“双碳”目标下新型数据中心发展路径探讨

文/姚云龙 陆皞 孙悦 王敏 刘彬

一、引言

数字经济是继农业经济和工业经济后的主要经济形态，将会影响全球经济结构、并改变全球竞争格局，爆发式的数据量促使数字经济快速发展。在“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提出“加快建设数字经济、数字社会、数字政府，以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革”。随着数字经济发展和数据中心建设数量增加，相应能耗持续增加。传统数据中心主要依赖火电，能耗增加直接导致碳排放增加。在“双碳”目标下，数据中心建设与运行面临严峻的碳排放挑战。

在“双碳”战略背景下，多位学者开展相应研究，如聂耀昱等[1]探讨了新型数据基础设施协同推进实施数字中国战略和碳达峰碳中和战略，潘玲颖等[2]研究了新能源发电产业集聚与能源消费中心分布的关系，但“双碳”目标下新型数据中心在全生命周期过程中如何发展缺乏系统研究。本文从数据中心全生命周期角度探讨在“双碳”目标下新型数据中心发展路径。

二、数据中心能耗与碳排放分析

（一）建筑能耗与碳排放

根据中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据专委会发布的《2022 中国建筑能耗与碳排放研究报告》[3]，2020年全国建筑全过程能耗与碳排放统计详见表1。

表1 2020年全国建筑全过程能耗与碳排放统计

由表1 可知，建筑能耗与碳排放主要集中在建材生产和建筑运维阶段，施工阶段占比小，分析如下：

1. 建材生产阶段包含工程消耗建材在其生产全过程的能耗和碳排放，数据中心结构类型与其他建筑无区别，建材生产阶段的能耗量和碳排放量可参考中国建筑全过程能耗和碳排放统计结果。

2. 建筑施工阶段采用的施工安装技术与其他建筑无区别，在施工阶段的能耗和碳排放可参考中国建筑全过程能耗和碳排放统计结果。

3. 建筑运维阶段包含维持建筑使用功能和建筑内各设备等室内活动的能耗和碳排放。表1 为普通建筑的统计结果，该结果可供数据中心园区综合楼参考，而数据中心楼和动力中心楼以电子信息设备和配套设备为主，应对设备的能耗和碳排放进行研究。

（二）设备能耗与碳排放

数据中心运行阶段能耗和碳排放远大于普通建筑，且在全生命周期中占比大。《中国数据中心产业发展白皮书（2023年）》[4]对全国数据中心能耗与碳排放情况进行统计与预测，2021年统计结果和2025年预测结果详见表2。

表2 全国数据中心能耗与碳排放统计与预测

根据表2 可知，数据中心能耗和碳排放占比较大。伴随数字中国国家战略布局，数据中心快速建设带来能耗和碳排放的持续增加，给达成“双碳”目标带来巨大挑战。数据中心除需要考虑建筑生产施工和设备运行能耗和碳排放外，还应考虑设备生产制造和运输过程中的能耗和碳排放。通过对全生命周期涉及到的各类内容进行能耗和碳排放管理，从而实现“双碳”目标。

三、新型数据中心发展路径

（一）可再生能源与储能

可再生能源包括太阳能、风能，生物能、水能，地热能，氢能等，其在消耗后可得到恢复补充，且不会排放二氧化碳，采用可再生能源发电是实现“双碳”目标的有效途径。

数据中心能耗大部分来自非再生能源发电供应，主要来自通过燃烧煤和天然气形成的火力发电，会排放大量的二氧化碳。根据统计，2021年中国数据中心能耗937 亿千瓦时，占中国全社会用电量的1.13%，预测2025年全国数据中心能耗1200 亿千瓦时，占中国全社会用电量1.23%[4]。数据中心能耗占全社会能耗比例大，采用可再生能源带来的电力供应将有助于实现“双碳”目标。

我国可再生能源中的风力、光伏、水力资源优势明显，根据统计，我国水电机组容量上限约为560GW，光伏装机容量上限约为117.2TW，风电装机容量上限约为6580GW[5]。由于光伏装机容量上限是水电机组容量上限的209 倍，风电装机容量上限是水电机组容量上限的12 倍，因而我国未来绿色电力发展的主要方向是加大光伏与风电的装机容量，预计2060年光伏与风电的装机容量渗透率为69.83%，数据中心充分利用好光伏发电与风电，将有助于在能耗增加的情况下，依然实现碳减排。受自然条件限制，风电和光伏发电具有利用小时数和保证出力低、出力分布和日内功率波动大等特征，在并网前可结合储能技术有效抑制风电和光伏发电的波动性和间歇性。

