从能源利用角度探讨数据中心发展战略

何承尧

1 信息产业发展迅猛

当今，信息产业的发展日新月异，迅猛异常，以“云计算”和“大数据”为概念特征引领信息产业向广度、深度不断扩展，"信息爆炸"所产生的海量，甚至天量数据，通过互联网交换，其存储和流通需求，催生了互联网数据中心（Internet Data Center）的建设和蓬勃发展。据相关统计资料显示：2008年至2013年6年间，我国数据中心的市场规模增长了5.4倍，年均增长率超过30%，预计至2016年，仍将保持年均30%的增长率。目前，我国的数据中心的服务器共约500万台。就上海而言，按“四个中心”：国际经济中心、国际金融中心、国际贸易中心、国际航运中心及“科技创新中心”、智慧城市等功能要求，据测算将需要建设一批数据中心，安装大约2000万台服务器。

2 数据中心的迅猛发展与节能减排的矛盾日益突显

数据中心虽是IT行业的“宠儿”，却是不折不扣、名副其实的耗能大户。以拟建的某数据中心为例：本期建设服务器机架9500个，装机功率43 450 kW。取数据中心能效指标PUE=1.5，年用电量为4亿kWh。该数据中心规划最终建设规模为30 000个机架，全部建成运行后，按以上数据推算年用电量为12.63亿kWh，约为上海市“一产”用电量的1.7倍，全市用电量的0.9%。换言之，一个数据中心的用电量约为全市用电量的1%。

若按上海全部数据中心安装2 000万台服务器估算，全部设备的装机功率为450万kW，年用电量将达283.8亿kWh，约为2013年全市用电量的20%。这意味着要为这2 000万台服务器增建一个大型发电基地，大量增加发电设备的容量，而且，按上海市供电煤耗0.3 kg标准煤/kWh计，则每年要消耗85万t标准煤，将对全市实现能耗总量控制目标产生严重的影响。

从万元产值能耗指标来看：上述数据中心本期项目年综合能耗为12.06万t标准煤，年产值为65 846万元，万元产值能耗为1.832 t标准煤，为2013年上海市万元产值能耗0.545 t标准煤的3.36倍。这清楚表明：数据中心的建设将严重影响上海万元产值能耗下降目标的完成。

综上所述，无论从全市能源消费量的总量控制目标，或是从万元产值能耗下降的目标看，数据中心的大规模的建设将带来能耗上升较大的负面影响，促使我们能源工作者进行深入的思考，另辟蹊径，探讨数据中心的发展策略，争取在发展信息产业的同时，兼顾节能减排，收到“鱼和熊掌兼得”的效果。

3 数据中心的用能特点

为了降低和控制数据中心的能源消耗，就必须认真、深入地分析数据中心的用能特点：

3.1 机房功率密度高，电力负荷集中、强度大，负荷特性全年呈刚性

以每台服务器机架4.5 kW计，数据中心如安装10 000个机架，则装机功率为4.5万kW，加上辅助设备功率，总装机功率可达6.75万kW（取PUE=1.5）。如安装30 000个机架，则总装机功率达20.25万kW，而且数据中心全年不间断运行，负荷峰谷差较小，呈刚性，这就要求有强劲的电网为它供电，以策安全。

3.2 空调负荷大，且以内热源为主，全年负荷基本平稳

数据中心的能耗主要包括：

——IT设备的能耗（主机能耗）

——其他设备的能耗（包括：电气、空调、照明、通风、动力等设备）的能耗（辅机能耗）

其中，空调能耗占了辅机能耗的绝大部分，而空调能耗中，主要是排放内热源所散发出来的热量，IT设备运行中散发出来的热量占了大部分，电气设备运行中散发出来的热量次之，照明设备散发出来的热量再次之。由于机房基本无人值守、办公，因此，由新风带进室内的热量有限。外热源主要是由太阳光的辐射从厂房围护结构（包括屋顶和四面墙壁，门窗等）带进室内的热量。由于厂房围护结构的窗墙比可以控制得较小，屋顶和墙壁如能达到热工性能标准，则由外热源所产生的空调负荷相对比较小，仅略高于照明设备发热所产生的空调负荷，而且低于电气设备发热而产生的空调负荷。而机房全年不间断运行，年运行小时为8 760 h，因而，由内热源所产生的空调负荷是基本稳定的，季节性负荷差异较小。

4 数据中心的发展策略

数据中心是互联网的重要组成部分，为互联网海量数据的存储和流通提供服务，而互联网是由光缆构成的网络，光的传输速度高达30万km/s，即使两地相隔遥远，信号传输是转瞬即到。因此，数据中心的布局可不受地理位置的限制，不必完全布局在中心城市。按照数据中心电力负荷集中，强度大的用能特点，应将它布置在靠近能源基地（如：大型水电站，火电站，大型煤矿坑口电站等），同时由于数据中心的空调负荷大，可将它布置在高纬度地区。由于，上海处于夏热冬冷地区，又是能源净输入地、西电东送目的地，针对上海的具体情况，特提出如下建议：

4.1 数据中心配置自备电厂兼作调峰电厂

数据中心配置自备电厂，其所发之电可就近供应数据中心使用，并将网电作为备用，既减轻了电网的供电压力，又减少了输电线损。以上海市某拟建数据中心为例：数据中心选用以天然气为燃料的两台9E级燃气—蒸汽联合循环机组，单台发电功率20万kW，一台运行即可满足数据中心用电负荷的需求;另一台作为备用，网电作为再备用，双重保险。同时自备电厂兼有调峰功能，用电高峰时，启动备用机组，可提供20万kW调峰容量。这种设计的好处是：

（1）对数据中心而言，可节省百余台备用柴油机组（按100%容量备用，且N+1冗余，备用柴油机总装机功率为22万kW。）及相关设备的投资和运行、维护费用。

（2） 提高了数据中心供电的安全可靠性.由原来两路网电供电，柴油发电机备用，改为两台燃气—蒸汽联合循环发电机组一用一备，再加上两路网电备用，相当于再增加一道保险，提高了供电的安全可靠性.

