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      “雙碳”和“東數西算”背景下數據中心建設的思考

      來源:《數據中心建設+》雜志 作者:吳曉暉 趙春曉 張恒春 更新時間:2022/4/7 8:02:04

      摘要:詳細闡述了《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》和《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》關于數據中心的內容。結合這兩個政策提出并分析了數據中心未來在選址、綠色低碳、可再生能源應用和能源綜合利用四個方面的發展趨勢。

         一、引言
        
        “十四五”規劃和2035目標綱要中,對我國加快發展數字化,建設數字中國的表述占了一篇四章的內容,其中對人工智能、大數據、區塊鏈、云計算、網絡安全等新興數字產業著墨甚多,未來我國將加快建設數字經濟、數字社會、數字政府,以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革?!毒V要》還提出,“加快構建全國一體化大數據中心體系,強化算力統籌智能調度,建設若干國家樞紐節點和大數據中心集群”??梢钥闯?作為國家“新基建”戰略的七大領域之一的數據中心,正是推進我國數字經濟發展的算力設施和重要保障,是推動我國經濟轉型的重要抓手,也是構建智慧城市核心競爭力的重要載體。
        
        2021年10月國務院印發了《2030年前碳達峰行動方案》。碳達峰是指我國承諾2030年前,二氧化碳的排放不再增長,達到峰值之后逐步降低。碳中和則是通過節能減排、能源替代、產業調整等,讓排出的二氧化碳被回收,最終實現“零排放”的目的。據統計,2018年中國數據中心總用電量為1608.89億千瓦時,占中國全社會用電量2.35%。未來5年數據中心總用電量將增長66%,年均增長率將達到10.64%,預計2023年中國數據中心總用電量為2667.92億千瓦時??梢钥闯鰯祿行淖鳛槿鐣?ldquo;能耗大戶”,對實現碳達峰碳中和起著重要影響。黨中央、國務院及各地方政府部門高度重視數據中心產業發展,密集發布了有關數據中心行業的政策文件。下面對近期頒布的兩個關于數據中心的重要政策進行分析。
        
        二、近期頒布的關于數據中心的主要政策
        
        1.《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》《綱要》提出,“加快構建全國一體化大數據中心體系,強化算力統籌智能調度,建設若干國家樞紐節點和大數據中心集群”,提出“東數西算”戰略。針對十四五的要求,2021年5月發改委聯合多個部門發布《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》[4],明確在京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝,地區,以及貴州、內蒙古、甘肅、寧夏等地布局建設大數據中心國家樞紐節點,國家樞紐節點布局圖(見圖1)。
        
        “東數西算”本質上是為了解決我國某些資源供給區域與需求區域不平衡的問題。眾所周知,高能耗導致的高電力成本是制約數據中心發展的主要因素之一。首先我國中西部城市具備豐富的風電、光伏、水電等清潔能源發電資源,且工業用電需求遠遠小于東部發達城市,因此電力成本要低的多。其次,相較東部省份,中西部地區氣溫要低得多,能夠利用自然冷源的時間更長,可以減少大量的能耗。因此,無論從數據中心運營商成本角度看,還是從中西部城市自身發展轉型角度,甚至是從我國碳達峰碳中和的戰略意義角度考慮,將數據中心逐步向西移都是大有裨益的。
        
        通過國家樞紐節點,統籌規劃數據中心建設布局,引導大規模數據中心適度集聚,形成數據中心集群。圍繞集群,調整優化網絡結構,加強水、電、能耗指標等方面的配套保障。在集群和集群之間,建立高速數據中心直聯網絡,實施“東數西算”工程,支撐大規模算力調度,構建形成以數據流為導向的新型算力網絡格局?!度珖惑w化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》內容可總結為圖2。
        
        對于京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝等用戶規模較大、應用需求強烈的節點,實現大規模算力部署與土地、用能、水、電等資源的協調可持續,優化數據中心供給結構,擴展算力增長空間,滿足重大區域發展戰略實施需要。
        
        對于貴州、內蒙古、甘肅、寧夏等可再生能源豐富、氣候適宜、數據中心綠色發展潛力較大的節點,重點提升算力服務品質和利用效率,充分發揮資源優勢,夯實網絡等基礎保障,積極承接全國范圍需后臺加工、離線分析、存儲備份等非實時算力需求,打造面向全國的非實時性算力保障基地。
        
