“双碳”目标下数据中心的碳排放核算方法与实例分析

黄绪刚 赵 辉 杨 旭

一、引言

早在上世纪九十年代，全世界多数国家就已经意识到了温室气体会给人类生活造成气候变暖、冰川融化和海平面升高等自然灾害。联合国大会在1992 年5 月9 日通过了《联合国气候变化框架公约》，旨在将大气温室气体浓度维持在一个相对稳定的水平。联合国本着服务于全人类的思想不断对相关协定进行补充及修订，其中较具有代表性和约束力的国际协议有《京都议定书》和《巴黎协定》，二者都聚焦于温室气体排放等热点问题。2020 年，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话设立了“30·60”碳达峰碳中和总体发展目标，为中国实现碳中和的“40 年长征”拉开序幕。

实现碳中和的基本路径之一是减少温室气体排放。温室气体是指二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等气体的统称，由于二氧化碳对全球升温的贡献百分比较大，因此研究者通常采用同等二氧化碳排放当量来衡量温室气体的排放水平。近年来，国内外环保领域对二氧化碳等温室气体的排放评估标准总体一致，但根据不同国家基本国情和经济发展等因素作出相应调整和修正。联合国政府间气候变化专门委员会通过的《2019 年精细化2006IPCC 国家温室气体清单指南》（简称《IPCC 指南》）取得国际上广泛的认可，指引世界多数国家建立温室气体核算体系。其采用国家和区域层面统一的排放因子和活动数据促使各国制定透明、可比较的计算方法，尽可能降低误差。在中国，国家发改委于2013 年出台首批10 个行业的企业温室气体排放核算方法与报告指南（下文简称《行业指南》），并在随后两年相继发布14 个《行业指南》。随着国家、地方、企业三级温室气体排放核算工作体系的持续构建，中国温室气体排放数据衡量制度逐步建立且排放计算标准逐渐完善。

二、数据中心温室气体排放量计算标准

2022 年中国信息通信研究院发布的《数据中心白皮书》认为，“数据中心是算力的物理承载，是数字化发展的关键基础设施”。近年来，国家高度重视数据中心的产业发展，先后出台多种政策鼓励数据中心产业由高速发展向高质量发展全面演进，推动数据中心发展面向大型化、智能化、绿色化。

随着“东数西算”工程的实施和多样化的数据中心算力需求增加，数据中心的市场规模持续增长及其建设数目逐渐增多提升了以数据中心为代表的信息通信业温室气体排放贡献比，大量数据中心的开发与建设带来的温室气体排放增多问题日益显现。目前，全国碳市场已纳入发电、石化、化工、建材、钢铁、有色、造纸和民航等8 个高能耗行业，但仅北京、深圳将信息通信行业纳入试点碳市场，国家层面对数据中心纳入碳市场的政策尚不明确。2022 年7 月广东省人民政府办公厅发布的《广东省发展绿色金融支持碳达峰行动实施方案》提出将逐步把交通运输业、数据中心、陶瓷生产、纺织业等高碳排放领域与超高超限超能耗公共建筑纳入碳排放交易试点，这种“试点先行”的方案实施释放出数据中心即将纳入碳市场的重要信号。因此，数据中心应及早部署碳排放核算工作，为信息通信行业全面纳入碳市场做出准备。

依照国家发改委发布的《行业指南》，国家层面暂未对数据中心温室气体的排放量衡量标准有明确的界定，目前可供参考且较具权威性的数据中心温室气体核算方法是由中国电子协会发布的《数据中心温室气体排放核算指南（2021 年版）》。该技术文件从词语定义、核算边界、核算方法、数据质量管理和报告编制等多方面提供了一套较为科学的数据中心温室气体衡量标准。本文依托南方区域某数据中心项目，收集分析大量数据并采用上述技术文件提供的温室气体核算方法对该项目中的数据中心年度温室气体排放量进行估算，为项目业主完成碳配额履约提供指导性建议。

三、数据中心的碳排放核算方法及步骤

（一）核算步骤

数据中心温室气体排放核算和报告的完整工作流程包括以下步骤：1）确定核算边界；2）识别排放源；3）收集活动水平数据；4）选择和获取排放因子数据；5）分别计算化石燃料燃烧排放量、净购入的电力和热力产生的排放量、废水厌氧处理的排放量；6）汇总计算数据中心温室气体排放量。

（二）核算边界

1.组织边界

以法人数据中心或视同法人的独立核算数据中心为核算边界，在运营控制权下对所有生产场所和生产设施产生的温室气体排放进行核算。设施范围包括直接生产系统、辅助生产系统和附属生产系统。其中，直接生产系统是指一些生产工艺装置，例如IT 设备；辅助生产系统则包括厂区内的供水、供电、制冷、采暖等；附属生产系统包括厂部以及厂区内为生产服务的职工食堂、车间浴室等部门和单位。

2.排放源和温室气体种类

数据中心需要核算的排放源和温室气体种类包括但不限于：

1）化石燃料燃烧CO2排放。主要指数据中心用于动力或热力供应的化石燃料（天然气等）、移动源车辆使用的化石燃料（柴油、汽油等）、食堂消耗的化石燃料（天然气、液化石油气等）等燃烧过程产生的CO2排放。

