浅析数据中心节能降碳绿色发展的挑战与对策

范 松 任庚坡

上海市节能中心

0 引言

20 世纪50 年代，数据中心在美国诞生，至今已经有70 多年发展历程，如今随着大数据、人工智能、云计算等新一代信息技术革命的推进，海量的数据要素正源源不断地产生，并逐渐演变成了新的生产要素渗透到社会经济转型、企业生产发展、人们日常生活等各个方面，进而掀起了数据中心的建设浪潮。目前，在全球范围内各种规模的数据中心如雨后春笋般涌现，或正在建设，或正在扩容完善，几乎发展成了行业里的“军备竞赛”［1-2］。根据中国信通院发布的《数据中心白皮书（2022 年》，从2018 年到2021 年，全球服务器每年增加量都在6 000 MW 以上，主要集中在北美（约占50%）、西欧（约占16%）和亚太（约占30%）地区。随着机架数量快速增长，数据中心的能耗也以惊人的速度增加，相关数据显示，2016 年全球数据中心总用电量超过了1 万亿kWh，且总耗电量呈逐年增加的趋势，增长率在7%左右，预计到2023 年将突破1.5万亿kWh［3-5］。

一方面是数据中心的市场需求持续增长，建设规模不断扩大，另一方面却是其能源消耗巨大，面临着节能降碳、绿色发展的压力［6-7］。近年来，多国政府纷纷出台了政策对数据中心的无限扩张进行了约束，并对数据中心的能效指标、节能降碳、绿色建设等提出了更严格的要求［8-9］，这对新建数据中心的健康发展起到了保驾护航的作用，但仍存在机架空置、上架率低、能源浪费的问题。此外，还有一些分布较散的小规模数据中心（本文指2013 年之前建设的，机架数量在几百个左右的数据中心），由于其建设时期早，节能效果较差，很难实现节能降碳、绿色发展的战略目标［10-12］。在全球推行节能降碳的战略背景下，特别是在我国明确提出了“双碳”目标之后，伴随着新国标《数据中心能效限定值及能效等级》［13］的实施，数据中心将面临更大的节能降碳压力和绿色发展挑战，能效等级的分类如表1所示。数据中心产业如何在行业竞争和节能降碳双重压力下实现绿色健康发展，成为了政府、用户和企业的热议话题。

表1 我国数据中心能效等级分类标准

1 数据中心绿色发展相关政策

1.1 国际相关政策分析

许多国家政府和组织已经意识到数据中心发展所面临的能源消耗问题，并在积极制订相关的标准和法规，以期通过立法手段来限制数据中心的盲目扩张，降低数据中心的能源消耗，提高能源利用水平，保障数据中心产业的绿色发展。全球数据中心能效发展情况见图1［14］。2010 年，美国环保部利用能源之星项目（Energy Star Program，EPA）对100 多个数据中心进行了PUE 认定，建立了能效管理评估工具，并形成了评价体系［15］。之后，美国陆续制定了《美国联邦数据中心整合计划（FDCCI）》《FITARA 联邦政府信息技术采用改革法案》等一系列举措，提出要将数据总的功率利用效率提高20%，IT 设备能耗降低60%。2018 年，美国政府又发布了《数据中心优化倡议（DCOI）》，要求每个机构制定和上报公司的战略规划，并用电能利用效率(PUE)指标来监控每个数据中心的能源利用水平，对于较差的数据中心（PUE 限定值为1.5），则将会面临合并、重组或关停，向高效基础设施转型［5］。

图1 全球数据中心能效发展情况

欧盟作为世界应对气候变化的领头羊，长久以来也十分重视数据中心的发展。2008年，欧盟就发布了《数据中心能效行为准则》，规定了数据中心企业和用户在数据中心能效评定方面的责任和义务，同时还发布了《数据中心能效行为准则最佳实践》，为数据中心企业提供了最佳的实践清单。2020 年欧盟又发布了《欧盟数据中心能效水平最佳实践指南》《欧盟数据中心能效水平白皮书》，对数据中心的PUE、SUE 等绿色指标进行了细化，引导建立绿色数据中心的推进机制。此外，日本的数据中心协会也制定了《数据中心设施标准》，要求对数据中心的地震风险、运营风险、环境风险进行评价，2020年推出了《绿色增长战略》，加快高性能半导体在数据中心领域的应用，同时提出新建数据中心能耗要降低30%以上，全面打造绿色数字经济。新加坡发布了《绿色数据中心技术路线图》《新加坡绿色数据中心标准——能源与环境管理体系》等，要求对数据中心的能效、环境、冷却系统等进行评估，其目的还是降低数据中心的能源消耗和环境影响。

