“双碳”目标下数据中心建设思考与实践

殷凯凯

中国电信股份有限公司北京分公司 北京 100032

引言

随着信息技术的飞速发展，数据中心作为支撑数字化时代的重要基础设施之一，其能源消耗和碳排放问题日益凸显。全球气候变化形势紧迫，各国纷纷提出“双碳”目标，要求减少温室气体排放以抑制气候变化。在这一背景下，数据中心作为高能耗行业，如何在满足数字化需求的同时，降低能源消耗与碳足迹，成为一个亟待解决的问题。

1 数据中心能源消耗与碳足迹分析

1.1 数据中心能源消耗组成

设备的不断运行伴随着显著的能源消耗，计算设备，包括服务器、存储设备和网络交换机，耗费巨大的电能用于数据处理、存储和传输[1]。随着数字化需求的不断增长，数据中心规模的扩大使得这种能源需求进一步加剧。此外，为了保持数据中心内部的稳定温度和湿度，制冷设备也成为不可或缺的部分。这些制冷系统不仅消耗电能，还需要维护运行状态以确保数据中心的正常运行。

1.2 数据中心碳足迹

数据中心的运营不仅消耗大量能源，还导致大量温室气体的排放，构成碳足迹。数据中心的碳足迹主要与其能源来源和能源消耗方式有关。如果数据中心使用高比例的化石燃料电力，例如煤炭和石油，其电力产生过程会产生大量的二氧化碳等温室气体。然而，如果数据中心采用可再生能源，如太阳能和风能，其碳足迹则会较小。此外，数据中心的制冷设备也可能采用一些制冷剂，这些制冷剂的释放可能会对温室气体排放产生影响[2]。

1.3 数据中心能效评估指标

为了衡量数据中心的能源使用效率，一些关键的能效评估指标被广泛采用，其中最常用的是PUE和DCiE。PUE（Power Usage Effectiveness）是一个比值，用于表示数据中心总能耗与计算设备能耗之间的关系。一个理想的PUE值应该接近1，表示大部分能源用于计算设备而非额外的基础设施。DCiE（Data Center Infrastructure Efficiency）则是PUE的倒数，用于反映计算设备能耗在总能耗中的占比[3]。这些能效评估指标有助于数据中心管理者了解其能源消耗的结构，发现潜在的能效改进空间，并制定相应的策略以降低数据中心的能源消耗和碳排放。

图1 PUE与DCiE分布图

2 “双碳”目标下数据中心建设策略

随着全球对气候变化和环境问题的日益关注，可持续发展已经成为各个领域的共同追求。在数字化时代，数据中心作为支撑现代社会运行的核心基础设施，也面临着巨大的环境挑战。碳排放和能源消耗日益凸显，迫使数据中心必须调整其发展策略，以适应“双碳”目标的要求。

2.1 能源转型与电力供应

在实现“双碳”目标的过程中，数据中心可以积极进行能源转型，将传统的化石燃料能源替代为可再生能源。假设一个数据中心在初始状态下的能源组成：

在初始状态下，数据中心的总能源消耗为1000MWh。其中，80%的能源来自传统化石燃料，占用了800MWh。另外，20%的能源来自可再生能源，占用了200MWh。

表1 能源消耗和能源转型对比表

在初始状态下，数据中心的能源主要来自于传统化石燃料，导致碳排放较高。而经过能源转型后，可再生能源的比例增加，有助于降低碳排放并提高能源的可持续性。然而，在能源转型的过程中，数据中心采取了能源多元化的策略。经过转型，数据中心的总能源消耗仍为1000MWh。然而，通过成功将一半的能源从传统化石燃料转向可再生能源，数据中心的能源组成得到了显著改善。现在，50%的能源来自传统化石燃料，占用了500MWh，而另外50%的能源来自可再生能源，同样占用了500MWh。这一转型不仅降低了传统化石燃料的使用量，还在总能源消耗中增加了可再生能源的比重。