（3）数据中心采用自备电厂所发的电较购买网电价格便宜，可降低数据中心运行成本，提高经济效益。

（4）兼顾调峰功能，为电网减少峰谷差作贡献。由于数据中心的用电负荷是刚性的，用电高峰时，数据中心采用自备电厂所发的电，相当于减轻了电网的负担，并可启动备用燃气—蒸汽联合循环机组发电上网，提供20万kW顶峰容量，有利于减少电网峰谷差。

（5）燃气—蒸汽联合循环机组的汽轮机可采用抽汽—背压汽轮机或背压式汽轮机，将燃气轮机发电后的烟气余热，通过溴化锂吸收式制冷机转化成冷量向数据中心供冷，可大大提高综合能源利用率。空调负荷的不足部分可用自发电驱动电制冷机予以补充，部分蒸汽还可提供必须的热负荷，自备电厂也就成了数据中心电、冷、热三联供的能源中心。

4.2 将数据中心建在液化天然气接收站和气化厂附近，利用液化天然气气化时所产生的冷量，作为数据中心空调制冷的冷源

目前，我国的数据中心的PUE大多处于2.2~3.0之间，少数采用先进技术的数据中心的PUE为1.6左右，而世界上最先进的数据中心，即Facebook建在北极圈的数据中心的PUE仅为1.07，它充分利用了北极寒冷的气候环境和大量的冷水资源作为天然冷源，有效地降低了用于空调制冷的用电量。上海处于夏热冬冷地区，要降低数据中心的PUE值难度极大，但是，上海有其独特的有利条件——建有液化天然气接收站。当液化天然气气化时，将释放大量的冷量，1 t液化天然气释放的冷量为19.82万kcal。现在，液化天然气的气化厂是利用海水加热气化，或在顶峰时采用天然气燃烧直接加热使天然气气化，不仅让大量的冷量被海水带走，而且要消耗能源，对海洋环境也带来一定的影响。

如果将数据中心建在液化天然气接收站和气化厂附近，则可将液化天然气气化时所释放的冷量作为冷源，提供数据中心空调制冷，大大为减少空调制冷的用电量，从而有效地降低PUE值。此外，还可节省数据中心的空调系统（包括空调机组、冷却水泵、冷却塔等）的投资和运行费用。

上海的液化天然气接收站一期规模为300万t/年，液化天然气气化时所产生的冷量（包括液化天然气气化时释放的潜热和从液化气储存温度升高至环境温度的显热，按830 kj/kg，即198.25 kcal/kg计。）将近6 000亿kcal/年，即使利用率为50%，则为3 000亿kcal/年，能满足上海市远期全部数据中心的空调容量。

若再将为数据中心配套、以天然气为燃料，采用燃气——蒸气联合循环机组的自备电厂建在一起，则更有利于提高综合能源利用率，如将燃气--蒸汽联合循环机组中的汽轮机改为抽汽—凝汽式汽轮机或凝汽式汽轮机，则可利用液化天然气气化冷量供空调制冷后排放的水的剩余冷量加入凝汽式汽轮机的凝汽器作循环冷却水，由于此水的水温仍低于环境中的海水水温，便可提高凝汽器的真空度，使汽轮机发出更多的电量，提高发电效率。由此，数据中心的PUE值有望降低至1.1～1.2，大大减轻上海这类超大型城市的能源负担，也有利于数据中心的持续发展。

3）上海应及早规划，适当控制数据中心的发展规模

鉴于上海是能源净输入的特大城市，又处于夏热冬冷地区，节能减排的任务很重，大量的数据中心如建在本地，导致从数千里之外“西电东送”的电，相当一部分又被数据中心消耗了，为此，可考虑将数据中心建在能源基地附近和高纬度地区，通过互联网光缆远程交换和储存数据信息，既完全不会影响使用功能，并能利用当地充足的能源和气候条件，可有效减轻上海的能源供应压力和降低远程输电的损耗。

如前所述，数据中心如建在上海，拟建在液化天然气接收站和气化厂附近，就近利用液化天然气气化时所产生的冷能，以降低数据中心的空调能耗，但空调能耗仅占数据中心总能耗三成左右，它仍然是一个超级能耗大户，对上海实现能耗总量控制目标相当不利。同时，根据中心的万元产值能耗高达1.832 t标准煤，势必影响“十三五”期间以后万元产值能耗下降目标的完成。为此，笔者建议：对上海数据中心的建设应及早规划研究，在满足上海“四个中心”、”科技创新中心“和”智慧城市”要求的前提下，合理，适当地控制数据中心的发展规模，并对布局进行统筹配置。