省域范围数据中心低碳发展路径分析
摘 要：数据中心的规模化发展必将带来用能规模扩大和碳排放增加。在摸清某省数据中心能耗和碳排放现状的基础上，预测2030年数据中心的建设规模，通过设置数据中心低碳发展的4种情景，分析各情景下数据中心能耗和碳排放的发展趋势及特征，结合数据中心节能减排技术分析，提出某省数据中心低碳发展路径。
数字经济正成为我国乃至全球经济结构转型的重要驱动力[1]，数据中心是支撑数字经济发展的关键，是5G、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术的核心基础设施[2]，加快数据中心行业发展已经成为国家战略。同时，数据中心也是“新基建”中能耗最大的设施门类[3]。
可以预见，数据中心的规模化发展必将带来用能规模扩大和碳排放增加。近年来，中央和地方政府陆续出台了一批积极推进数据中心产业绿色低碳发展的政策。2020年12月，国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局四部委联合印发《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》，提出强化数据中心节能减排技术适用和能源配套机制，推进建设绿色数据中心，实现数据中心行业碳减排[4]。工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局联合印发的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》，要求到2022年新建大型、超大型数据中心的数据中心能源效率（PUE）要低于1.4[5]。工业和信息化部在《“十四 五”信息通信行业发展规划》中提出到2025年底，新建大型、超大型数据中心PUE下降到1.3以下[6]。
在“双碳”约束机制、各项政策布局要求以及国家战略和市场对“新基建”设施建设的迫切需求下，如何引导数据中心绿色低碳化发展，是一个亟待解决的问题。本文在摸清某省数据中心能耗和碳排放现状的基础上，结合政策规划，预测2030年数据中心的建设规模。通过设置数据中心低碳发展的4种情景，分析各种情景下数据中心能耗和碳排放的发展趋势及特征，并开展数据中心低碳发展路径分析和节能减排技术分析，最终提出某省数据中心的低碳发展路径。
1 数据中心发展现状
1.1 数据中心建设情况
某省信息行业发展迅速，拥有一批新一代信息领域龙头企业，是全国数据中心最密集的地区。截至2020年底，该省累计投产数据中心标准机架数为48.5万个，标准机架功率为2.5kW。规划到2025年底，该省全面建成9个数据中心集聚区，累计折合标准机架数约100万个，平均上架率为75%，设计平均PUE小于1.25。截至2019年底，该省数据中心多以中小型数据中心（标准机架数≤3000个）为主，占比达79%，大型数据中心（3000个
1.2数据中心能耗及碳排放情况
1.2.1 数据中心能耗特点
对于一个常规数据中心而言，其总能耗主要由IT设备、供配电系统、冷却系统等能耗组成。IT设备能耗包括机房中的服务器、存储、通信等设备能耗；供配电系统能耗包括变压器空载、负载损耗，二者通常占数据中心总能耗的85%、不间断电源转换损耗和线路损耗；冷却系统能耗主要包括制冷主机、精密空调、水泵、冷却塔等设备能耗。在数据中心总能耗中，IT设备能耗最大，冷却系统能耗次[7]。
1.2.2 某省数据中心能耗和碳排放情况
根据绿色和平与工业和信息化部电子第五研究所计量检测中心共同编写的《中国数字基建的脱碳之路：数据中心与5G减碳潜力与挑战（2020— 2035）》[7]，截至2020年11月，某省数据中心平均PUE约为1.58。根据某省累计投产数据中心标准机架数总数、上架率以及平均PUE，计算出某省数据中心当前能耗水平为103.71亿kW·h，占全社会用电量的1.5%。
数据中心碳排放量测算方法采用碳排放因子法，测算2020年某省数据中心的碳排放量约为401.99万吨二氧化碳。
2 数据中心发展趋势预测
2.1 某省数据中心建设规模预测
