數(shù)據(jù)中心在支撐“云大物移智鏈”技術(shù)改造能源系統(tǒng)的同時(shí)，全年保持不間斷運(yùn)行，其能耗強(qiáng)度極高。在燃煤發(fā)電供應(yīng)模式下，數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展導(dǎo)致能源極大消耗，增加數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本的同時(shí)，也產(chǎn)生大量污染物。
因此，數(shù)字經(jīng)濟(jì)下，數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)優(yōu)化方案將成為焦點(diǎn)。一方面要降低負(fù)荷側(cè)數(shù)據(jù)中心本身能耗，另一方面要多使用綠電。在夏熱冬暖、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，天然氣分布式能源更加適用于數(shù)字中心。同時(shí)，對(duì)于數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)的頂層設(shè)計(jì)，應(yīng)發(fā)揮好綜合能源系統(tǒng)的潛力。
（文丨王永真 高峰 張靖）
“云大物移智鏈”趨勢(shì)下的數(shù)據(jù)中心能耗將快速增長(zhǎng)
2019年10月24日，中共中央政治局針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了集體學(xué)習(xí),并肯定了區(qū)塊鏈技術(shù)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中的重要地位。事實(shí)上，區(qū)塊鏈同“云大物移智”、5G技術(shù)一并，將與實(shí)體經(jīng)濟(jì)不斷深度融合，是建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)、共享經(jīng)濟(jì)，培育新增長(zhǎng)點(diǎn)、形成新動(dòng)能的重要支撐。而借助“去中心化”和“分布式賬本”的理念，區(qū)塊鏈能夠被各行各業(yè)應(yīng)用于解決“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”下數(shù)據(jù)管理與交易的誠(chéng)信問(wèn)題，將助推“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”的快速健康發(fā)展。
而“云大物移智鏈”技術(shù)在金融、物流、能源、交通、公益、教育、版權(quán)和保險(xiǎn)等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，也存在諸如存儲(chǔ)空間有限、處理數(shù)據(jù)量劇增導(dǎo)致能耗升高等問(wèn)題。數(shù)據(jù)中心作為“云大物移智鏈”技術(shù)的主要運(yùn)營(yíng)載體，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其在存放海量數(shù)據(jù)的同時(shí)，也為網(wǎng)絡(luò)計(jì)算提供必要的管理與計(jì)算。
數(shù)據(jù)中心在支撐“云大物移智鏈”技術(shù)改造能源系統(tǒng)的同時(shí)，全年保持不間斷運(yùn)行，其能耗強(qiáng)度很高。作為能源行業(yè)解決方案從業(yè)者，除了關(guān)注區(qū)塊鏈對(duì)能源系統(tǒng)的改造外，也需要從能源消費(fèi)與供應(yīng)視角關(guān)注區(qū)塊鏈能耗需求的發(fā)展趨勢(shì)，以及何種能源系統(tǒng)可支撐數(shù)據(jù)中心因應(yīng)用區(qū)塊鏈而帶來(lái)的能源消耗。
近十年來(lái)，在數(shù)字化浪潮下，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算和存儲(chǔ)、高速無(wú)損網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的研發(fā)，提出了更高要求，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和能耗也持續(xù)快速增長(zhǎng)?！度珖?guó)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用發(fā)展指引2018》顯示，截至2017年底，我國(guó)在用數(shù)據(jù)中心的機(jī)架總規(guī)模達(dá)166萬(wàn)架，比2016年增長(zhǎng)了33.4%。超大型數(shù)據(jù)中心共計(jì)36個(gè)，機(jī)架規(guī)模達(dá)到28.3萬(wàn)架；大型數(shù)據(jù)中心共計(jì)166個(gè)，機(jī)架規(guī)模達(dá)到54.5萬(wàn)架；《點(diǎn)亮綠色云端：中國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》顯示，2018年我國(guó)數(shù)據(jù)中心總用電量約160 TWh，比上海市2018年全社會(huì)用電量還多，已占我國(guó)全社會(huì)用電量的2.4%。
作為比特幣的底層技術(shù)，去中心化、分布式賬本的區(qū)塊鏈被很多人認(rèn)為是打破信息孤島、降低數(shù)據(jù)管理成本，進(jìn)而改變商業(yè)生態(tài)的未來(lái)技術(shù)。隨著信息系統(tǒng)冗余度的增加，數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)和交易量也將隨之增長(zhǎng)，相應(yīng)的能耗將不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)塊鏈1.0的比特幣模式，單個(gè)交易數(shù)據(jù)量雖僅為250b，單次存儲(chǔ)、交易能耗卻高達(dá)652 kWh。