“雙碳”目標(biāo)下，“東數(shù)西算”節(jié)能新路徑

發(fā)布日期：2022-03-28 10:19:07  瀏覽次數(shù)：3615 來(lái)源：中國(guó)電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能技術(shù)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)

近日，國(guó)家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局聯(lián)合復(fù)函，同意在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏啟動(dòng)建設(shè)國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)，并規(guī)劃了張家口等10個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群。至此，全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系完成總體規(guī)劃布局，“東數(shù)西算”工程全面啟動(dòng)。針對(duì)上述國(guó)家政策，筆者結(jié)合中國(guó)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的現(xiàn)狀，重點(diǎn)論述“雙碳”目標(biāo)下，“東數(shù)西算”節(jié)能新路徑。

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀分析

我國(guó)數(shù)據(jù)中心規(guī)模已達(dá)500萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架（2.5kW為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架），算力達(dá)到130EFLOPS。伴隨數(shù)字經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，全社會(huì)對(duì)算力需求十分迫切，預(yù)計(jì)每年將以20%以上的速度快速增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，算力已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。加快推動(dòng)算力建設(shè)，將有效激發(fā)數(shù)據(jù)要素創(chuàng)新活力，加速數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，催生新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。“十四五”時(shí)期，數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 “十四五”時(shí)期數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要指標(biāo)（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)政府網(wǎng)站）

ICTresearch咨詢統(tǒng)計(jì)，2020年全國(guó)有數(shù)據(jù)中心8萬(wàn)個(gè)左右，總耗電量為1660億千瓦時(shí)；根據(jù)中國(guó)能源局統(tǒng)計(jì)的2020年全社會(huì)用電量75110億千瓦時(shí)計(jì)算，數(shù)據(jù)中心的總用電量占全社會(huì)總用電量的比例為2.2%。根據(jù)我國(guó)生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院統(tǒng)計(jì)測(cè)算，2021年國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模達(dá)到543.6萬(wàn)架，同比增長(zhǎng)27%；耗電量占到全社會(huì)用電量的2.6%，碳排放占到全國(guó)的1.14%左右。2025年，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心機(jī)架規(guī)模將達(dá)到759萬(wàn)架，較2021年增長(zhǎng)40%；能源消耗總量較2021年增加62%，約占全社會(huì)用電量4%，碳排放占全國(guó)的比重接近2%。

“十四五”期間，河北、廣東、江蘇、上海和浙江等省市機(jī)架規(guī)模、能耗總量和二氧化碳排放量最大，5個(gè)地區(qū)加和占全國(guó)一半左右。由于能耗本身同機(jī)架數(shù)量深度掛鉤，在供電側(cè)不容易調(diào)整的前提下，只能通過(guò)布局優(yōu)化等手段，在對(duì)存量進(jìn)行整改的同時(shí)，盡量將數(shù)據(jù)中心布局在氣候適宜、綠色能源充沛等條件好的地區(qū)，以降低碳排放，“東數(shù)西算”的布局由此而來(lái)。

“東數(shù)西算”政策對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響

數(shù)字時(shí)代正在召喚一張高效率的“算力網(wǎng)”。“東數(shù)西算”是把東部密集的算力需求有序引導(dǎo)到西部，使數(shù)據(jù)要素跨域流動(dòng)。打通“數(shù)”動(dòng)脈，織就全國(guó)算力一張網(wǎng)，既緩解了東部能源緊張的問(wèn)題，也為西部開(kāi)辟一條發(fā)展新路。與“東數(shù)西算”相關(guān)文件的主要政策文件見(jiàn)表2。

表2 與“東數(shù)西算”相關(guān)文件的主要政策（數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)家改革發(fā)展委）

“東數(shù)西算”工程通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)一體化的新型算力網(wǎng)絡(luò)體系，將東部算力需求有序引導(dǎo)到西部，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局，促進(jìn)東西部協(xié)同聯(lián)動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是讓西部的算力資源更充分地支撐東部數(shù)據(jù)的運(yùn)算，更好為數(shù)字化發(fā)展賦能。“東數(shù)西算”中的“數(shù)”，指的是數(shù)據(jù)，“算”指的是算力，即對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力。

實(shí)施“東數(shù)西算”工程，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心合理布局、綠色集約和互聯(lián)互通，具有多方面意義。

一是有利于提升國(guó)家整體算力水平。通過(guò)全國(guó)一體化的數(shù)據(jù)中心布局建設(shè)，擴(kuò)大算力設(shè)施規(guī)模，提高算力使用效率，實(shí)現(xiàn)全國(guó)算力規(guī)模化、集約化發(fā)展。

二是有利于促進(jìn)綠色發(fā)展。加大數(shù)據(jù)中心在西部布局，將大幅提升綠色能源使用比例，就近消納西部綠色能源，同時(shí)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、以大換小、低碳發(fā)展等措施，持續(xù)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心能源使用效率。

三是有利于擴(kuò)大有效投資。數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈條長(zhǎng)、投資規(guī)模大，帶動(dòng)效應(yīng)強(qiáng)。通過(guò)算力樞紐和數(shù)據(jù)中心集群建設(shè)，將有力帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)上下游投資。