2.2 设备与基础设施优化

在数据中心建设中，设备与基础设施的优化是实现“双碳”目标的关键一步。通过引入能效更高的计算设备以及智能的能源管理技术，数据中心能够有效提高能源使用效率，从而减少能源消耗和碳排放。以一个具体的数据中心为例，初始阶段的能源使用情况可由初始PUE值1.7体现。这意味着，总能耗为1000MWh时，计算设备能耗约为588.24MWh，而其他基础设施能耗为411.76MWh。

通过这些优化举措，数据中心的PUE值成功降低至1.5，实现了显著的能源效率提升。这意味着在总能耗仍为1000MWh的情况下，计算设备能耗升至666.67MWh，而其他基础设施能耗则减少至333.33MWh。这一过程不仅减少了能源浪费，也使得数据中心能够更有效地利用能源，降低了对环境的不良影响。

表2 能源使用效率优化对比表

2.3 循环经济与废热利用

在数据中心建设中，循环经济理念的引入对于减少资源浪费和提高能源效率至关重要。废热回收技术的应用是实现循环经济的重要一步，通过将废热再利用，有效减少额外能源的消耗，从而在能源利用方面取得显著效果。

如一个数据中心，初始状态下废热并未得到有效的应用，废热量为零。在这一情况下，整个数据中心的能源消耗为1000MWh，没有实现废热的回收与再利用。然而，随着废热回收技术的引入，数据中心成功应用了50%的废热，将其用于供暖、供冷等实际用途。通过废热回收技术，数据中心初始状态下的能源消耗仍为1000MWh，但在回收利用废热后，实际能源消耗减少至500MWh。这意味着之前被浪费的废热成为可再生的能源资源，成功地减少了外部能源的需求。废热回收技术的应用不仅有效降低了能源成本，还对数据中心的环境影响产生积极影响。

2.4 数据中心布局与管理策略

在数据中心的建设中，合理的布局和有效的管理策略对于降低不必要的能源浪费至关重要。在这方面，资源的合理分布和优化资源利用率是关键策略之一。假设一个数据中心初始状态存在过度配置的问题，导致部分设备的资源利用率较低[4]。经过资源共享和合理规划策略的引入，数据中心成功将资源利用率提高了15%，从而降低了多余设备的能源消耗。初始数据中心情况下，总能源消耗为1000MWh。由于过度配置问题，导致15%的设备资源被低效利用，相当于150MWh的能源被浪费。经过优化策略的引入，数据中心成功提高了资源利用率，将浪费的能源减少到了120MWh，降低了30MWh的能源浪费。在数据中心的建设中，合理的布局和有效的管理策略对于降低不必要的能源浪费至关重要。在这方面，资源的合理分布和优化资源利用率是关键策略之一。以下是一个假设的数据中心优化策略的示例，用于说明如何通过资源共享和合理规划降低能源消耗。

初始数据中心情况：

总能源消耗：1000MWh

过度配置导致的低效利用能耗：150MWh（15%的能源被浪费）

优化前能耗：1000MWh+150MWh=1150MWh

优化策略引入后：

资源利用率提高15%

节省能源：150MWh×15%=22.5MWh

优化后数据中心情况：

优化后能耗：1150MWh-22.5MWh=1127.5MWh

通过资源共享和合理规划策略的引入，数据中心成功将资源利用率提高了15%，从而节省了22.5MWh的能源。这项优化策略不仅降低了能源浪费，还提高了数据中心的运行效率，为实现“双碳”目标做出积极贡献。

3 结束语

“双碳”目标下，数据中心建设思考与实践成为当今社会可持续发展的重要议题之一。在面对技术、经济、政策以及社会责任等多重挑战时，数据中心作为数字化时代的核心枢纽，必须积极探索创新方法，为环境保护和碳减排贡献一己之力。通过能源转型、设备优化、循环经济和智能管理等多种手段的综合运用，数据中心可以在低碳、环保的道路上不断前进，为实现可持续发展做出重要贡献。未来，数据中心将继续发挥其关键作用，引领数字化时代的绿色转型。