據(jù)預(yù)測(cè)，2023年我國(guó)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量或達(dá)10ZB，假設(shè)部分?jǐn)?shù)據(jù)要應(yīng)用“區(qū)塊鏈技術(shù)”上鏈存儲(chǔ)與交易，粗略估計(jì)，如前述1/220比例的數(shù)據(jù)量通過(guò)數(shù)據(jù)指紋的形式上鏈，那么，2023年中國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用將新增能耗約536 TWh，將占到2023年我國(guó)電力預(yù)測(cè)消費(fèi)的5.8%，是屆時(shí)區(qū)塊鏈技術(shù)未實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用下的數(shù)據(jù)中心預(yù)測(cè)能耗的2倍左右，此時(shí)數(shù)據(jù)中心的總能耗將占到2023年全社會(huì)電力消費(fèi)的8.8%。實(shí)際上，2010年，信息通訊技術(shù)領(lǐng)域消耗的能源已經(jīng)占據(jù)了德國(guó)總能耗的11%?？偟膩?lái)說(shuō)，作為發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)正處于“互聯(lián)網(wǎng)+”帶動(dòng)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展期，特別是區(qū)塊鏈的應(yīng)用，我國(guó)數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題也必將越來(lái)越突出。因此，需要重視數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題，尋找合理的低成本、可持續(xù)的數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)解決方案。
現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)與消費(fèi)存優(yōu)化空間
數(shù)據(jù)中心一般由所在地電網(wǎng)或?qū)Ｓ玫陌l(fā)電設(shè)施提供電能，且多基于燃煤發(fā)電模式。電能主要用于IT系統(tǒng)及設(shè)備、空調(diào)散熱系統(tǒng)、照明設(shè)備等三個(gè)部分。據(jù)《全國(guó)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用發(fā)展指引2018》報(bào)告，全國(guó)在用超大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.63，大型數(shù)據(jù)中心平均PUE為1.54。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心有四大用能特征。
一是能耗強(qiáng)度高。數(shù)據(jù)中心機(jī)架的額定負(fù)荷在2 kW到8 kW之間，一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)量可達(dá)3000個(gè)以上。數(shù)據(jù)機(jī)房單位面積能耗約為800-1000 W/㎡，能耗成本也是數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本的主要部分。
二是冷負(fù)荷需求較大。機(jī)架主機(jī)消耗的電能95%以上變成了熱能，加上其它建筑冷負(fù)荷，為了保障主機(jī)的安全運(yùn)行，需要大量的冷能來(lái)維持?jǐn)?shù)據(jù)中心的恒溫恒濕環(huán)境，數(shù)據(jù)中心的熱（冷）電比往往在1左右，甚至大于1。
三是供能可靠性要求高。數(shù)據(jù)中心幾乎需要全年不間斷運(yùn)行，對(duì)電能、冷能供應(yīng)的安全性要求極高，一般需要2路以上市電供應(yīng)以及大量不間斷電源做備用。
四是用能負(fù)荷及熱電比穩(wěn)定。數(shù)據(jù)中心能量一般用于較為恒定的計(jì)算量及空調(diào)系統(tǒng)，表現(xiàn)出全年及典型日較為穩(wěn)定的負(fù)荷特征，同時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷能耗與其他電力的能耗之比恒定。
在燃煤發(fā)電供應(yīng)模式下，數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展導(dǎo)致能源極大消耗，增加數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本的同時(shí)，也產(chǎn)生大量污染物。如，2018年全國(guó)數(shù)據(jù)中心使用火電約為117 TWh，造成SO2排放23436噸，NOx22264噸，CO29855萬(wàn)噸。
因此，數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)優(yōu)化方案成為焦點(diǎn)。
一方面要降低負(fù)荷側(cè)數(shù)據(jù)中心本身能耗。包括采用更節(jié)能的機(jī)架、服務(wù)器及機(jī)組運(yùn)行策略和配電系統(tǒng)，空調(diào)散熱系統(tǒng)能耗的優(yōu)化，自然或免費(fèi)冷源的使用。
另一方面要多使用源側(cè)清潔、綠色的電力。我國(guó)貴州“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”近幾年的快速發(fā)展，也離不開(kāi)其“涼爽、多水”的生態(tài)環(huán)境和能源資源優(yōu)勢(shì)，給數(shù)據(jù)中心的布置創(chuàng)造了天然的優(yōu)良條件。
原因之一是貴州全年氣溫適中，夏季較為涼爽，喀斯特地貌豐富，可以降低數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗和成本。
原因之二是豐富的水力資源以及較低的水電成本，降低了數(shù)據(jù)中心的耗電成本，為大數(shù)據(jù)及其相關(guān)企業(yè)的發(fā)展降低了運(yùn)營(yíng)成本。而對(duì)于在北方需要供暖的地區(qū)，可采取直接或間接的方式對(duì)數(shù)據(jù)中心的余熱進(jìn)行回收利用。