        2.《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》
        
        數據中心、5G是支撐未來經濟社會發展的戰略資源和公共基礎設施,也是關系新型基礎設施節能降耗的最關鍵環節。按照《2030年前碳達峰行動方案》,2021年12月8日,國家發展改革委、中央網信辦、工信部和國家能源局四部門印發《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》[5]?!斗桨浮丰槍ν苿訑祿行幕A設施綠色高質量發展提出具體目標總結(見圖3)。
        
        《方案》還明確了強化統籌布局、提高算力能效、創新節能技術、優化節能模式、利用綠色能源、促進轉型升級等六個主要任務。提出多種措施開展節能降碳,總結為圖4:《方案》中提出關于數據中心節能降碳的舉措。
        
        三、數據中心未來發展趨勢分析
        
        結合政策分析,數據中心未來規劃在選址、綠色節能,能源應用等方面將會有一定的變化,具體分析如下。
        
        1.數據中心的分布將會更加規范和優化
        
        《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》的頒布,“東數西算”工程正式啟動,筆者認為數據中心未來的規劃,將會更加優化。布局會呈現出下面兩個發展趨勢。
        
        (1)數據中心的布局向國家樞紐節點聚攏
        
        為了集中政策和資源,著力優化網絡和能源配套等保障,建立了8個算力樞紐節點和10個數據中心集群。未來的數據中心分布,尤其是大型和超大型數據中心會向這8個算力樞紐節點聚攏。在這10個數據中心集群中,可以有效減少數據中心繞轉時延,及降低傳輸費用,更好的保障能源供給和協調、規劃能耗指標。政策也明確要求對于符合條件且納入國家樞紐節點數據中心集群范圍的建設項目,積極協調安排能耗指標予以適當支持。
        
        (2)根據業務需求合理布局
        
        未來,數據中心用戶會根據自身的業務需求出發,更加合理選址。在向國家樞紐節點聚攏布局的同時,會根據自身業務的不同,選擇適合的樞紐節點。首先,京津冀地區、長三角地區、粵港澳大灣區和成渝地區,是我們國家的經濟發展核心區域,也是重要的城市群。本身就處于經濟發達地區,這些地區用戶規模較大、應用需求強烈。建成之后的樞紐節點,基本上都是服務于本區域的需求,屬于“內部消化”。其次,內蒙古、貴州、甘肅、寧夏,都在西部地區,當地的算力需求不大,他們作為樞紐節點,主要作用是“對外輸出算力”。這些地區可以憑借自身土地成本低、可再生能源豐富(風力、水力發電)、氣候適宜(北部氣溫低)的優勢,建設低成本、低能耗的數據中心,承接東部地區的算力需求。再者,我們都知道由物理距離帶來的通信時延,是不可避免的。西部數據中心向東部輸送算力,最大的問題在于時延。所以,自動駕駛(車聯網)、工業制造(機器人)、遠程醫療、金融證券等對時延非常敏感的網絡應用,一定會在所在地或距離所在地最近的數據中心完成。而西部數據中心,更多會承接后臺加工、離線分析、冷數據存儲備份等對時延不敏感的網絡應用。
        
        2.更加關注綠色節能,更低的PUE值
        
        近兩年國家和地方持續出臺一系列政策,對數據中心PUE值提出了明確指標?!敦瀼芈鋵嵦歼_峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》中提出新建大型、超大型數據中心PUE值降到1.3以下,國家樞紐節點降到1.25以下。北上廣深為首的核心一線城市也紛紛推出節能減排政策,針對數據中心的PUE值提出了要求。例如北京市發改委發布的《關于進一步加強數據中心項目節能審查的若干規定》中提出:新建、擴建數據中心年能源消費量大于等于1萬噸標準煤且小于2萬噸標準煤的項目,PUE值不應高于1.25;年能源消費量大于等于2萬噸標準煤且小于3萬噸標準煤的目,PUE值不應高于1.2等等的要求??梢钥闯?國家和各級政府都在能耗總量限制的基礎上大力推進綠色節能的數據中心建設。
        