四是有利于推動(dòng)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。算力設(shè)施由東向西布局，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)有效轉(zhuǎn)移，促進(jìn)東西部數(shù)據(jù)流通、價(jià)值傳遞，延展東部發(fā)展空間，推進(jìn)西部大開(kāi)發(fā)形成新格局。

我國(guó)數(shù)據(jù)中心大多分布在東部地區(qū)，由于土地、能源等資源日趨緊張，在東部大規(guī)模發(fā)展數(shù)據(jù)中心難以為繼。而西部地區(qū)資源充裕，特別是可再生能源豐富，具備發(fā)展數(shù)據(jù)中心、承接?xùn)|部算力需求的潛力。“東數(shù)西算”有利于推動(dòng)數(shù)據(jù)中心合理布局、優(yōu)化供需，提升國(guó)家整體算力水平，擴(kuò)大有效投資，推動(dòng)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展，具有多方面多層次重要意義。我國(guó)算力網(wǎng)絡(luò)各類樞紐節(jié)點(diǎn)定位及發(fā)展思路見(jiàn)表3。本次“東數(shù)西算”的全面啟動(dòng)，疊加數(shù)字經(jīng)濟(jì)確定的發(fā)展方向，對(duì)于整個(gè)數(shù)通側(cè)將是確定性大機(jī)會(huì)，算力、流量持續(xù)高速增長(zhǎng)是必然趨勢(shì)，配套基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)建設(shè)擴(kuò)容是剛性需求，未來(lái)3~5年具有高確定性。

表3 我國(guó)算力網(wǎng)絡(luò)各類樞紐節(jié)點(diǎn)定位及發(fā)展思路（數(shù)據(jù)來(lái)源：《全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實(shí)施方案》）

數(shù)據(jù)中心四大節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

近幾年來(lái)，作為“新基建”的代表產(chǎn)業(yè)，數(shù)據(jù)中心為5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了重要支撐，已經(jīng)成為推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施。但是隨著數(shù)據(jù)中心的單位功率密度大幅度提升，整體能耗水平也呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)能耗增長(zhǎng)過(guò)快的問(wèn)題，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)，當(dāng)前主要的技術(shù)分為以下幾類。

充分利用自然冷源

為維持恒定的機(jī)房溫度需要不間斷為其降溫，由此帶來(lái)了數(shù)據(jù)中心巨額的耗電量。當(dāng)過(guò)渡季節(jié)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)，自然界存在著豐富的冷源，如何利用大自然的冷源進(jìn)行冷卻是機(jī)房空調(diào)節(jié)能減排的重點(diǎn)問(wèn)題。自然冷源冷卻策略主要有以下方法。

一是間接空氣交換。外部空氣通過(guò)熱交換器進(jìn)入室內(nèi)并實(shí)現(xiàn)熱交換，熱交換器將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的空氣與外部較冷的空氣分開(kāi)。這種方法可以防止顆粒物進(jìn)入數(shù)據(jù)中心機(jī)房區(qū)域，并有助于控制濕度水平。

二是直接空氣交換。外部空氣通過(guò)蒸發(fā)冷卻器后，再通過(guò)過(guò)濾器直接進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的冷通道。當(dāng)外部溫度過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)將外部空氣與回風(fēng)的熱空氣混合，以達(dá)到設(shè)備的冷卻降溫。

高密度數(shù)據(jù)中心可以考慮液冷

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)與傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)相比，系統(tǒng)耗電量約節(jié)省30%以上，應(yīng)用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房整體能效同時(shí)得到30%的提升。并且隨著數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜功率密度不斷提高，液冷技術(shù)能帶來(lái)更為直接的散熱優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)中心使用液冷與風(fēng)冷技術(shù)的比較分析見(jiàn)表4，數(shù)據(jù)中心的制冷模式分析見(jiàn)表5。

表4 數(shù)據(jù)中心使用液冷與風(fēng)冷技術(shù)的比較分析（數(shù)據(jù)來(lái)源：ICTresearch）

表5 數(shù)據(jù)中心制冷的模式分析（數(shù)據(jù)來(lái)源：ICTresearch）

盡量利用可再生清潔能源

數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題已經(jīng)引起了全球的廣泛關(guān)注，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可持續(xù)能力的設(shè)計(jì)已不可避免。雖然可再生能源具有間歇不穩(wěn)定的特點(diǎn)，但建設(shè)可再生能源驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)中心除了可以降低的碳排放外，還有許多其他的好處。

可再生能源發(fā)電是高度模塊化的，可以逐漸增加發(fā)電容量以匹配負(fù)載的增長(zhǎng)。如此，可減小數(shù)據(jù)中心因電力系統(tǒng)超額配置的損失，因?yàn)?a target="_blank">服務(wù)器負(fù)載需要很長(zhǎng)一段時(shí)間才能增長(zhǎng)到升級(jí)的配置容量。此外，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)籌建時(shí)間要比傳統(tǒng)的發(fā)電廠短得多，降低了投資和監(jiān)管的風(fēng)險(xiǎn)。而且，可再生能源的價(jià)格和可用性相對(duì)平穩(wěn)，使IT公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃變得簡(jiǎn)單。

