能源互聯(lián)網(wǎng)如何助力“新基建”——數(shù)據(jù)中心“能耗大戶”的摘帽？
文 | 王永真 趙偉 張靖
作者供職于清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院
以“云大物移智鏈”為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助推數(shù)字經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，將會有海量的數(shù)據(jù)需要感知、存儲、加密、傳輸、調(diào)用、計算以及交易。進而，作為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的重要載體，新基建——數(shù)據(jù)中心的存儲、計算、運營的“算力”將不斷提高。
但伴隨“算力”的提高，數(shù)據(jù)中心的運行能耗及其運行成本也將面臨不斷攀升的可能。如在發(fā)達國家數(shù)據(jù)中心集約化發(fā)展逐漸成熟的趨勢下，2019年我國數(shù)據(jù)中心數(shù)量大約有7.4萬個，大約能占全球數(shù)據(jù)中心總量的23%，數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模達到227萬架，并有增加的趨勢。
因此，如果沒有全國一盤棋的數(shù)據(jù)中心的集約化發(fā)展頂層規(guī)劃，以及先進供能技術(shù)和節(jié)能服務(wù)器的規(guī)模化應(yīng)用，在我國數(shù)字經(jīng)濟以及新基建發(fā)展趨勢迅猛的背景下，可以預(yù)見，數(shù)據(jù)中心的能耗占比將高于全球的平均水平，我國數(shù)據(jù)中心的“能耗大戶”的帽子在短期內(nèi)則難以摘除。因此，我國乃至全球數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排和降低運營成本面臨巨大挑戰(zhàn)。
進而，“以什么能源及其適配方式來滿足數(shù)據(jù)中心的能耗”，將成為數(shù)據(jù)中心乃至數(shù)字經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題。作為能源互聯(lián)網(wǎng)的從業(yè)者，除了關(guān)注“云大物移智鏈”等信息技術(shù)對能源系統(tǒng)的提質(zhì)增效外，也需要運用能源互聯(lián)網(wǎng)視域的方法論，關(guān)注未來“云大物移智鏈”規(guī)?；瘧?yīng)用后數(shù)據(jù)中心“提質(zhì)增效”的能源問題。數(shù)據(jù)中心的能源系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的典型形態(tài)，其也與能源系統(tǒng)的未來業(yè)態(tài)——能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢相輔相成。如此，數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的提質(zhì)增效，也可以用能源互聯(lián)網(wǎng)的方法論及視域去闡述和優(yōu)化，旨在使數(shù)據(jù)中心能夠更加健康、可持續(xù)地發(fā)展。
可再生能源——數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)的必然趨勢
能源互聯(lián)網(wǎng)的一個重要標簽，就是促進可再生能源的大規(guī)模利用，而數(shù)據(jù)中心作為能耗大戶，在可再生能源使用上有著主動和被動的驅(qū)動力。
隨著風(fēng)電、光電、水電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的成熟以及成本的下降，傳輸通道和功率預(yù)測調(diào)控技術(shù)的不斷發(fā)展，以及我國電力市場化交易機制的不斷完善，可再生能源向數(shù)據(jù)中心供應(yīng)能源的技術(shù)路線將不斷成熟。
全球來看，現(xiàn)有以可再生能源給數(shù)據(jù)中心供電的方式，包括自建可再生能源發(fā)電項目、直接向發(fā)電企業(yè)采購綠電、采購綠色電力證書以及電力現(xiàn)貨市場化交易等方式。但是，我國煤電為主的能源電力結(jié)構(gòu)，制約著數(shù)據(jù)中心對可再生能源的使用。據(jù)測算，2018年我國數(shù)據(jù)中心可再生能源供電量占數(shù)據(jù)中心總用電量的22.95%，比例小于同期全國社會總用電量中可再生能源的消費比重。
我國大部分數(shù)據(jù)中心分布于可再生能源在全社會電力消費量占比較低的省市，如北京、廣東、浙江、江蘇等地。為提高數(shù)據(jù)中心清潔能源應(yīng)用比例，2019年，國家工信部等三部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》中就明確提出，鼓勵數(shù)據(jù)中心直接與可再生能源發(fā)電企業(yè)開展電力交易，購買可再生能源綠色電力證書，提高數(shù)據(jù)中心清潔能源的應(yīng)用比例。
