数据中心作为全社会的“能耗大户”,对实现碳达峰碳中和起着重要影响。党中央、国务院及各地方政府部门格外的重视数据中心产业高质量发展,密集发布了有关数据中心行业的政策文件。

  “十四五”规划和2035目标纲要中,对我国加快发展数字化,建设数字中国的表述占了一篇四章的内容,其中对AI、大数据、区块链、云计算、网络安全等新兴数字产业着墨甚多,未来我国将加快建设数字化的经济、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。《纲要》还提出,“加快构建全国一体化大数据中心体系,强化算力统筹智能调度,建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群”。能够准确的看出,作为国家“新基建”战略的七大领域之一的数据中心,正是推进我国数字化的经济发展的算力设施和重要保障,是推动我们国家经济转型的重要抓手,也是构建智慧城市核心竞争力的重要载体。

  2021年10月国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》。碳达峰是指我国承诺2030年前,二氧化碳的排放不再增长,达到峰值之后逐步降低。碳中和则是通过节能减排、能源替代、产业调整等,让排出的二氧化碳被回收,最终实现“零排放”的目的。据统计,2018年中国数据中心总用电量为1608.89亿千瓦时,占中国全社会用电量2.35%。未来5年数据中心总用电量将增长66%,年均增长率将达到10.64%,预计2023年中国数据中心总用电量为2667.92亿千瓦时。能够准确的看出数据中心作为全社会的“能耗大户”,对实现碳达峰碳中和起着重要影响。党中央、国务院及各地方政府部门格外的重视数据中心产业高质量发展,密集发布了有关数据中心行业的政策文件。下面对近期颁布的两个关于数据中心的重要政策进行分析。

  1.《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》《纲要》提出,“加快构建全国一体化大数据中心体系,强化算力统筹智能调度,建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群”,提出“东数西算”战略。针对十四五的要求,2021年5月发改委联合多个部门发布《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》[4],明确在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝,地区,以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等地布局建设大数据中心国家枢纽节点,国家枢纽节点布局图(见图1)。

  “东数西算”本质上是未解决我国某些资源供给区域与需求区域不平衡的问题。众所周知,高能耗导致的高电力成本是制约数据中心发展的重要的因素之一。首先我国中西部城市具备丰富的风电、光伏、水电等清洁能源发电资源,且工业用电需求远远小于东部发达城市,因此电力成本要低的多。其次,相较东部省份,中西部地区气温要低得多,能利用自然冷源的时间更长,能够大大减少大量的能耗。因此,无论从数据中心运营商成本角度看,还是从中西部城市自身发展转型角度,甚至是从我国碳达峰碳中和的战略意义角度考虑,将数据中心逐步向西移都是大有裨益的。

  通过国家枢纽节点,统筹规划数据中心建设布局,引导大规模数据中心适度集聚,形成数据中心集群。围绕集群,调整优化网络结构,加强水、电、能耗指标等方面的配套保障。在集群和集群之间,建立高速数据中心直联网络,实施“东数西算”工程,支撑大规模算力调度,构建形成以数据流为导向的新型算力网络格局。《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》内容可总结为图2。

  对于京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝等用户规模较大、应用需求强烈的节点,实现大规模算力部署与土地、用能、水、电等资源的协调可持续,优化数据中心供给结构,扩展算力增长空间,满足重大区域发展的策略实施需要。

  对于贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等可再次生产的能源丰富、气候适宜、数据中心绿色发展的潜在能力较大的节点,重点提升算力服务品质和利用效率,充分的发挥资源优势,夯实网络等基础保障,积极承接全国范围需后台加工、离线分析、存储备份等非实时算力需求，打造对全国的非实时性算力保障基地。

  2.《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水平发展实施方案》

  数据中心、5G是支撑未来经济社会持续健康发展的战略资源和公共基础设施,也是关系新型基础设施节能降耗的最关键环节。按照《2030年前碳达峰行动方案》,2021年12月8日,国家发展改革委、中央网信办、工信部和国家能源局四部门印发《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水平质量的发展实施方案》[5]。《方案》针对推动数据中心基础设施绿色高水平质量的发展提出具体目标总结(见图3)。

  《方案》还明确了强化统筹布局、提高算力能效、创新节能技术、优化节能模式、利用绿色能源、促进转变发展方式与经济转型等六个主要任务。提出多种措施开展节能降碳,总结为图4:《方案》中提出关于数据中心节能降碳的举措。

  结合政策分析,数据中心未来规划在选址、绿色节能,能源应用等方面将会有一定的变化,具体分析如下。

  《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》的颁布,“东数西算”工程真正开始启动,作者觉得数据中心未来的规划,将会更优化。布局会呈现出下面两个发展趋势。

  为了集中政策和资源，着力优化网络和能源配套等保障，建立了8个算力枢纽节点和10个数据中心集群。未来的数据中心分布，尤其是大型和超大型数据中心会向这8个算力枢纽节点聚拢。在这10个数据中心集群中，可以有实际效果的减少数据中心绕转时延，及降低传输费用，更好的保障能源供给和协调、规划能耗指标。政策也明确要求对于合乎条件且纳入国家枢纽节点数据中心集群范围的建设项目，积极协调安排能耗指标予以适当支持。

