零碳数据中心的实现路径研究与实践

2022-11-15金和平

水电与抽水蓄能 2022年5期

金和平

（中国长江三峡集团有限公司，湖北省武汉市 430000）

1 背景

1.1 全球气候变化加剧

全球气候变化正在对人类社会构成巨大的威胁，温室气体超量排放会带来冰川融化、海平面上升、高温热浪、生态环境破坏等一系列问题，人类的生产与生活都会受到不可逆转的影响。2020年，全球与能源相关的二氧化碳排放量高达315亿t，并且仍在不断增长[1][2]。2022年夏季长江流域出现罕见的超过40天长时间持续高温干旱天气，其主要原因是全球气候变暖。

1.2 中国“双碳”目标

习近平主席在2020年9月第七十五届联合国大会一般性辩论和联合国生物多样性峰会上提出：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2021年12月，国务院国资委正式发布《关于推进中央企业高质量发展做好碳达峰碳中和工作的指导意见》，明确了中央企业做好碳达峰碳中和工作的总体要求与主要目标。

1.3 数据中心碳排

数据中心作为数字化底座、数字化基础设施，目前正在快速发展，作为能耗大户，其碳排放量逐年快速提升，据《中国数字基建的脱碳之路：数据中心与5G减碳潜力与挑战（2020—2035）》中的数据，2021年数据中心碳排放量高达14746万t，相当于3亿辆汽车每年在城市中行程达到2万km的碳排放[3]。

以1500个机柜、每柜8kW、平均负载率75%、PUE 1.5[4]的数据中心模型计算，其十年期碳排量约82.9万t，其中用电碳排占比97%；具体构成如表1所示：

表1 数据中心碳排计算模型Table 1 Carbon emission calculation model of data center

2 零碳数据中心实现路径

2.1 碳中和路径

简单来说，碳中和路径就是减少排放、增加吸收。从前端来看，就是要进行能源替代，用低碳替代高碳、用可再生能源替代化石能源，实现能源生产绿色化、能源消费电气化。从中端来看，就是要进行节能，开展提效和减量，在能源利用上要转换高效、存储高效、利用高效，实现钢铁、石化、化工等高耗能行业转型，加快新兴产业发展，利用数字化技术研发低碳技术，推动资源高效利用、提升新基建能效水平，配套完善绿色金融等低碳发展机制，实现节约用能、减少浪费。从后端来看，要开展碳捕集、碳封存，利用植物固定、土壤固定，实现再生资源回收循环利用，通过森林培育及生态修复增强固碳能力。

图1 碳中和路径图Figure 1 Carbon neutralization path diagram

总之，碳中和达成的手段，生产和消费端能源替代、高效用能节能是关键，产业结构转型、低碳技术创新发展、形成低碳机制是目标。

2.2 零碳数据中心建设路径

零碳数据中心建设按规划、选址、设计、采购、建设、运行维护、拆除和回收利用全生命周期，概括起来多从以下方面实现零碳排放。

清洁能源使用：采用光伏、水电、风能等清洁能源；对于无法完全采用清洁能源的，可采用绿电交易[5]、购买绿证等方式，减少碳排放。提倡布置屋顶、墙面分布式光伏系统，并合理配置储能，增强清洁能源消纳能力。

电能及水利用效率：新建大型、超大型零碳数据中心电能利用效率应满足：严寒地区 PUE≤1.2；寒冷地区 PUE≤1.25；其他地区 PUE≤1.3；水利用效率满足：WUE≤1.1kg/kWh。

工艺优化和管理：在设计、施工、运维阶段采用BIM（建筑信息技术）[6]等技术，进行过程优化，减少人为失误，缩短施工周期，节省施工材料，提高设备运行使用效率，降低能耗。