1.2 国内相关政策分析

从2010 年开始，国家就出台了一系列政策文件引导数据中心节能降碳、绿色发展，比如最初的《国务院关于加快培育和发展政略性新兴产业的决定》和《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》提出要优化大型数据中心的建设布局，提升数据中心的能效水平和资源利用率等。2013 年，工信部、发改委、能源局等五个部门联合发布的《关于数据中心建设布局的指导意见》对建设地区进行了明确分类，要求中小、大型、超大型数据中心按分类要求建设，从而引导数据中心向寒冷地区发展，充分利用自然冷源，降低能源消耗。

近年来，随着“双碳”目标的提出，工信部又陆续发布了《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G 等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022-2025年）》等一系列文件，文件除了有关于统筹整体布局，转型升级发展方面的内容，还提出了诸多硬性指标，比如国家枢纽节点PUE 进一步降到1.25 以下，绿色低碳等级达到4A 级以上，新建大型、超大型数据中心PUE 降到1.3以下，改建核心机房PUE 降到1.5 以下的要求［16］，其目的都是在引导数据中心朝着绿色、低碳、集约的方向发展。这一系列的政策文件从宏观层面为我国数据中心产业发展指明了方向，有力地推动了节能低碳技术的运用和推广，为我国数据中心产业的高质量发展奠定了基础。2022 年2 月，国家发改委、工信部等多个部门印发通知，正式启动“东数西算”工程，围绕国家重大区域发展战略，统筹能源结构、产业布局、市场发展、气候环境等因素，在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝，以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等8个地区（如图2所示）布局建设全国一体化算力网络国家枢纽节点，着重发展数据中心集群，引导数据中心向集约化、规模化、绿色化的方向发展，全国一体化大数据中心体系的建设也拉开了帷幕［17］。

图2 我国“东数西算”工程布局图

上海是我国的金融贸易中心，也是我国数字经济最发达的城市之一，在工业和通信业节能方面始终走在全国前列。2018 年，上海市发布了《推进新一代信息基础设施建设助力提升城市能级和核心竞争力三年行动计划》，提出要对标国际最高标准、最好水平来建设数据中心，实现数据中心规模化、绿色化发展，并要求新建数据中心综合能源效率指标（CPUE）不超过1.3。后又陆续发布了地方标准《数据中心能源消耗限额》以及《上海市数据中心建设导则》《关于推进本市数据中心健康有序发展的实施意见》《上海市新型基础设施领域碳达峰实施方案》等一系列重要文件，对数据中心的建设和发展提出了明确要求，引导数据中心开展节能技改，走绿色发展道路。

2 数据中心绿色发展概况

2.1 国际相关发展概况

从全球范围来看，根据Gartner 公司统计，截至2017 年，全球大大小小的数据中心总共约有44.4万个（这些数据中心的建筑面积从几十平方米到几万平方米不等），其中北美和欧洲地区占据了约60%，中国占比在18%左右。随着数据中心大型化、集约化的发展，预计到2023 年，全球数据中心数量将降低到40 万个左右，总耗电量将超过1.5 万亿kWh，主要能耗仍集中在欧美等发达国家，发展中国家将呈现逐年增加的趋势。近几年全球数据中心耗电量趋势如图3所示。

图3 全球数据中心耗电量趋势

欧美等发达国家利用政策、标准和法规的影响推动了数据中心的健康绿色发展，根据美国GAO发布的数据，自《数据中心优化倡议（DCOI）》实施以来，截至2021 年，此项措施已为美国节省了近80 亿美元，美国数据中心PUE 平均值从2.5 下降到1.4 左右，能效水平大幅提高。与此同时，美国还涌现出了一批节能低碳全球顶尖数据中心，比如Yahoo 在纽约的数据中心，设计时放弃了耗能较高的机械式冷水机组，通过大面积天窗和阻尼器来控制气流走向，充分利用空气流动进行冷却，将PUE值降低到1.08。Facebook 的数据中心摒弃了传统的UPS 和PDUS 设计，把UPS 和电池备份功能转移到储藏柜，并充分利用自然冷源，利用新鲜空气的自然温度对数据中心内部气温进行控制，从而将PUE 值降到1.15 以内。Google 也承诺到2030年，其全球所有数据中心和园区将实现24/7 无碳能源运营（无碳能源是指在产生能量的过程中没有碳原子的参与，不会产生CO2，例如风力、水力或太阳能发电）。