再如，我國貴州的“數(shù)字經(jīng)濟”近幾年快速發(fā)展，離不開其“涼爽、多水”的生態(tài)環(huán)境和能源資源優(yōu)勢，給數(shù)據(jù)中心的布置創(chuàng)造了天然的優(yōu)良條件。一是貴州全年氣溫適中，夏季較為涼爽，可以降低數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗和成本；二是豐富的水力資源，以及較其他省份便宜一半以上的水電成本優(yōu)勢，為大數(shù)據(jù)及其相關(guān)企業(yè)的發(fā)展降低了運營成本。
內(nèi)蒙古則擁有全國省級獨立電網(wǎng)——蒙西電網(wǎng)，以及豐富的風(fēng)光資源，其輸配電價可直接進行電力市場交易，在內(nèi)蒙，數(shù)據(jù)中心和大數(shù)據(jù)企業(yè)可享受0.26元/度電價優(yōu)惠，可大大節(jié)省數(shù)據(jù)中心的運營成本。
另外，為吸引數(shù)據(jù)中心落地，助推數(shù)字經(jīng)濟新動能的發(fā)展，多地還對數(shù)據(jù)中心用電給予補貼，比如2019年山東省數(shù)據(jù)中心用電價格補貼后為0.33元/kWh、河南省正實施補貼細則，擬定數(shù)據(jù)中心的用電可降到0.33元/kWh。
但是，數(shù)據(jù)中心供電的綠色化，并不代表數(shù)據(jù)中心的低能耗。對于綠色能源的使用，雖然可以降低數(shù)據(jù)中心服務(wù)供應(yīng)商的成本，也有益于綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。但從能量守恒看，數(shù)據(jù)中心的能耗與能效并沒有發(fā)生本質(zhì)變化。甚至，對于計算節(jié)點而言，由于綠色能源的過分使用，還可能導(dǎo)致供能系統(tǒng)的冗余設(shè)計及其附帶高能耗，以及降低某些計算節(jié)點的可靠性。所以，在保證數(shù)據(jù)中心利用綠色能源最大化的同時，供能系統(tǒng)的能效優(yōu)化以及節(jié)點的可靠性，也是數(shù)據(jù)中心設(shè)計調(diào)度策略必須考慮的因素之一。另一方面，100%可再生能源利用的初投資及運維費用也是比較大的。
因此，數(shù)據(jù)中心對可再生能源的利用，需要考慮多種能源協(xié)同組合，這也是未來可再生能源應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心所面臨的重要挑戰(zhàn)；另外，數(shù)據(jù)中心末端設(shè)備多用直流供電，隨著我國直流輸配電技術(shù)的發(fā)展以及直流用電設(shè)備的成熟，直流數(shù)據(jù)中心的模式將會對數(shù)據(jù)中心的能效產(chǎn)生積極影響，也有益于數(shù)據(jù)中心對本址內(nèi)外可再生能源的利用。
天然氣——數(shù)據(jù)中心供能的備用補充
能源互聯(lián)網(wǎng)定義以電為中心，并集成冷、熱、電、氣等能源，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合能源效率的提升。那么，數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)，應(yīng)是因地制宜的，也應(yīng)是以提高能源系統(tǒng)綜合效率為目標的。
為貼近用戶提高服務(wù)質(zhì)量，以及帶寬資源的限制，一些數(shù)據(jù)中心仍需要建立在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。但如前述，經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)往往沒有本址可再生能源資源，而且經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)城市發(fā)展較為成熟，往往電力資源緊張，電網(wǎng)增量有限，如粵港澳大灣區(qū)、長三角地區(qū)以及新興經(jīng)濟帶等。因此，需要部分替代能源，以緩解數(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)緊張的形勢。
天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合能源利用率高，且系統(tǒng)輸出的熱電比與數(shù)據(jù)中心的末端需求的冷電比負荷特征十分匹配，進而，能夠優(yōu)化聯(lián)供供能系統(tǒng)的設(shè)備利用率以及數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)能效。
實際上，2017年國家能源局發(fā)布的《關(guān)于加快推進天然氣利用的意見》中，就提出了鼓勵天然氣在產(chǎn)業(yè)園區(qū)、交通樞紐、醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。同時，由于節(jié)能環(huán)保的要求，非居民用天然氣價格的下降，國內(nèi)在建或已經(jīng)建成了多個天然氣分布式能源與數(shù)據(jù)中心相結(jié)合的工程，如北京世紀互聯(lián)數(shù)據(jù)中心、廊坊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)數(shù)據(jù)中心、上海騰訊青浦數(shù)據(jù)中心、中國聯(lián)通德清數(shù)據(jù)中心和廣州超算中心，等等。其中，上海騰訊青浦數(shù)據(jù)中心的天然氣分布式能源系統(tǒng)的供電量，已占到整個數(shù)據(jù)中心供電量的39%，制冷量占到30%。