设计与施工：充分利用闲置或废弃的隧道、洞室、涵洞、仓库、安装间等设施，减少土建过程的碳排放。要采用回收率高的设计方案，数据中心建筑材料的回收率大于70%；要结合围护结构保温隔热和遮阳措施，降低建筑的用能需求；主机房区域采用无窗密闭围护，避免和减少进入室内的太阳辐射以及窗或透明幕墙的温差传热；办公区域及公用区域应充分利用天然光源；要充分搞好园区绿化，合理设置停车位、充电桩等，鼓励新能源汽车的使用。施工应制定合理的施工计划，避免返工，缩短施工周期；施工过程中要求采用预拌混凝土，预拌砂浆，以减少现场扬尘和碳排放。施工现场工程用车要求采用清洁能源车。施工现场使用的泵、电机等机械宜采用高效直流变频驱动。

空气调节与气流组织：优先选用间接蒸发、水侧自然冷等利用自然冷源的方式降低PUE。有条件的应采用江河湖海水等作为冷源[7]。对于单机柜功率20kW以上的超高密数据中心，采用板式液冷或浸没式液冷提高制冷效率。当建设地周边存在连续稳定、可以利用的废热和工业余热，且技术经济合理时，可采用吸收式冷水机组。技术经济合理时，数据中心需供暖区域可利用主机房余热供暖。在满足机房运行环境要求时，应尽量提高数据中心冷冻水供水温度，冷冻水供回水温度差不宜小于5℃。宜采用人工智能等智能化的方式进行能效优化，根据IT负载和室外温湿度调节冷机、水泵、冷塔、阀门、空调末端等，实现PUE寻优。主机房的空调形式应与气流组织匹配，对于无法采用间接蒸发冷却的场景，宜采用近端冷却设备，减少输配能耗。对于单机柜功率密度6kW以上的高功率密度区域，宜采用通道封闭技术。当满足信息设备运行环境要求时，空调系统宜加大送回风温差，送回风温差宜大于10℃。主机房采用地板下送风时，地板宜做保温处理，地板下不宜布置管、线、槽等障碍物，如果有障碍物，架空地板高度不宜低于600mm。

供配电与照明：建议采用第三路市电或其他类型的低碳稳定电源作为备用电源，取消柴油发电机减少一次化石能源产生的碳排放。低压配电系统可采用融合、预制化方式，节约占地、提高供电链路效率。在满足负载运行要求的前提下，UPS[8]可运行在超级旁路模式或智能在线模式。宜采用高密、环保的备电方案，降低对数据中心承重和空间的要求，减少传统铅酸方案带来的环境污染和碳排放。照明系统应严格执行国家相关标准规定的“照明功率密度”限制值（LPD）中的目标值，应合理利用天然采光，采用导光和反光装置将天然光引入室内进行照明，应选用智能照明系统，对系统的工作状态进行控制，实现自动熄灯来节能。

给排水：零碳数据中心的冷却用水、生活用水、公用系统用水等的排水，要按水质进行收集，重复或多次应用。应结合场地具体情况制定合理的雨水利用方案，降低场地径流总量，加大雨水入渗、调蓄和回用。给水排水管网应采取有效措施避免管网漏损，用水器具应采用二级及以上节水器具。生活用热水的热源，选用数据中心产生的余热、太阳能、热泵等多种热源后回用。

智能化系统：要求采用人工智能等先进智能化辅助手段，提高数据中心能源效率、运维效率，降低能耗。系统应具备碳排放量计算和统计功能，能收集和分析数据中心碳排放量、绿电使用率、碳汇交易量等。要能通过人工智能等智能化手段进行能效优化。要具备替代或减少人员巡检工作的功能，减少运维过程碳排放。要与相关管理信息系统互联互通，能接入政府能效监测管理平台等数字化平台，实现对总能耗、总耗水、IT总耗电、可再生能源使用量、蓄电量、蓄冷量及数据中心碳排放量等监测和控制。