基于我国互联网数据中心市场规模增速测算及某省规划布局要求，在我国“东数西算”工程启动的背景下，未来某省中高时延数据业务需求将逐步迁移，数据中心增长趋势将变缓。根据不同时段数据中心的不同增长率，测算出2020—2030年某省数据中心机架数的变化趋势，至2030年某省数据中心数量将达到244.71万个。
2.2 数据中心能耗预测
数据中心能耗与数据中心机架数、上架率、平均PUE息息相关。依据某省数据中心布局规划要求，对某省数据中心2020—2030年机架数、上架率、平均PUE、发展趋势等进行预测，进而测算出数据中心的能耗。
3 数据中心低碳发展情景
3.1 数据中心低碳情景设置
影响数据中心碳排放发展趋势的主要因素包括数据中心的机架数、上架率、平均PUE、绿电使用率以及相关政策等。针对上述因素设置某省数据中心低碳发展的4种情景：基准情景、低碳控制情景、节能控制情景和高效低碳情景。
1）基准情景，即“现有政策+不增加清洁能源”情景。依据当前某省对数据中心的能耗控制要求，维持某省数据中心机架数发展趋势和上架率变化趋势不变，在现有政策的指导下，要求2020—2025年新建数据中心PUE为1.3，2025—2030年新建数据中心PUE为1.25；要求自2021年开始以每年20%的改造速度对老旧数据中心进行节能改造，至2025年完成现有老旧数据中心改造，改造后老旧数据中心PUE将达到1.35。
2）低碳控制情景，即“提高能效水平+逐年增加清洁能源”情景。维持某省数据中心机架数发展趋势和上架率变化趋势不变，提高数据中心的能效水平。与基准情景相比，低碳控制情景综合考虑节能减排技术在降低数据中心PUE方面的潜力与实施难度， 新建数据中心PUE维持不变，改造数据中心PUE降低0.05，且自2021年开始以每年比基准情景提高10%的速度对老旧数据中心进行节能改造，至2025年完成现有老旧数据中心改造，改造后老旧数据中心PUE将达到1.3。同时，在此情景中改善数据中心能源结构，在不考虑市电供电结构变化的情况下，每年通过自建绿电或外购绿电的手段额外增加6%的清洁能源使用比例。
3）节能控制情景，即“显著提高能效水平+不增加清洁能源”情景。维持某省数据中心机架数发展趋势和上架率变化趋势不变，提高数据中心能效水平。与基准情景相比，节能控制情景综合考虑节能减排技术在降低数据中心PUE方面的潜力与实施难度，新建数据中心PUE降低0.05，改造数据中心PUE降低0.10，且自2021年开始以每年比基准情景提高20%的速度对老旧数据中心进行节能改造，至2024年完成现有老旧数据中心改造，改造后老旧数据中心PUE将达到1.25。在此情景中不额外增加清洁能源的使用比例。
4）高效低碳情景，即“显著提高能效水平+逐年增加清洁能源”情景。维持某省数据中心机架数发展趋势和上架率变化趋势不变，提高数据中心能效水平。与基准情景相比，高效低碳情景综合考虑节能减排技术在降低数据中心PUE方面的潜力与实施难度，新建数据中心PUE维持不变，改造数据中心PUE降低0.10，且自2021年开始以每年比基准情景提高20%的速度对老旧数据中心进行节能改造，至2024年完成现有老旧数据中心改造，改造后老旧数据中心PUE将达到1.25。且在此情景中改善能源结构，在不考虑市电供电结构变化的情况下，每年通过自建绿电或外购绿电的手段额外增加7%的清洁能源使用比例。目前，数据中心可通过自建“光伏发电+储能”系统和引入绿电专线的方式增加可再生能源使用比例。
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3.2 数据中心能耗和碳排放核算方法
数据中心的能耗与IT设备功率、上架率、平均PUE、使用时间有关。在数据中心能耗测算中，数据中心机架均折算为标准机架，单机架功率为2.5kW，而数据中心平均PUE由新建数据中心PUE、老旧数据中心改造 PUE及老旧数据中心改造比例计算而来。数据中心的碳排放量与某省电力平均碳排放因子及能耗结构是否使用清洁能源相关。根据不同情境下设置的能效水平和能源结构不同，可以通过式（1）~式（5）预测至2030年数据中心的能耗和碳排放情况。