但由于氣價波動、氣源供應(yīng)、運行設(shè)計以及系統(tǒng)性規(guī)劃的缺乏，加之對天然氣分布式能源系統(tǒng)性能評價的認識不足（比如，對于天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，1m3天然氣 可以等效為4~10kwh電力，具體需要根據(jù)聯(lián)供系統(tǒng)具體的形式來確定，這將對聯(lián)供系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性評價帶來不小影響），部分項目實際運行的效益也受到一些爭議。如某數(shù)據(jù)中心就因氣價波動、規(guī)劃不合理導(dǎo)致了設(shè)備利用率低、系統(tǒng)經(jīng)濟效益不佳的問題。
因此，天然氣聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計，需要基于數(shù)據(jù)中心的負荷特性，要避免“大馬拉小車”等設(shè)計不合理問題造成的設(shè)備利用率低、經(jīng)濟效益差等問題的出現(xiàn)。我國天然氣對外依存度高，國際天然氣市場來看以及南海可燃冰的開發(fā)，天然氣的資源端和供應(yīng)端還有很大的不確定性。因此，需要因地制宜、因時制宜，應(yīng)結(jié)合當?shù)刭Y源稟賦及負荷特性，合理構(gòu)建基于天然氣聯(lián)供以及優(yōu)質(zhì)電力的數(shù)據(jù)中心多能互補綜合能源系統(tǒng)，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供能的高效化、低成本和清潔化。
產(chǎn)消者視角——構(gòu)建融合數(shù)據(jù)中心的綜合能源系統(tǒng)
能源互聯(lián)網(wǎng)在除了基于能的梯級利用外，也為能源的商品化提供廣闊的舞臺，在消費能源的同時，也具備能源的供應(yīng)能力，那么，數(shù)據(jù)中心是一個怎樣的產(chǎn)消者呢？
對有條件的地區(qū)，應(yīng)基于“產(chǎn)消者”視角，做好數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的頂層設(shè)計。數(shù)據(jù)中心完全可以被看作一個具有能源生產(chǎn)和消費雙重身份的“產(chǎn)消者”。一方面，作為能源消費者，數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的首要任務(wù)就是負荷側(cè)能耗的降低。具體措施包括采用更節(jié)能的機架、服務(wù)器及運行策略、配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化，甚至自然或免費冷源的使用，等等。
另一方面，作為能源生產(chǎn)者，數(shù)據(jù)中心也可以供能。實際上，數(shù)據(jù)中心的微處理器、存儲器、逆變器、主板、風(fēng)扇的散熱溫度，在85℃~30℃之間，而且高性能數(shù)據(jù)中心的散熱強度甚至可高達10000W/㎡，即數(shù)據(jù)中心的散熱余熱，可占到數(shù)據(jù)中心總耗電的40%以上。因此，熱工視角下，如果這些余熱得以有效利用，這無疑是一個巨大的中低品位熱源。
近年來，隨著壓縮式熱泵、高效換熱（肋片換熱器、熱管）、相變蓄能與水蓄能等中低品位熱能高效回收與利用技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)據(jù)中心的余熱回收成為可能。比如北歐一些國家，已經(jīng)應(yīng)用熱泵技術(shù)回收數(shù)據(jù)中心大量的低品位熱源余熱，用于周邊建筑的采暖、生活熱水或游泳池水溫的加熱，如此，節(jié)省建筑采暖費用的同時，還能夠降低數(shù)據(jù)中心散熱能耗。再如，按現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心規(guī)模，我國北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心的可回收余熱總量約有10GW，這意味著，不需要再消費另外能源，便可實現(xiàn)3億㎡左右建筑的供暖，并實現(xiàn)二氧化碳減排約1000萬噸。
但是，作為“產(chǎn)消者”的數(shù)據(jù)中心，既要考慮自身能效的提升，又要考慮上下游能源的供應(yīng)和需求，例如上游能源資源功率和價格波動的特性，能夠利用能源種類、數(shù)量等；下游要考慮負荷的種類、波動、用能成本及可靠性、社會環(huán)境效益等，其節(jié)能減排的措施會變得復(fù)雜。但是從全局優(yōu)化的角度看，產(chǎn)消者視域下數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的效率會大大提高，運營成本也會實現(xiàn)優(yōu)化，同時能夠與周邊能源供應(yīng)與消費形成良好互動，實現(xiàn)上下游能源系統(tǒng)節(jié)能減排的共贏。
