会有更多的应用。

4 ✦ 参与绿电市场交易

绿电市场交易有两种方式,第一种是市场化采购可再生能源和清洁能源,电力用户直接与可再生能源电力企业或售电公司进行交易,交易价格由买卖双方进行协商、集中撮合、挂牌、竞价等方式确定。第二种就是购买可再生能源绿色电力证书,国家对发电企业每兆瓦时非水可再生能源上网电量颁发的具有唯一代码标识的电子凭证,也就是绿色电力证书。需要绿电的企业向有绿证的发电企业购买了绿证,即可宣称自己使用了绿色能源。

5 ✦ 参与碳排放市场交易

我国的碳排放市场自2011年10月由发改委发起后,2013年6月深圳碳排放权交易市场在全国七家试点省市中率先启动交易。2021年7月全国碳排放权交易开市,首笔交易成交价格为52.78元/吨,交易额790万元,标志着我国的碳