  未来,数据中心用户会依据自己的业务需求出发,更加合理选址。在向国家枢纽节点聚拢布局的同时,会依据自己业务的不同,选择比较适合的枢纽节点。首先,京津冀地区、长三角地区、粤港澳大湾区和成渝地区,是我们的祖国的经济发展核心区域,也是重要的城市群。本身就处于经济发达地区,这些地区用户规模较大、应用需求强烈。建成之后的枢纽节点,大多数都是服务于本区域的需求,属于“内部消化”。其次,内蒙古、贵州、甘肃、宁夏,都在西部地区,当地的算力需求不大,他们作为枢纽节点,最大的作用是“对外输出算力”。这些地区可以凭借自身土地成本低、可再次生产的能源丰富(风力、水力发电)、气候适宜(北部气温低)的优势,建设低成本、低能耗的数据中心,承接东部地区的算力需求。再者,我们都知道由物理距离带来的通信时延,是不可避免的。西部数据中心向东部输送算力,最大的问题就在于时延。所以,无人驾驶(车联网)、工业制造(机器人)、远程医疗、金融证券等对时延非常敏感的网络应用,一定会在所在地或距离所在地最近的数据中心完成。而西部数据中心,更多会承接后台加工、离线分析、冷数据存储备份等对时延不敏感的网络应用。

  近两年国家和地方持续出台一系列政策,对数据中心PUE值提出了明确指标。《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水平质量的发展实施方案》中提出新建大型、超大型数据中心PUE值降到1.3以下,国家枢纽节点降到1.25以下。北上广深为首的核心一线城市也纷纷推出节能减排政策,针对数据中心的PUE值提出了要求。例如北京市发改委发布的《关于逐步加强数据中心项目节能审查的若干规定》中提出:新建、扩建数据中心年能源消费量不小于1万吨标准煤且小于2万吨标准煤的项目,PUE值不应高于1.25;年能源消费量不小于2万吨标准煤且小于3万吨标准煤的目,PUE值不应高于1.2等等的要求。能够准确的看出,国家和各级政府都在能耗总量限制的基础上大力推进绿色节能的数据中心建设。

  要实现数据中心的低PUE值要求,需要从数据中心的全生命周期进行节能降碳。

  (1)选址、布局方面:数据中心选址是首要一步,也是关键一步。首先选址应尽可能选址自然条件优越区域,环境气温较低的中西部地区在自然条件上得天独厚的优势将有效助力数据中心减排。其次,选址风电、水电、光电等清洁能源丰富的地区,可以有效提升数据中心绿电使用比率。

  (2)规划、设计方面:合理的设计可以在很大程度上减少数据中心多方面能耗。在确保数据中心安全的前提下,在规划、设计数据中心时,需要全面考虑数据中心存在节能的空间。根据不同项目的详细情况,选择比较适合的制冷系统和供电系统,合理进行设备选型和规划能源输送路径,实现系统最大化节能。包括综合运用多种节能技术,如液冷系统、蒸发冷却技术、热管技术、磁悬浮压缩机等技术正在逐步扩大适合使用的范围。规划设计阶段应用绿色节能技术,可实现能效大幅度的提高,最大化降低PUE值。

  (3)运维方面:在数据中心运维中,对PUE值来管理。基于数据中心能耗现状及管理中存在的问题,依靠数字化手段引入智能化技术,结合大数据分析和AI算法,将从智能运维管理平台优化和能源的智能管理调度方面做智能运维。通过智能运维逐步优化能源效率和运维效率,也是实现绿色低碳数据中心的必经之路。

  (4)监督实施方面:严格执行节能降碳有关政策执行,通过节能监察、环保监督执法等手段加大落实力度。工信部发布的《新型数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》精确指出,建立绿色数据中心全生命周期评价机制,完善能效监测体系,实时监测PUE值、水资源利用效率(WUE值)等指标。除了政府政策要求,第三方服务机构也能够依据政策对数据中心项目的运营进行能效监测。通过开展绿色评测,并依据评测结果开展有实效的绿色技术改造和运维优化。

  在“碳中和”的背景下，中央格外的重视碳中和工作，规划全力发展可再次生产的能源电力。对应着国家政策的出台，2020年底-2021年上半年，我国大部分省市都出台了光伏等可再次生产的能源电力消纳相关政策。

  在清洁能源产业大发展的背景下,数据中心并不绝对排斥化石能源,在可再生电力不足时,允许使用化石能源,以保障数据中心电力供应。是以清洁、绿色、可再生电力体系为基础的,这不仅意味着要使用光伏、风电及水电等,还意味着要通过发展包括调峰灵活电源、储能设施等在内的一系列机制,构建起能够克服可再生电力先天存在的间歇性大、波动性大、保障性弱的缺点,满足数据中心业务要求的完整供电体系。数据中心供电侧如何最大限度开发利用清洁可再生电力尤为关键,可再次生产的能源以分布在用户端的分布式光伏发电系统、风力发电系统、储能系统等为主。主要有以下三种供能方式:

  一是自备清洁可再生电厂,有光伏发电和风力发电两种形式,电力自发自用。这种供电方式最为便捷,但是受限于场地等因素,一般难以完全解决数据中心供能问题。

  二是通过电力交易市场购入绿电。数据中心耗电量巨大,因此多数场景下需要外部电力供应。若能够通过电力交易,购入光伏发电、风电、水电等“零碳绿电”,能保证数据中心的“碳中和”特质。

  三是储能供能。在大量使用可再生电力的背景下,储能环节对于保证数据中心用电的安全性和连续性具有很重要的作用。可组合使用电化学储能、制氢储能等技术手段。

  数据中心能源系统的提质增效在数字化的经济加快速度进行发展的趋势下已经越显至关重要,是数字化的经济背景下我国国家治理的新要求。因此,应前瞻性地做好数据中心能源系统的提质增效,探索基于余热回收、热电联产的产消型数据中心综合能源系统的路径，打造基于多能互补的数据中心能源供应的模式。

  (1)从数据中心的能源消费侧看,数据中心在消费巨量电能量的同时,数据中心排放了大量未被利用的中低品位余热。如果这些余热能得以有效利用,那么数据中心又可以看作是一个巨大的中低品位热源,能够适用于满足周边用户的供暖、热水等需求。

  (2)从数据中心的能源供给侧看,我国数据中心的能源供应以火电为主,绿电和其它能源的供应占比较低。利用高品位火电去满足数据中心散热的低品位需求,存在数据中心供能侧与用能侧能量能级的不匹配,导致系统能量损失大、能耗高。而热(冷)电联供系统的供能特性,恰与数据中心冷电负荷特性存在着良好的匹配性,即供能和用能的热电比接近、冷电负荷稳定。如数据中心天然气联供系统的能源利用率可高达90%以上,1m3天然气可等效4～10kWh的电力,理论上拥有非常良好的热经济性。

  (3)从数据中心的建设和运维侧看，建设智慧能源管理平台，可更好实现区域内用户更好的提供冷、热、电、气、水等能源一体化，促进清洁能源就地消纳和平衡。通过协同互动、智能低碳方式，充分提高能源综合利用效率。物理构成包括供配电系统、冷热电三联供系统、光伏系统、风机系统、储能系统、充电系统、智慧管控系统等。多能互补面向最终用户冷、热、电等多种用能需求，有利于实现园区的多能协同供应和能源综合梯级利用。

  《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》和《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水平质量的发展实施方案》。这两个文件作者觉得是未来几年数据中心发展的总纲。对数据中心发展将会产生巨大影响。前者为数据中心全国的一体化布局指明了方向,提出了“一体化的新型算力网络体系”、“东数西算”等概念。后者为响应国家“双碳”战略,为数据中心的绿色、低碳,高水平质量的发展指明了方向。

  依据这两个政策，作者觉得后续全国数据中心的发展，从布局上将会更优化。国家枢纽节点,省内节点，边缘数据中心等将梯次分布。从能源消耗来看，能效水平将稳步提高，PUE值逐步降低，能源的利用将更加合理，可再次生产的能源的利用率将逐步提高。

  [1]《中华人民共和国国民经济与社会持续健康发展第十四个五年规划和2035年远大目标纲要》.新华社,2021-03-12;

  [3]《点亮绿色云端:中国数据中心能耗与可再次生产的能源使用潜力研究》.国际环保组织绿色和平,华北电力大学,2019-09-09;

  [4]《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》.国家发展改革委,中央网信办,工业与信息化部,国家能源局,2021-12-08;

  [5]《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水平质量的发展实施方案》.国家发展改革委,中央网信办,工信部,国家能源局,2021-05-24;

  硕士,中国建筑标准设计研究院有限公司,数据中心设计研发部主任,教授级高级工程师,北京工业大学硕士研究生指导老师;西安交通大学数据中心节能与低碳技术重点实验室学术委员会委员。国家节能中心数据中心专家,中国电子学会绿色数据中心专家工作委员会委员,北京市信息化专家咨询委员会专家,广东省数据中心专家,河南省绿色节能专业委员会专家。主编参编多项国家,团体标准。国家标准《数据中心基础设施运行维护标准》,团体标准《数据中心人才标准》,《绿色数据中心评估准则》等。

  天津大学硕士,中国船舶集团有限公司第七一八研究所规划发展部副主任,高级工程师,从事固定资产投资建设项目管理15年,参与并负责了一百余项科研、生产和办公等建设项目的全过程管理,有着非常丰富的建设项目管理经验。

  中国建筑标准设计研究院数据中心设计研发部门暖通主任设计师,负责部门暖通专业有关技术工作。