因此，建議有條件的地區(qū)，應(yīng)將數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的規(guī)劃，提前納入所在園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施一體化建設(shè)規(guī)劃或城市建設(shè)及供暖規(guī)劃，統(tǒng)一施策，這樣，不光有利于提供更加優(yōu)質(zhì)的綜合能源及服務(wù)，解決數(shù)據(jù)中心高能耗、低能效的問題，也對城市建設(shè)和發(fā)展的招商引資具積極的推動作用。
健全評價體系——打造數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的指導(dǎo)原則
數(shù)據(jù)中心作為一個典型的能源系統(tǒng)，與能源互聯(lián)網(wǎng)一樣，更精細、更全面能源系統(tǒng)的多目標優(yōu)化及評價，是“能源不可能三角”約束下數(shù)據(jù)中心提質(zhì)增效的應(yīng)有之義。
在數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的綜合評價方面，電能利用效率（PUE）、電能使用效率（EEUE）或基礎(chǔ)設(shè)施效率（DCiE），是數(shù)據(jù)中心能耗水平的主要評價指標，但其僅停留在熱力學(xué)第一定律的視角，尚沒有從熵、?的視角去分析和挖掘數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的能效。而且PUE所衡量的，只是輸入到IT設(shè)備的能耗與數(shù)據(jù)中心總輸入能耗之間的關(guān)系，并不能全面比較數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的有效輸出與系統(tǒng)總輸入之間的關(guān)系。同時，數(shù)據(jù)中心的PUE評價，并沒有考慮數(shù)據(jù)中心的碳排放，而新制定的CUE標準，也只是考慮碳排放而沒有涉及數(shù)據(jù)中心的能源能效。還有，Performance/Watt或者Dollar/Watt指標，分別評價的是數(shù)據(jù)中心單位能耗所提供的性能和收益。
同時，數(shù)據(jù)中心在考慮高效、經(jīng)濟運行的同時，應(yīng)盡量實現(xiàn)綠色運行。如此，會出現(xiàn)不同屬性評價和優(yōu)化指標“相?！敝g的權(quán)衡問題。比如，數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化目標一般包括：最大化可再生能源利用率、最小化能源成本、最小化碳排量，而這三者之間，往往存在一定的相關(guān)性和相悖性。另外，“數(shù)據(jù)中心綠色等級認證”，雖然從能源效率、節(jié)能技術(shù)、綠色管理等維度對數(shù)據(jù)中心進行了綜合評估，但仍難以清晰揭示數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的能流分布及用于系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。
另外，我國的數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，也逐漸形成了數(shù)據(jù)中心的標準體系?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)中心能效的相關(guān)標準包括：數(shù)據(jù)中心能源管理效果評價導(dǎo)則、數(shù)據(jù)中心能源利用測量和評估規(guī)、云計算數(shù)據(jù)中心能效評估方法、數(shù)據(jù)中心能源管理體系實施指南、數(shù)據(jù)中心能源效率限額、能效及排放技術(shù)要求和評測方法、數(shù)據(jù)中心制冷與空調(diào)設(shè)計標準、數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分：電能能效要求和測量方法、電信互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）的能耗測評方法、綠色數(shù)據(jù)中心評價標準等。
但是，相對于數(shù)據(jù)中心的快速建設(shè)及信息通信技術(shù)的更新迭代速度，數(shù)據(jù)中心“能效”方面的標準還相對不足，特別是數(shù)據(jù)中心能效方面的國標和行業(yè)標準還有較大欠缺，未能跟上數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的更新速度。因此，需要建立健全數(shù)據(jù)中心的能耗優(yōu)化評價指標，以及面向不同等級及氣候區(qū)域的數(shù)據(jù)中心能效評價標準。
頂層規(guī)劃——數(shù)據(jù)中心提質(zhì)增效的必要環(huán)節(jié)
頂層規(guī)劃不光是能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)，更是新基建數(shù)據(jù)中心規(guī)?？焖侔l(fā)展下提質(zhì)增效的重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)中心的頂層規(guī)劃，應(yīng)與其能源系統(tǒng)的頂層設(shè)計統(tǒng)籌考慮。