注重?cái)?shù)據(jù)中心的余熱利用

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心主要回收冷凍水回水對(duì)余熱進(jìn)行二次利用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)市政供熱設(shè)施，為園區(qū)的辦公場(chǎng)所提供冬季熱源，從而達(dá)到減少煤炭等燃料的燃燒，達(dá)到控制二氧化碳排放的目的。數(shù)據(jù)中心余熱回收的流程并不復(fù)雜，但是其核心關(guān)鍵點(diǎn)在于：如何在支持?jǐn)?shù)據(jù)中心穩(wěn)定安全運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)余熱的科學(xué)回收。在此過(guò)程中，需對(duì)施工安裝中可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)提前做好應(yīng)急預(yù)案，對(duì)可能影響數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)行的故障點(diǎn)做好隔離，并對(duì)如何確保冬季供暖及數(shù)據(jù)中心運(yùn)行雙向安全的基本目標(biāo)提前規(guī)劃出備份系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心發(fā)展四大建議

規(guī)模以上數(shù)據(jù)中心設(shè)立監(jiān)管平臺(tái)

數(shù)據(jù)中心節(jié)能工作是跨學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新工程和跨部門(mén)、多行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)工程，要改變當(dāng)前耗能大、技術(shù)落后和無(wú)專門(mén)機(jī)構(gòu)管理和參與的局面，就需要在政府及信息產(chǎn)業(yè)主管部門(mén)支持下，對(duì)新產(chǎn)品應(yīng)用、新技術(shù)研究、新標(biāo)準(zhǔn)制定與推廣、產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境等方面加以引導(dǎo)及協(xié)調(diào)。

較為有效的方式是設(shè)立數(shù)據(jù)中心能耗管控平臺(tái)，針對(duì)已建、新建、改擴(kuò)建、節(jié)能改造的數(shù)據(jù)中心安裝整體的能耗監(jiān)測(cè)軟件，與國(guó)家或省市的數(shù)據(jù)中心能耗管控平臺(tái)對(duì)接，可以實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)中心能耗情況，以便制定相應(yīng)的政策和監(jiān)管措施。利用能耗管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)模以上數(shù)據(jù)中心每年例行能效評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)。

設(shè)置相關(guān)的能源管理崗位

數(shù)據(jù)中心能源管理崗位人員是指從事數(shù)據(jù)中心能源管理工作的專業(yè)人員，是數(shù)據(jù)中心管理人才的重要組成部分。能源管理崗位人員應(yīng)具有良好的職業(yè)素養(yǎng)，具備相應(yīng)的行業(yè)知識(shí)，掌握現(xiàn)代企業(yè)管理方法，精通企業(yè)能源管理工作。

數(shù)據(jù)中心行業(yè)能源管理崗位人員培養(yǎng)體系的建立，可有效保障能源的合理使用，提高能源利用水平，降低成本，減少污染排放，為國(guó)家節(jié)能減排事業(yè)發(fā)展作貢獻(xiàn)。

落實(shí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)缺失的現(xiàn)狀，要盡快啟動(dòng)制定節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能運(yùn)維等標(biāo)準(zhǔn)。提高對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排工作重要性和緊迫性的認(rèn)識(shí)，堅(jiān)持把節(jié)能減排作為“調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式”的重要抓手，抓好數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排重大科技研發(fā)和推廣應(yīng)用，加強(qiáng)企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)改造和重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能減排，強(qiáng)化目標(biāo)責(zé)任加強(qiáng)監(jiān)督執(zhí)法，綜合運(yùn)用市場(chǎng)、法律、標(biāo)準(zhǔn)手段推進(jìn)節(jié)能減排。

盡快制定數(shù)據(jù)中心碳中和路徑圖

針對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗高問(wèn)題，設(shè)定未來(lái)10年的數(shù)據(jù)中心碳中和路線圖。靠“能耗天花板”方式進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)數(shù)據(jù)中心整體碳排放進(jìn)行峰值設(shè)置，同時(shí)考慮不同區(qū)域的峰值，最終達(dá)到數(shù)據(jù)中心規(guī)模增長(zhǎng)而能耗不顯著增長(zhǎng)。

要合理、合規(guī)、有效地對(duì)老舊數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能改造，對(duì)新數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，同時(shí)要引導(dǎo)存量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能運(yùn)維。通過(guò)各方努力，爭(zhēng)取在2025年前數(shù)據(jù)中心能源使用出現(xiàn)拐點(diǎn)。

對(duì)增量和存量數(shù)據(jù)中心的能耗要求要加以區(qū)分，按照到達(dá)拐點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)度設(shè)置能耗走勢(shì)路線圖，控制市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻。同時(shí)各類標(biāo)準(zhǔn)要及時(shí)到位，避免標(biāo)準(zhǔn)滯后的現(xiàn)象發(fā)生，加快地方標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)；各個(gè)省市的標(biāo)準(zhǔn)要符合國(guó)家的要求，但也要與地方實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)。