3 实践案例

3.1 三峡集团新基建

作为全球最大水电开发运营企业和我国最大清洁能源集团，中国三峡集团在为构建清洁低碳、安全高效的能源体系履行使命责任的同时，积极进行数字产业化，积极探索由提供清洁能源到提供绿色算力，通过“新基建”加速数字化转型，融合清洁能源高效配电技术与IDC运营技术[9][10]，从提供绿色电力输出转变为绿色算力输出，从度电能源价值转变为度电算力价值。

图2 从提供绿色电力输出转变为绿色算力输出Figure 2 From providing green power output to green computing power output

“十四五”期间三峡集团计划在宜昌区域打造华中地区最大的数据中心集群，布局在三峡坝区和葛洲坝坝区两个区域，充分利用水电工程建设后形成的清洁水电、土地资源、江水冷源等优势建设同城多活的数据中心集群，构建算力枢纽节点，为区域数字经济高质量发展提供保障。

3.2 东岳庙零碳数据中心

三峡东岳庙数据中心位于宜昌市三峡坝区东岳庙，与三峡大坝直线距离仅3.8公里，属于三峡大坝保护区内，是安保等级极高的数据中心。规划建设26400个单机柜额定功率6kW的机柜，总投资约为55亿元，占地面积超过166亩，分三期建设，计划建设5栋数据中心大楼、一栋通信指挥楼和一栋变电站兼电力保障综合楼，建成之后将会成为我国华中地区规模最大的零碳数据中心集群。

东岳庙数据中心一期建设4400个机柜，包含一栋数据中心机房楼、一栋通信指挥楼和电力保障综合楼，建筑面积分别为30538m2、4802m2和2187m2，总投资约8.45亿元。于2020年12月28日奠基，2021年2月20日正式开工建设，2021年7月13日主体建筑封顶，2021年11月30日实现首批机柜交付投产，2022年3月29日竣工验收。三峡集团配合湖北省发展改革委正在以东岳庙数据中心为基础按“以建促批”积极申报“东数西算”国家第九大算力枢纽节点。以东岳庙零碳、高安保和区位条件，积极争当国家数据“保管员”、绿色零碳“引领员”、东数西算“调度员”。

图3 东岳庙数据中心一期建设Figure 3 Dongyuemiao Data Center PhaseⅠConstruction output

2022年5月27日东岳庙一期项目获得中国质量认证中心（CQC）颁发的A级机房等级证书，PUE值≤1.3。入选国家工信部发布的《国家新型数据中心典型案例名单（2021年）公示》，被评为绿色低碳方向的大型数据中心典型案例。形成《零碳数据中心建设标准》团体标准、《IDC数字化交付规范》和《IDC工程数字化运行管理规范》等一批数字化管理规范、IDC知识库等智力资产。

东岳庙零碳数据中心建设实践，贯穿“水流—电流—数据流”绿色能源转化为绿色算力脉络，传递三峡集团将瓦特变比特的数字产业化理念，实现了“零”碳排放的生命周期。主要表现在以下五个方面：

一是在能源供应方面，实现了零碳。东岳庙数据中心供电全部采用三峡电站的水电，通过三路供电保障，取消了柴油发电后备电源。

二是在工程建设方面，全生命周期节约碳排放1.45万t。采用钢结构、工程产品化及部件模块化等一系列绿色施工方法，极大减少了建筑垃圾、废水及二氧化碳的排放。减排情况如表2所示。

表2 钢混与预制钢结构建筑碳排对比Table 2 Carbon emission comparison between steel concrete and prefabricated steel structure buildings

三是在动环方面，利用AI和江水冷源，实现了高效配电、高效制冷和远程运维。供配电全链融合+AI管理，系统效率达到95.5%，UPS（不间断电源）采用模块化，低负载轮巡技术，效率高达97%。利用三峡水库冷水源，按照高温冷冻水+自然冷却方案，AI实时自动调节寻优，PUE实时保持最优状态，实现PUE降低8%～15%，全生命周期可减少碳排放30万t。搭建DCIM动环监控系统、远程运维系统，通过对数据中心空调、机柜和UPS实时运行数据建模分析，实现提前预警和调优，确保数据中心能够安全稳定运行。