據(jù)統(tǒng)計，相對于發(fā)達國家，目前我國多數(shù)數(shù)據(jù)中心的資源利用率較低。主要原因可歸結(jié)為，數(shù)據(jù)中心為了追求高性能、保證服務(wù)質(zhì)量和可靠性，通常采用冗余的設(shè)計運行策略。因此，不論當前負載如何，大多服務(wù)器都將處于冗余、待機的運行狀態(tài)。進而，加之數(shù)據(jù)中心在全國層面不太均衡的發(fā)展建設(shè)，導(dǎo)致我國數(shù)據(jù)中心較低的低資源利用率，導(dǎo)致巨大的資源浪費的同時，也會加重數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)、配電裝置等配套設(shè)備能耗的投入，致使數(shù)據(jù)中心的能耗成本可達到數(shù)據(jù)中心運行成本的50%左右。
因此，數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)的提質(zhì)增效，首先要解決好數(shù)據(jù)中心的利用率問題，而數(shù)據(jù)中心利用率的提高，重點也在于做好全面、合理的數(shù)據(jù)中心規(guī)劃。
一方面，隨著新基建的開展和落實，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)勢必會在全國各地快速上馬。因此，需要做好數(shù)據(jù)中心建設(shè)的頂層規(guī)劃。在滿足市場有效需求前提下，積極統(tǒng)籌、合理控制各地據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模，盡可能地優(yōu)化數(shù)據(jù)中心可承載的帶寬和資源量，盡可能地避免數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)性過剩與業(yè)務(wù)量不均衡的問題，保證全國數(shù)據(jù)中心平均利用率的提高。
另一方面，要做好數(shù)據(jù)中心“算力”、“能效”、“成本”的同步優(yōu)化。過去由于對“算力”的注重，對數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化，往往是基于IT負載調(diào)度供電系統(tǒng)的優(yōu)化，即一個局部的單目標優(yōu)化，很可能會帶來其他子系統(tǒng)性能的降低。如單純優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的計算系統(tǒng)，通常是在配套設(shè)備冗余保證條件下，而這無疑將導(dǎo)致制冷設(shè)備等配套設(shè)施的過大設(shè)計以及運行成本的增加。
其次，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)要統(tǒng)籌集中式與分布式并存。隨著全國各地數(shù)據(jù)服務(wù)請求的爆發(fā)式增加，特別是5G及邊緣計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心也有從集中式轉(zhuǎn)為分布式的現(xiàn)象。而基于地理分布的數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)性布局，能夠更好地匹配區(qū)域電價的時空差異、不同數(shù)據(jù)中心計算能力和帶寬的差異，以及服務(wù)請求的時延差異等，進而可以為用戶提供安全、可靠的計算服務(wù)。同時，經(jīng)過對數(shù)據(jù)中心“算力”的合理布局、需求側(cè)響應(yīng)調(diào)度機制的應(yīng)用，以及未來數(shù)據(jù)中心“算力”的削峰填谷與互聯(lián)共享等市場化手段，可以從宏觀上有效優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的計算能耗，提高數(shù)據(jù)中心的能效水平以及利用率。
另外，國家電網(wǎng)公司倡導(dǎo)的面向社會服務(wù)“多站融合”的建設(shè)與運營模式，也給數(shù)據(jù)中心在全壽命周期內(nèi)的“提質(zhì)增效”提供了一個新的途徑。
多站融合，就是將變電站、充換電站、儲能站和數(shù)據(jù)中心等集于一體，實現(xiàn)共建、共享、共治和共贏。隨著分布式電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，變電站的功能將包括儲能、電力變換等功能，能量的傳輸也從單向變成了雙向，電力的調(diào)度就變得非常復(fù)雜，所需要采集的數(shù)據(jù)也劇烈增加。因此，在儲能站的基礎(chǔ)之上，還可配合數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。同時，數(shù)據(jù)中心可以在服務(wù)電網(wǎng)自身的能量分配與管控外，還可以作為數(shù)字經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)其他行業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)。
致謝：感謝中國世界貿(mào)易組織研究會林承楨教授級高級工程師對本文的指導(dǎo)。