此外，欧美也涌现出了一批顶尖的数据中心企业，比如，美国的Equinix、Digital Realty Trustlnc、CenturyLink、Verizon、CyrusOne，欧洲的Interxion、Portugal Telecom、Bahnhof，日本的NTT、KDDI 株式会社等。其中美国的Equinix 公司是全球数据中心行业里无可争议的领头羊，公司旗下大型数据中心超过150 多个，遍布美洲、亚太、欧洲及中东等14 个国家(地区)，其主要客户为亚马逊、微软、ebay、通用电气等国际知名企业，在节能降碳方面也位于世界前列。欧洲的Interxion 公司还率先使用了100%可持续能源（包括太阳能和风能）为其遍布欧洲的数据中心提供电力，开发了地下水冷却节能措施，部分数据中心还采用了余热回收技术，将数据中心多余的热能回收为住宅供暖，从而大大提高了能源利用水平。

2.2 国内相关发展概况

与欧美国家相比，我国的数据中心发展起步较晚，进入21世纪以来，随着互联网进入中国，机房的概念才随之兴起，后来随着电子商务、智能手机、应用软件的普及和互联网企业的蓬勃发展，数据中心才开始进入高速发展轨道，数量不断增加，规模不断扩大，能耗也以惊人的速度增长。根据中国信通院发布数据，截至2021 年底，我国在用数据中心机架规模达到了520 万架，近五年复合增长率超过了30%，大型数据中心机架规模达到了420万架，占比80%，近几年机架数量变化趋势如图4 所示［18］。2021 年，全国数据中心总用电量已突破900 亿kWh，年增长率超过了7%［19］，预计到2025年，全国数据中心用电量将达1 200亿kWh以上。

图4 我国近几年数据中心机架数量增长趋势

根据《全国数据中心应用发展指引(2020)》数据，2019 年度全国在用超大型数据中心平均PUE为1.46，大型数据中心平均PUE 为1.55。根据《2021 年中国数据中心市场报告》，2021 年度全国数据中心平均PUE 为1.49。其中按照地区统计分析，华北、华东的数据中心平均PUE 接近1.40，规模化、集约化和绿色化水平较高。华中、华南地区受地理位置和上架率及多种因素的影响，数据中心平均PUE 值接近1.60［19］。2020 年度和2021 年度获评国家级绿色数据中心的分别有60 家和44 家，其中囊括了移动、电信、联通、百度、阿里巴巴、万国、腾讯等多家知名巨头企业，获评的数据中心能源利用效率都处于行业前列，原则上PUE 值都会低于1.4，这充分证明我国数据中心在节能降碳、绿色发展方面已经取得了一些成效且部分数据中心已经达到全球顶尖水平。比如，中国电信在内蒙古建设的数据中心园区，充分发挥毗邻京津的天然地理优势和气候、能源、环境等方面的优势，严格按照世界一流、绿色低碳要求进行建设，预计PUE 值可优于1.2。阿里巴巴的杭州仁和数据中心，采用了服务器全浸没液冷、高压直流、供配电分布式冗余、智能AI优化算法等多项节能技术，是中国首座绿色等级达5A 级的液冷数据中心，年平均PUE 可低至1.12。此外，阿里云还宣布投资2 000 亿元用于核心技术攻关和数据中心建设和绿色发展［20］，腾讯也宣布未来将投资5 000 亿元用于数据中心高质量发展［21］，光环新网、万国数据、世纪互联、有孚网络也都相继加入投资建设布局之中。

从我们国家陆续发布了关于数据中心建设的相关政策、标准之后，新建的数据中心基本都严格按照能效约束指标进行建设，先进的节能、低碳、绿色技术也得到了推广应用，但仍存在上架率不高、空置、能源浪费问题。除此之外，一些小规模数据中心起初建设是为了满足企业或政府部门自身需要而建立，具有规模小、分布散、能效低的特点，PUE 表现较差，可能会高于1.7，甚至在2.0 以上。综合考虑以上几个因素，我国数据中心行业整体的能源利用水平还没能达到我们的期望水平，就整体而言，我们与欧美发达国家相比，在能源利用水平、节能降碳、绿色发展上还有一定差距。