        要實現數據中心的低PUE值要求,需要從數據中心的全生命周期進行節能降碳。
        
        (1)選址、布局方面:數據中心選址是首要一步,也是關鍵一步。首先選址應盡可能選址自然條件優越區域,環境氣溫較低的中西部地區在自然條件上得天獨厚的優勢將有效助力數據中心減排。其次,選址風電、水電、光電等清潔能源豐富的地區,可以有效提高數據中心綠電使用比率。
        
        (2)規劃、設計方面:合理的設計可以在很大程度上減少數據中心多方面能耗。在確保數據中心安全的前提下,在規劃、設計數據中心時,需要全面考慮數據中心存在節能的空間。根據不同項目的具體情況,選擇適合的制冷系統和供電系統,合理進行設備選型和規劃能源輸送路徑,實現系統最大化節能。包括綜合運用多種節能技術,如液冷系統、蒸發冷卻技術、熱管技術、磁懸浮壓縮機等技術正在不斷擴大適用范圍。規劃設計階段應用綠色節能技術,可實現能效大幅提升,最大化降低PUE值。
        
        (3)運維方面:在數據中心運維中,對PUE值進行管理?;跀祿行哪芎默F狀及管理中存在的問題,依靠數字化手段引入智能化技術,結合大數據分析與人工智能算法,將從智能運維管理平臺優化和能源的智能管理調度方面進行智能運維。通過智能運維進一步優化能源效率和運維效率,也是實現綠色低碳數據中心的必經之路。
        
        (4)監督實施方面:嚴格執行節能降碳相關政策執行,通過節能監察、環保監督執法等手段加大落實力度。工信部發布的《新型數據中心發展三年行動計劃(2021-2023年)》明確指出,建立綠色數據中心全生命周期評價機制,完善能效監測體系,實時監測PUE值、水資源利用效率(WUE值)等指標。除了政府政策要求,第三方服務機構也能夠依據政策對數據中心項目的運營進行能效監測。通過開展綠色評測,并依據評測結果開展有實效的綠色技術改造和運維優化。
        
        3.可再生能源的應用
        
        在“碳中和”的背景下,中央高度重視碳中和工作,規劃大力發展可再生能源電力。對應著國家政策的出臺,2020年底-2021年上半年,我國大部分省市都出臺了光伏等可再生能源電力消納相關政策。
        
        在清潔能源產業大發展的背景下,數據中心并不絕對排斥化石能源,在可再生電力不足時,允許使用化石能源,以保障數據中心電力供應。是以清潔、綠色、可再生電力體系為基礎的,這不僅意味著要使用光伏、風電及水電等,還意味著要通過發展包括調峰靈活電源、儲能設施等在內的一系列機制,構建起能夠克服可再生電力先天存在的間歇性大、波動性大、保障性弱的缺點,滿足數據中心業務要求的完整供電體系。數據中心供電側如何最大限度開發利用清潔可再生電力尤為關鍵,可再生能源以分布在用戶端的分布式光伏發電系統、風力發電系統、儲能系統等為主。主要有以下三種供能方式:
        
        一是自備清潔可再生電廠,有光伏發電和風力發電兩種形式,電力自發自用。這種供電方式最為便捷,但是受限于場地等因素,一般難以完全解決數據中心供能問題。
        
        二是通過電力交易市場購入綠電。數據中心耗電量巨大,因此多數場景下需要外部電力供應。如果能夠通過電力交易,購入光伏發電、風電、水電等“零碳綠電”,可以確保數據中心的“碳中和”特質。
        
        三是儲能供能。在大量使用可再生電力的背景下,儲能環節對于保證數據中心用電的安全性和連續性具有特別重要的作用??山M合使用電化學儲能、制氫儲能等技術手段。
        
        4.能源的綜合利用
        
        數據中心能源系統的提質增效在數字經濟快速發展的趨勢下已經越顯至關重要,是數字經濟背景下我國國家治理的新要求。因此,應前瞻性地做好數據中心能源系統的提質增效,探索基于余熱回收、熱電聯產的產消型數據中心綜合能源系統的路徑,打造基于多能互補的數據中心能源供應的模式。
        