2）净购入电力和热力产生的CO2排放。这部分排放由数据中心主体的消费活动引起，需要计入主体名下，但实际排放是发生在生产这些电力和热力的企业。

3）工业废水厌氧处理生产的CH4排放。指数据中心通过厌氧工艺处理工业废水产生的CH4排放。

（三）核算方法

1.汇总公式

数据中心的温室气体排放总量等于核算边界内所有产生系统的化石燃料燃烧排放量、净购入的电力和热力产生的排放量、废水厌氧处理排放量、以及制冷剂逸散产生的排放量之和，其公式如式（1）所示。

式（1）中，E表示CO2排放总量；E燃烧表示化石燃料燃烧产生的CO2排放总量；E电热表示净购入使用电力和热力消费产生的CO2排放总量；E废水表示废水厌氧处理产生的CO2排放量（计算时将CH4排放量折算为同等CO2排放当量）；E逸散表示制冷设备造成的温室气体逸散排放量。它们的单位均为tCO2e（吨二氧化碳当量）。

2.化石燃料燃烧排放E燃烧

E燃烧的计算是将数据中心在报告年度内各种化石燃料燃烧产生的CO2排放量进行求和加总，其公式如式（2）所示。

式（2）中，i表示第i种化石燃料类型，共有n种；ADi表示第i种化石燃料的活动水平，单位为GJ（百万千焦）；EFi表示第i种化石燃料的CO2排放因子，单位为tCO2/GJ。

1）活动水平数据获取ADi

化石燃料燃烧水平是各种化石燃料的消耗量与平均低位发热量的乘积，按式（3）计算。

式（3）中，FCi表示第i种燃料的净消耗量；NCVi表示第i种燃料的平均低位发热量。

2）排放因子数据获取EFi

排放因子计算公式如式（4）所示。

式（4）中，CCi表示第i种燃料的单位热值含碳量，单位为tC/GJ（吨碳/百万千焦）；OFi表示第i种燃料的碳氧化率，单位为%。

3.净购入电力和热力产生的排放E电热

E电热可拆分为净购入电力产生的排放E电和净购入热力产生的排放E热，其公式如式（5）所示。

其中，E电和E热的计算公式分别如式（6）式（7）所示。

式（6）式（7）中，AD电表示净购入电量，单位为MWh（兆瓦时）；AD热表示净购入热力，单位为GJ（百万千焦）；EF电表示区域电网年平均供电排放因子，单位为tCO2/MWh（吨二氧化碳/兆瓦时）；EF热表示年平均供热排放因子，单位为tCO2/GJ（吨二氧化碳/百万千焦）。

国家气候战略中心2014 年发布了2012 年中国区域电网平均CO2排放因子，如表1 所示。电力消费的排放因子应根据数据中心所在地及目前的华北、东北、华东、华中、西北等区域划分。热力消费因子一般取值0.11tCO2/GJ。

表1 2012 年中国区域电网平均CO2 排放因子（tCO2/MWh）

4.废水厌氧处理的排放E废水

E废水是数据中心在生产过程中产生的工业废水经厌氧处理产生的温室气体排放量，其计算公式如式（8）所示。

式（8）中，ECH4-废水表示废水厌氧处理过程产生CH4排放量，单位为kg（千克）；GWPCH4为CH4的全球变暖潜势值。

ECH4-废水的计算公式如式（9）所示。

式（9）中，TOW表示废水厌氧处理除去的有机物总量；S表示以污泥方式清除掉的有机物总量；EF表示CH4排放因子；R为CH4回收量。

废水厌氧处理除去的有机物总量数据获取TOW的计算公式如式（10）所示。

式（10）中，W表示厌氧处理过程产生的废水量；CODin表示厌氧处理系统进口废水中的化学需氧量浓度；CODout表示厌氧处理系统出口废水中的化学需氧量浓度。

5.制冷剂逸散产生的排放E逸散

数据中心的制冷设备（空调）在运行、维护和报废过程会造成氢氟碳化物等冷媒物质的逸散，由这些物质逸散所产生的温室气体排放量计算公式如式（11）所示。

式（11）中，

式（12）中，Bi表示第i种制冷剂加注质量，单位为t（吨）；GWPi表示第i种制冷剂的全球升温潜势。

式（11）中，

式（13）中，Mi表示制冷设备报废时，残留的第i种制冷剂质量，单位为t；rec，i表示制冷设备报废时，残余的第i种制冷剂回收率。

四、实例验证：南方区域某数据中心碳排放核算

（一）相关数据

表2 为2021 年南方区域某数据中心碳盘查相关数据，数据中心目前共有柴油发电机机组3 台，每台2000kW，年消耗柴油量110000L。此外，数据中心食堂年平均消耗液化石油气0.536t，自有公务车年平均加汽油8470.59L。数据中心无废水厌氧处理，全年外购电力用电量为20164.34MWh，空调制冷剂使用的是三氟甲烷，年平均加注量为5kg。