四是在环境建设方面，实现了绿色园区。通过选择合理绿化方式，科学配置绿化植物，形成园区森林。采用节灌溉水方式，搭配高效的雨水回收系统和生态道路，减缓地表径流，降低热岛效应，滋养土壤，涵养地下水。开展屋顶、墙面光伏和园区小型风力发电设计，拟在二期进行实施。

五是全面应用数字化技术，实现基于BIM的交付和运维。打造了三峡集团新基建数字化管控平台，建立了IDC项目数字化工作模式和标准体系，实现TGPMS（三峡工程管理信息系统）与IOT、GIS、BIM、知识管理深度融合的数字化协同工作管理，形成面向数字孪生运营需求的东岳庙新基建IDC项目全生命周期数字资产。首次在IDC设计、施工、竣工中全过程应用BIM技术，进行全过程优化，减少人为失误，缩短施工周期，节省施工材料，降低能耗，减少碳排放。将空间资产、设备资产、交付档案数据借助BIM技术实现可视化管理，根据关联关系进行穿透查询，通过灵活的交互设计、成熟的引擎实现二维、三维的信息交互应用，实现了资产数字化交付和运维。

3.3 数据中心碳排计算方法

根据以上零碳数据中心路径论述及中国三峡集团东岳庙零碳数据中心建设实践，由中国三峡集团牵头、邀请国内行业相关单位参与编制了《零碳数据中心建设标准》（T/CA 301—2021），在中国通信工业协会数据中心委员会的组织下，作为行业标准于2021年12月1日开始实施。该标准对零碳数据中心进行了定义，当被考察数据中心的碳排放总量 C总=0时，该数据中心为零碳数据中心。明确了数据中心在规划、选址、设计、采购、建设、运行维护、拆除和回收利用等各环节的碳排放计算方法，其生命周期产生的碳排放总量计算公式如下[11]：

图4 东岳庙数据中心BIM平台截图Figure 4 Screenshot of Dongyuemiao Data Center BIM Platform

式中：Cjc——建筑建材生产运输阶段的碳排放，应为建材生产阶段碳排放与建材运输阶段碳排放之和，该指标应在设计阶段由设计、建设单位对材料清单进行计算。Cjc=∑MiFi，其中Mi为第i种主要建材的消耗量，Fi为第i种主要建材的碳排放因子；

Cjs——数据中心建设阶段的碳排放，包括工程器械、工程车辆和施工人员活动产生的碳排放，应由建设单位对建设阶段的过程碳排进行，参考《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）中第 5.2.3节的能源计算公式，Cjs=∑Ejz·iEFi，其中Ejz·i为建筑建造阶段第i种能源总用量，EFi为第i种能源的碳排放因子；

Csb——数据中心设备及材料生产运输阶段的碳排放，包括除建筑建材外的所有设备和材料在生产、运输阶段产生的碳排放，该参数在采购阶段，由设备清单，按照材料质量进行核算，对于无法细分的设备，按设备重量1.1倍的冷轧碳钢板卷的碳排放等效计算；

Cyw——数据中心运行阶段能源消耗产生的碳排放，能源消耗包括电力、燃气、燃油、市政热力等，也包括运维人员活动、运维车辆行为带来的碳排放，应按照数据中心运行实际消耗的各类能源总量进行计算，其中电能的碳排放应按照本区域电网的碳排放因子进行计算。Cyw=∑Ei×EFi×y，其中Ei、EFi、y参考《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）中第4.1.4节的参数定义；

Ccc——数据中心拆除阶段产生的碳排放，参考《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）中第5.3.1节的相关规定；

Cp——数据中心生命周期通过植树造林、二氧化碳捕集利用与封存等技术，以及通过碳交易抵消的碳排放，值为负数。