        (1)從數據中心的能源消費側看,數據中心在消費巨量電能量的同時,數據中心排放了大量未被利用的中低品位余熱。如果這些余熱能得以有效利用,那么數據中心又可以看作是一個巨大的中低品位熱源,可以用于滿足周邊用戶的供暖、熱水等需求。
        
        (2)從數據中心的能源供給側看,我國數據中心的能源供應以火電為主,綠電和其它能源的供應占比較低。利用高品位火電去滿足數據中心散熱的低品位需求,存在數據中心供能側與用能側能量能級的不匹配,導致系統能量損失大、能耗高。而熱(冷)電聯供系統的供能特性,恰與數據中心冷電負荷特性存在著良好的匹配性,即供能和用能的熱電比接近、冷電負荷穩定。如數據中心天然氣聯供系統的能源利用率可高達90%以上,1m3天然氣可等效4~10kWh的電力,理論上具有良好的熱經濟性。
        
        (3)從數據中心的建設和運維側看,建設智慧能源管理平臺,可更好實現區域內用戶提供冷、熱、電、氣、水等能源一體化,促進清潔能源就地消納和平衡。通過協同互動、智能低碳方式,充分提高能源綜合利用效率。物理構成包括供配電系統、冷熱電三聯供系統、光伏系統、風機系統、儲能系統、充電系統、智慧管控系統等。多能互補面向終端用戶冷、熱、電等多種用能需求,有利于實現園區的多能協同供應和能源綜合梯級利用。
        
        四、結語
        
        《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》和《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》。這兩個文件筆者認為是未來幾年數據中心發展的總綱。對數據中心發展將會產生巨大影響。前者為數據中心全國的一體化布局指明了方向,提出了“一體化的新型算力網絡體系”、“東數西算”等概念。后者為響應國家“雙碳”戰略,為數據中心的綠色、低碳,高質量發展指明了方向。
        
        依據這兩個政策,筆者認為后續全國數據中心的發展,從布局上將會更加優化。國家樞紐節點,省內節點,邊緣數據中心等將梯次分布。從能源消耗來看,能效水平將穩步提高,PUE值逐步降低,能源的利用將更加合理,可再生能源的利用率將逐步提高。
        
        參考文獻
        
        [1]《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》.新華社,2021-03-12;
        
        [2]《2030年前碳達峰行動方案》.國務院,2021-10-24;
        
        [3]《點亮綠色云端:中國數據中心能耗與可再生能源使用潛力研究》.國際環保組織綠色和平,華北電力大學,2019-09-09;
        
        [4]《全國一體化大數據中心協同創新體系算力樞紐實施方案》.國家發展改革委,中央網信辦,工業和信息化部,國家能源局,2021-12-08;
        
        [5]《貫徹落實碳達峰碳中和目標要求推動數據中心和5G等新型基礎設施綠色高質量發展實施方案》.國家發展改革委,中央網信辦,工信部,國家能源局,2021-05-24;
        
        [6]《新型數據中心發展三年行動計劃(2021-2023年)》.工業和信息化部,2021-07-04。
        
        作者簡介
        
        吳曉暉,碩士,中國建筑標準設計研究院有限公司,數據中心設計研發部主任,教授級高級工程師,北京工業大學碩士研究生指導老師;西安交通大學數據中心節能與低碳技術重點實驗室學術委員會委員。國家節能中心數據中心專家,中國電子學會綠色數據中心專家工作委員會委員,北京市信息化專家咨詢委員會專家,廣東省數據中心專家,河南省綠色節能專業委員會專家。主編參編多項國家,團體標準。國家標準《數據中心基礎設施運行維護標準》,團體標準《數據中心人才標準》,《綠色數據中心評估準則》等。
        
        張恒春,天津大學碩士,中國船舶集團有限公司第七一八研究所規劃發展部副主任,高級工程師,從事固定資產投資建設項目管理15年,參與并負責了一百余項科研、生產和辦公等建設項目的全過程管理,具有豐富的建設項目管理經驗。
        
        趙春曉,中國建筑標準設計研究院數據中心設計研發部門暖通主任設計師,負責部門暖通專業相關技術工作。
        
        編輯:Harris

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