表2 2021 年南方区域某数据中心碳盘查相关数据

（二）计算过程

1.化石燃料燃烧排放计算

根据《2005 年中国温室气体清单研究》发布的数据，柴油的平均低位发热量NCV1为43.33GJ/t；单位热值含碳量CC1为20.20tC/GJ；碳氧化率OF1为98%。汽油的平均低位发热量NCV2为44.8GJ/t；单位热值含碳量CC2为18.90tC/GJ；碳氧化率OF2为98%。液化天然气的平均低位发热量NCV3为41.868GJ/t；单位热值含碳量CC3为15.30tC/GJ；碳氧化率OF3为99%。

1）排放因子的确定

柴油排放因子EF1：

汽油排放因子EF2：

液化天然气排放因子EF3：

2）活动水平的确定

柴油的密度为0.84kg/L，根据表2 的消耗量进行单位换算，可以得到紧急发电机组的柴油净消耗量为：

92 号汽油密度为0.75kg/L，可得到自有车辆汽油的净消耗量为：

食堂炊具液化石油气的净消耗量为FC3=0.536t。

由此，根据各燃料的平均低位发热量以及净消耗量，可以计算出各燃料的活动水平。

柴油的活动水平AD1：

汽油的活动水平AD2：

液化天然气的活动水平AD3：

由式（14）—（16）以及式（19）—（21），化石燃料燃烧排放总量可汇总为：

2.净购入电力产生的排放计算

由于数据中心位于我国南方地区，根据表1，选择2012 年南方区域电网平均CO2排放因子EF电为0.5271tCO2/MWh。净购入电量AD电为20164.34MWh，因此，净购入电力产生的排放可计算如公式（23）。

3.制冷剂逸散产生的排放计算

三氟甲烷加注的质量为5×10-3t，其全球升温潜势为14800，那么

综上所述，数据中心的温室气体排放总量为：

五、优化建议

在开展该数据中心碳盘查过程中，对用电量进行归类发现，IT 设备目前耗电量为13106.82MWh，占比约65%，导致目前实际PUE值高达1.54。经过进一步了解发现，目前该数据中心IT 设备上架率偏低，目前只占55%。柴油用量过高，主要原因为2021 年9 月至2021 年11月期间，政府部门对高耗能企业开展拉闸限电，导致停电多达65 天。针对目前该数据中心，提出如下优化建议，可将PUE 值提升到1.27：

1）提升数据中心设备上架率。在后续项目建设过程中，应先提升已完成建设数据机房的设备上架率，再启用新建的数据中心机房。据测算，如果该数据中心上架率能提升25%，PUE 值将可降低12%。

2）充分发挥智慧运维平台（DCIM）优势，实现动力设备、空调系统智能联动，能够根据机房温度自动启停空调风柜、空调主机，最大限度减少配套系统的耗电量，可优化PUE 值5%。

3）引入光伏等新能源电力。据测算，该数据机房楼顶、停车棚、幕墙可按照光伏面积达1.2万m2，可安装光伏达1.5MW，每年可提供绿电约195 万kWh。并通过申请绿证或CCER 认证，每年可抵扣二氧化碳排放638 吨。

4）降低柴油发电机使用频率。该数据中心柴油发电机折算排放290627.86吨二氧化碳当量，约占碳排放总量的93.58%，在供电充足的条件下降低柴油发电机的使用频率将是减少碳排放最有效的方法。

六、实用性延伸

本核算方法适用于中型及以上等级（设计最大用电负荷P≥5MVA），采用自然冷却型、间接蒸发冷型、水冷型、液冷型等制冷场景的数据中心。在上述数据中心运用本核算方法，能够计算数据中心年度碳排放总量。一方面可为政府部门下达碳排放配额提供参考依据，另一方面可为其他数据中心核算得出碳排放总量，并与政府部门下达碳配额指标对比，选择最佳碳排放管理方案，以满足政府部门的考核需求。

在数字化转型热潮下，数据中心采用数字化平台来推行专业、智能的节能减排方式，通过动态精细的数字平台管理实现低碳发展。传统的数据中心碳排放源数据采集和核算方法普遍采用人工手法，在数据完整性和核算结果的准确性方面将会存在一定的误差。因此，数据中心可以构建一个以数字化平台为底座的碳管理平台，从而提高碳排放原始数据和盘查数据的精确度及可信度，实现碳排放的动态实时监测。将数据中心的碳排放核算方法开发为算法功能模块，精确计算出结果后分析识别减排空间并制定相对应的减排政策，并在此基础上对碳资产进行合理的分配、交易和管理等活动。

七、结论

数据中心全年不间断运行的服务器以及其他辅助运行的制冷设备每年需要消耗大量的电能。作为高耗能行业，数据中心已逐步被各省纳入碳排放交易试点，如何对数据中心温室气体排放量进行精确计算，是有效开展碳盘查所面临的问题。本文根据中国电子协会发布的数据中心温室气体排放核算指南，依托南方区域某数据中心项目，确定数据中心排放边界、排放源及温室气体种类，通过收集项目数据并加以计算，旨在帮助数据中心碳盘查工作者更好地理解和掌握温室气体计算方法，促进数据中心碳盘查工作更好地进行。