式中：Qm—数据中心能耗值，亿kW·h；P—标准机架功率，2.5kW；Nm—数据中心机架总数，万个；N2020—2020年某省数据中心机架总数，48.5万个；φm—数据中心机架上架率；PUEm—数据中心平均PUE；PUEnew—新建数据中心PUE；PUEold—老旧数据中心改造PUE；βm—老旧数据中心改造比例；Cm—数据中心碳排放量，万t；γm—碳排放因子，万吨二氧化碳/亿kW·h）；ω—清洁能源逐年提升比率；m—年份，年。
3.3 不同情景下数据中心能耗和碳排放发展趋势
根据数据中心能耗和碳排放核算方法，针对基准情景、节能控制情景、低碳控制情景和高效低碳情景进行数据中心能耗趋势和碳排放趋势预测，分别如图1、图2所示。
图 1 某省数据中心能耗趋势
图 2 某省数据中心碳排放趋势
4种情景下，某省数据中心能耗水平逐年提高。这是由于在2020—2030年，随着数据中心建设规模不断扩大，能耗也呈现出逐年增长的趋势。基准情景下数据中心能耗水平最高，在2030年能耗水平将达到583.31亿kW·h；低碳控制情景和高效低碳情景下数据中心能耗水平相当，在2030 年能耗将分别达到578.81亿kW·h和574.30亿kW·h；节能控制情景下，数据中心能耗水平最低，在2030年能耗水平将达到556.07亿kW·h。
碳排放方面，在基准情景和节能控制情景下，某省数据中心碳排放量逐年提高。这说明单纯通过提高数据中心能效水平而不增加清洁能源的使用，无法降低碳排放量。基准情景下数据中心碳排放量最高，节能控制情景下数据中心碳排放量次之。而低碳控制情景下，由于数据中心额外增加了清洁能源的使用，虽然在2020—2025年数据中心碳排放量仍然呈现增长的趋势，但是在2025年之后呈现出平稳态势，碳排放量增长缓慢，该情景下至2029年数据中心碳排放量达到705.30万吨二氧化碳，2030年碳排放量开始降低。而高效低碳情景下，数据中心能效水平和清洁能源使用占比均得到了一定的提升，该情景下数据中心2025年碳排放量为641.86万吨二氧化碳，约占基准情景2025年碳排放量的63.2%，减排效果显著，该情景下2025年之后，数据中心碳排放量持续降低，直至2030年，碳排放量约516.86万吨二氧化碳，仅高出2020年碳排放量约28%。
3.4 不同情景下数据中心低碳减排潜力
对不同情景下的数据中心碳排放组成、减排量和减排比例进行分析，可以看出，数据中心IT设备的减排潜力最大，冷却系统和供配电系统等其他设备的减排潜力较小，这是因为对于数据中心而言，IT设备占比最大，并且随着PUE的进一步降低，冷却系统和供配电系统等其他设备的能耗占比进一步降低，因此减排量远不如IT设备。如图3所示，在基准情景下，到2030年，数据中心碳排放量比2020年提高了335.3%，碳排放增幅非常大。在高效低碳情景下，由于IT设备本身的碳排放量较低，所以相比于基准情景，高效低碳情景下数据中心可减排量主要是由新建数据中心和老旧数据中心的其他设备贡献的。在低碳控制情景中，由于清洁能源的使用，数据中心IT设备和其他设备的减排量均显著提高，相比于节能控制情景，碳排放量降低了58.4%。在高效低碳情景中，由于清洁能源的使用量进一步提高，数据中心IT设备和其他设备的碳排放量相比于低碳控制情景进一步降低，相比于基准情景降低了约70.5%，效果显著。
图 3 不同情景下某省数据中心碳排放量
4 数据中心低碳发展路径
对各项数据中心关键节能减排技术进行分析[8-11]，结合不同情景下某省数据中心碳排放发展趋势分析结果，提出某省数据中心低碳发展目标和实 施路径，如表1所示。
表1 某省数据中心低碳发展目标和实施路径
5 结语
本文在摸清某省数据中心发展现状的基础上，对数据中心规模、能耗及碳排放进行预测，通过分析基准情景、低碳控制情景、节能控制情景、高效低碳情景4种情景下碳排放情况，结合数据中心节能减排技术分析，围绕设备能效水平提升和能源结构调整提出某省数据中心的低碳发展路径，促进数据中心绿色低碳发展。
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