数据中心为不间断运行，且具有时空效应特点，可结合实际用户负荷情况对算力进行时间和空间上的重分配，通过数据中心算力的重分配可均衡服务器使用效率，又能满足负荷的削峰填谷。大型数据中心园区规划建设110KV 变电站，并配套储能系统实现削峰填谷和可再生能源的灵活调度，降低数据中心运维成本，提高可再生能源利用率。对于不具备自建110KV变电站的数据中心园区可考虑配建储能设施或租用储能设施。此外，采用氢燃料电池代替柴油发电机作为数据园区后备应急电源系统，有助于在使用应急电源时降低数据中心碳排放。

（二）规划布局与产业集聚

综合考虑数字经济发展规划、现代能源体系规划和用户分布特征，以及电力传输、数据传输、算力需求、算力网络技术、产业集聚等影响，推进绿色规划布局，在符合规划要求前提下进行项目选址，降低运维过程碳排放。

“十四五”数字经济发展规划明确提出在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝地区双城经济圈、贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等地区布局全国一体化算力网络国家枢纽节点，建设数据中心集群，结合应用、产业等发展需求优化数据中心建设布局。“十四五”现代能源体系规划明确提出绿色低碳转型工程布局，加快西南水电基地建设，在广东、福建、浙江、江苏、山东等地开展海上分散式风电基地建设，在青海、甘肃、内蒙古、宁夏、新疆等地规划布局分散式风电和分布式光伏等。第七次全国人口普查结果显示，东部地区人口占39.93%，中部地区人口占25.83%，西部地区人口占27.12%，东北地区人口占6.98%。此三项因素对数据中心规划布局形成重要影响，其相互关系详见图1。

图1 新型数据中心规划布局影响因素

考虑到可再生能源比例逐年提高，数据中心选址应结合风、光、水力发电规划布局，就近消纳可再生能源电力，减少电力传输带来的不必要损耗，如在贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等地区规划布局，不仅可使用这些地区丰富的可再生能源，而且地区气候适宜，有助于降低运行能耗，分布区域详见图1 中B 区。

全国人口分布的聚集区域，同时属于算力需求量聚集区域，典型的聚集区如京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝地区双城经济圈等，在此类区域规划建设数据中心可满足算力对时延的需求，相应数据中心建设需求量大，是传统数据中心重点建设区域，分布区域详见图1 中C 区，该区域有助于布置超低时延核心数据中心和低时延数据中心。

此外，在沿海风电资源分布广泛的广东、福建、浙江、江苏、山东等区域，同时满足可再生能源分布区和算力需求区，其分布区域详见图1 中D区。图1 中A 区集“东数西算”八大集群、算力需求集聚、可再生能源分布于一体，如在长三角和粤港澳大湾区结合风力发电基地布局新型数据中心。

（三）循环经济与绿色建筑

数据中心由数据中心楼、动力中心楼、综合楼、110KV变电站、室外工程等组成，涉及传统建筑工程领域。“十四五”循环经济发展规划指出，发展循环经济具有显著的资源节约与碳减排协同效应。循环经济遵循“减量化、再利用、资源化”的原则。绿色建筑是可持续发展的建筑，是循环经济在建筑领域的体现。推动数据中心在建筑全生命周期过程中采用循环经济和绿色建筑发展理念，是“双碳”目标下新型数据中心发展的必由之路。

1. 在数据中心设计中引入“减量化”理念，研究数据中心各专业建设内容，提出能满足2 ～3 代设备发展的数据中心建设方案，并力求形成行业标准推广使用，如采用装配式建筑模块、装配式机电模块等，结合智慧化管理系统，实现智能优化开料、大规模批次生产，充分降低材料和人工消耗。实施“减量化”设计及建造，采用简洁化装修，避免耗费装饰材料。建造全过程引入数字化理念，选取合理的建造工艺，如采用综合支架考虑多专业协同。通过“减量化”有助于实现绿色建造、形成产业集聚效应、降低能耗和碳排放。

2. 在数据中心运行中引入“再利用”理念，积极响应国家清洁生产改造政策，实施园区循环化发展工程。积极推进光伏建筑储能一体化、设备耗能余热回收、污水处理和循环再利用等资源综合再利用方案。如在综合楼屋面布置光伏，缩短供电路径，减少电网供电过程损耗，可满足综合楼的能耗要求。再如数据中心设备余热回收作为供暖使用，减少建筑的额外供暖能耗，有助于降低能耗和碳排放。