3 数据中心节能降碳绿色发展的挑战与对策分析

3.1 节能降碳绿色发展面临的挑战

1）指标资源稀缺，短期内存在上架率不足现象

一系列严格的政策和标准文件对数据中心的绿色发展起到了保驾护航的作用，但同时也提高了数据中心的准入门槛，尤其是在北上广深等这些资源稀缺的一线城市，数据中心的建设指标已经成为稀缺资源。一些通信和互联网企业为了争夺市场资源，超前进行布局，在没有足够的客户资源的情况下，依然大刀阔斧地建设数据中心，这就造成部分数据中心存在空置、利用率不高的现象。此外，由于企业初期建设定位并不明确、产业生态也不够完善，机柜资源与客户资源以及销售模式不匹配等原因，导致有些新建的数据中心上架率不能达到设计指标的要求。根据《2021年中国数据中心市场报告》数据，在整体上架率方面并非像我们想象的那样乐观，华东、华北、华南地区上架率约在60%～70%，其他地区只有30%～40%［19］，造成了能源与资源的浪费，不利于数据中心的绿色发展。

2）节能降碳难推进，技改难度与投资风险并存

一方面是新建数据中心蓬勃建设，却存在上架率不高、空置、能源浪费等问题，另一方面是小规模数据中心面临着节能改造难度大和可能被关停或重组的双重困境。在数据中心发展初期阶段，由于金融、通信、科技等发展的需要，我国建设了一些小规模的数据中心（目前机架数量约有100万架）。这些数据中心大多散点分布，具有规模较小、设备老化、PUE 值高的特点，其所承担的业务种类也不尽相同，比如涉及金融证券，电力调度、政务中心、电商服务等多个领域。近年来，迫于政策压力与自身发展需要，这些数据中心不得不尽快进行节能改造，可由于建设时间早，普遍存在计量器具不完备、场地空间受限、改造成本高昂、改造周期长等各种问题。此外，由于数据中心是信息技术高度集中的场所，对系统运行的稳定性、连续性具有严格的要求，如果要进行节能改造还必须要征得用户的许可，否则稍有不慎就可能给企业造成重大损失，继而导致客户资源流失，这也间接增加了数据中心进行节能改造的难度。

3）东西部算力供需不匹配，资源整合有待提高

上升到全国一体化大数据中心体系的层面看，2022 年8 个国家算力枢纽新建的数据中心近70个，机架数量达150 万架，其中西部超过60万架，规模同比翻了一番。随着“东数西算”工程进入全面建设阶段，会有更多的数据中心将向资源丰富的西部地区转移，数据中心的规模化、集约化、绿色化也将逐渐显现，但对照“东数西算”的预设目标，面对更广域、更多方参与和更高品质要求下的数据和应用流动场景，现有的技术能力、建设水平、市场供需等方面仍面临着大量挑战，比如算力和网络、末端应用的融合，算力与供给的匹配等。相关研究显示，西部地区的数据中心上架率明显偏低，其中，西南地区平均为41%，西北地区平均上架率只有34%。由于东西部地区科技与经济发展的差异，东部地区对数据处理的需求和对数据中心的算力需求明显高于西部地区，而跨省传输数据存在费用高、网络宽带小、延时长等诸多不利因素，加之不同地区的数据中心和算力网络建设标准和法规并不完全统一，地域之间的高速网络通道并不完备，这使得东西部地区的算力资源不能有效整合，算力需求和供给也不相匹配。

3.2 节能降碳绿色发展的对策分析

1）深挖节能潜力，推广先进节能技术应用

数据中心的用能结构主要分为信息设备系统、电气系统、通风和空调系统，其中信息设备系统约占总能耗的42%，通风和空调系统约占40%。节能降碳的改造重点在于信息设备系统和通风空调系统。在信息设备系统方面，较为先进的有基于ARM64 位架构低功耗服务器技术、基于CPU 加速的异构计算技术、长效大容量光盘库存技术以及磁光电融合存储技术等。在通风制冷系统方面，较为先进的有间接蒸发冷却技术、顶置自然对流零功耗冷却技术、无机相变储能蓄冷技术以及单相浸没式液冷技术等。对于新建数据中心而言，国家和地方政府都有严格的建设标准和能效指标约束，加之新建项目不受场地条件限制等，在前期论证、指标获取和设计阶段往往都能按照相关标准执行，但仍需加强对建设和运营环节的管理和评估，从而杜绝建而不用的浪费现象，同时通过财政补贴、指标获取等多种优惠方式，鼓励企业开展先进节能技术的研发与尝试，鼓励企业使用太阳能、地热能、风能等新能源替代传统能源。对于小规模数据中心，应充分利用第三方服务机构，逐一开展节能诊断，深度挖掘节能潜力，根据各个数据中心的具体情况“量身定制”节能整改方案，并限期进行整改，推进数据中心优化升级。

2）加强执法监察，提升能效约束作用

近年来，随着数据中心产业的不断发展和其能源消耗的持续增长，数据中心也成为了节能监察的重要领域之一。根据工信部《数据中心能效专项监察工作手册（2021）》，我国数据中心主要监察内容包括电能利用效率、总用电量、IT 设备用电量、能源计量器具配备情况等。我国《节约能源法》对重点用能单位超出限额标准用能的有明确处罚措施，但对于数据中心领域尚未明确（尤其是用能总量未达到重点用能单位要求的），从全国范围来看，也鲜有超标数据中心的处罚案例。节能监察是政府部门贯彻落实节能法律法规、促进产业绿色发展的重要抓手，也是倒逼企业开展节能降碳、优化升级的重要法律举措。应加大能耗限额强制性标准的执法力度，充分利用节能监察的工作成果，对数据中心进行分类管理，制定黑白名单，将PUE 较高、规模较小、投产时间长、经济效益差的数据中心逐步纳入产业限制和淘汰目录，引导鼓励企业积极开展节能技术改造或者进行合并重组，从而推动全行业的绿色发展。

3）多措并举持续发力，推动“东数西算”全面建设

随着我国“东数西算”工程的全面建设，国家级超级计算中心与基础服务已经取得了令世界瞩目的成就，有些领域也进入了国际先进行列。但在技术能力、统筹布局、市场化匹配等方面仍需持续发力。在技术层面，可以借鉴数据网格、数据中心网络、广域与分布式文件系统的技术经验，推动新一代分布式数据访问协议、存储系统和基础软件的研发应用，建立健全算网融合、算力融合、数据共享安全等相关技术标准体系，加快建设统一开放的应用创新平台。在政策层面，鼓励和支持各地出台优惠配套政策，为迁移的企业提供更多实惠，降低算力使用成本和门槛，吸引更多企业和用户向西部搬迁，着力解决东西部算力供需不匹配的问题。在统筹建设布局上，要加快算力向规模化、集约化方向升级，加快高速网络的建设，逐步完善云资源的接入和一体化调度机制，合理规划网络的安全区域以及不同区域之间的访问权限，严格做好网络安全态势监测。总体而言，我国的“东数西算”工程是一项规模庞大、系统复杂、应用多的重大工程，需要东西部协同联动，从统筹布局、顶层设计、法规政策、技术创新等多个方面努力。

4 结语

我国数据中心产业绿色发展已经取得了初步成效，但整体发展仍面临着多方面的挑战，一方面是新建数据中心规模不断扩大，数量不断增加，但仍存在上架率不足、指标资源浪费的现象，另一方面是“小老散旧”数据中心依然存在，且节能改造存在一定难度，急需加快产业结构调整。此外还有，随着“东数西算”工程的全面建设推进，还存在东西部供需不匹配、算力与网络未融合、关键技术有待突破等一系列问题。面对诸多挑战，需从多方面入手，在统筹建设布局上，要加快算力向规模化、集约化方向升级，加快建设高速网络，完善一体化调度机制，协调东西部资源，形成全国一体化大数据中心体系。在技术应用上，要严格把控新建数据中心审批的各个环节，推广节能绿色技术应用，淘汰节能效果、经济效益差的“小老散旧”数据中心，同时加大对算网融合、算力融合、高速网络、数据安全等先进技术的研发投入。在政策法规层面，要尽快出台一体化发展的技术标准协议及“东数西算”相关优惠配套政策，同时加强节能执法监察，提升能效约束作用，为数据中心产业绿色发展保驾护航。总而言之，数据中心产业的绿色发展是一个长期的过程，涉及多方面的因素，必须要将先进技术应用、产业结构调整、全局统筹设计以及法规政策完善等多方面有机结合起来共同推进。