3. 在数据中心全生命周期中引入“资源化”理念，选择能够满足回收再利用的材料和节约辅助材料和人工的安装工艺，推动建筑垃圾源头减量。在建造过程中引入绿色建造工艺及管理措施，推进渣土、泥浆、垃圾等资源化利用。在设备生产、加工和回收过程中，形成规范化生产、回收及拆解流程，推进智能化与精细化拆解，实现设备材料的100% 资源化利用。

（四）电子信息设备与配套设备

在数据中心运行阶段中，产生能耗的设备主要包括电子信息设备和配套设备，其中配套设备又包含散热冷却设备、供配电设备以及其他配套设备。以数据中心年平均PUE 值1.3为例，电子信息设备能耗占比约77%，散热冷却设备能耗占比约16%，电源设备占比约6%，其他占比约1%。由此可见，在“双碳”目标下降低电子信息设备和散热冷却设备的能耗是解决碳排放的重要途径。

1. 数据中心安装的主体设备为电子信息设备，包括服务器、存储器和网络交换机组等。其中服务器的能耗占比最高，可达到50%，存储器能耗占比35%，其余电子信息设备能耗占比15%。电子信息设备在运行阶段的能耗与设备运行能耗、业务负载率等相关。在数据中心发展过程中，通过产品迭代更新促使电子信息设备在处理等量数据量的情况下逐渐降低自身能耗，并通过优化服务器算法，为客户均衡分配资源，采用合理的节能策略实现电子信息设备节能。

2. 数据中心配套设备是除电子信息设备外主要的能耗设备，能源消耗集中在散热冷却设备和供配电设备中，散热冷却设备能耗占比达到配套设备总能耗的70% 左右，应列为碳减排研究重点。衡量标准采用数据中心能源效率（power usage effectiveness,PUE），即消耗的所有能源与电子信息设备消耗的能源比值，属于有效能耗概念范畴，该比值大于1，越接近1表明非电子信息设备耗能越少，即能效水平越好。国家发展和改革委员会等四部门发布文件明确提出全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3 以下，国家枢纽节点进一步降到1.25 以下。

目前，数据中心主流冷却技术为间接蒸发冷却系统、集中式水冷系统、氟泵空调系统和液冷技术。液冷技术又可分为冷板式液冷、浸没式液冷和喷淋式液冷，目前以冷板式和浸没式为主。以内蒙古和林格尔集群为例，各类冷却技术相应的PUE 统计值如图2 所示。

图2 不同类型散热冷却设备PUE

从图2 可知，随散热冷却设备的不断创新，PUE 越来越接近1，非电子信息设备耗能越来越少，有助于实现数据中心的“双碳”目标。

（五）智能运维与更新改造

在数据中心全生命周期中加强运维管理提升运维效率，对存量机房进行设备更新改造均有助于实现“双碳”目标。传统运维较多采用人为控制，受人数、客观、主观以及电子信息设备多维度、海量数据等因素制约，存在算力资源分配不均衡、散热冷却设备运转不均衡以及故障率高不能及时处理等特征，均不利于碳减排。

建议对数据中心基础设施实施数字化，并制定完整的数字化、流程化、标准化规则，形成具有兼容性接口的各类协议，通过接入人工智能，在已制定的规则下结合能源管理规则进行智能化管理，优化算力资源分配和散热冷却设备运转，实现运维过程的自我检测、诊断和报告等，最终实现新型数据中心的自动驾驶。

对存量数据中心及时改造升级，加快应用高密度、高效率电子信息设备，并结合原有条件改造实施散热冷却设备，对小型数据中心进行迁移整合，对算力资源进行合理化分配并降低时延，更好地满足城市边缘计算需求，通过以上更新改造实现存量数据中心的碳减排。

四、结束语

数字经济繁荣促使数据中心大量建设，推高其能耗和碳排放。通过研究数据中心建筑和设备的能耗和碳排放特点，给出有助于实现“双碳”目标的新型数据中心发展路径：数据中心采用可再生能源、储能、氢燃料电池等措施实现碳减排；依据国土空间规划、数字经济发展规划、能源体系规划，推进数据中心绿色规划布局，降低运行过程中的碳排放；引入循环经济和绿色建筑理念实现减量化、再利用、资源化，实现碳减排；采用同等处理能力低能耗电子信息设备和散热冷却设备，降低PUE 实现碳减排；结合数字化、智能化、标准化，实现数据中心自动驾驶，实现碳减排。通过以上发展路径，规划并建设新型数据中心，有效降低碳排放，甚至实现零碳排放，对“双碳”目标下数据中心建设思路具有指导意义。