天然氣適用于為夏熱冬暖、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)數(shù)據(jù)中心供能
位于夏熱冬暖地區(qū)的廣東省，是我國(guó)未來(lái)城市發(fā)展、數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先行區(qū)，社會(huì)發(fā)展程度高，能源需求大且能源資源稟賦不足。
但相對(duì)于貴州，廣東省，特別是粵港澳大灣區(qū)的大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)則沒(méi)有上述“涼爽、多水”和“低成本綠電”的比較優(yōu)勢(shì)，且粵港澳大灣區(qū)地處夏熱冬暖地區(qū)，能源供給對(duì)外依存度極高。這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負(fù)荷、PUE值、運(yùn)營(yíng)電力成本都較高。
同時(shí)，不同于貴州，粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)高、城市化發(fā)展程度高，數(shù)據(jù)中心周邊也存在大量的工業(yè)、辦公及居民用能負(fù)荷剛需。同時(shí)此類(lèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)往往也是“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”規(guī)模比較靠前的區(qū)域。如繼續(xù)按照原有數(shù)據(jù)中心市電供應(yīng)方式，粵港澳大灣區(qū)數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)將會(huì)越來(lái)越緊張。
進(jìn)而，構(gòu)建匹配夏熱冬暖負(fù)荷特性、計(jì)及數(shù)據(jù)中心用能特征的園區(qū)能源供應(yīng)系統(tǒng)，也將成為粵港澳大灣區(qū)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。綜合能源系統(tǒng)就是通過(guò)能源的梯級(jí)利用、綜合利用、耦合互補(bǔ)和互聯(lián)互濟(jì)等方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域用戶(hù)能量的高效、清潔、經(jīng)濟(jì)和可靠供應(yīng)。從綜合能源系統(tǒng)效率來(lái)講，天然氣分布式能源系統(tǒng)效率高，特別適合熱電比穩(wěn)定且適中的數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷特征。
進(jìn)而，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢(shì)，因地制宜，構(gòu)建基于天然氣分布式能源系統(tǒng)、匹配資源和負(fù)荷特征的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)。
相較于傳統(tǒng)的電力分供系統(tǒng)，構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心綜合能源能源系統(tǒng)具備七大特點(diǎn)：
一是系統(tǒng)就近布置，采用天然氣發(fā)電，余電可上網(wǎng)，是電力供應(yīng)緊張、電網(wǎng)容量不足區(qū)域新建用電強(qiáng)度極高數(shù)據(jù)中心的優(yōu)選方案。
二是系統(tǒng)分布式就近布置，可孤網(wǎng)運(yùn)行，能源供應(yīng)可靠性高，可提高數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，符合數(shù)據(jù)中心用能的可靠性要求。
三是能量梯級(jí)利用，既發(fā)電又供冷，且系統(tǒng)輸出熱電比與數(shù)據(jù)中心負(fù)荷熱電比較匹配，供需之間損失小，系統(tǒng)綜合能源利用效率可達(dá)70%以上，符合區(qū)域發(fā)展的高效原則。
四是系統(tǒng)運(yùn)行清潔環(huán)保，天然氣分布式能源系統(tǒng)的年碳排放以及污染物較煤電分供排放低，符合區(qū)域清潔發(fā)展的環(huán)保倡議。
五是與煤電以及綠電分供系統(tǒng)相比，天然氣分布式能源系統(tǒng)投資雖高，但年運(yùn)行費(fèi)用低，保證了有效的投資回報(bào)率，降低了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本，具備經(jīng)濟(jì)可行性。
六是系統(tǒng)運(yùn)行靈活，可作為電網(wǎng)的調(diào)峰電源，并可設(shè)置儲(chǔ)冷、儲(chǔ)電等單元，結(jié)合當(dāng)?shù)胤謺r(shí)、梯級(jí)電價(jià)以及天然氣成本進(jìn)行靈活運(yùn)行。
七是具備良好的擴(kuò)展互動(dòng)功能，可與周邊用能單元集成，共筑能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源參與者的友好互動(dòng)、多方共贏。
▲基于天然氣聯(lián)供的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)供能示意圖
因此，如上圖所示，當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)基于天然氣分布式能源系統(tǒng)，并引入原動(dòng)機(jī)煙氣余熱回收有機(jī)朗肯熱功循環(huán)和低品位熱能利用的地源熱泵系統(tǒng)，與電網(wǎng)供電和電壓縮制冷相結(jié)合，構(gòu)建天然氣多能互補(bǔ)冷熱電綜合能源系統(tǒng)，將有力支撐數(shù)據(jù)中心及其周邊區(qū)域的冷、熱、電需求，保證綜合能源系統(tǒng)較好的能量、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。
用綜合能源系統(tǒng)做好數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)“頂層設(shè)計(jì)”
實(shí)際上，雖然我國(guó)天然氣大量依靠進(jìn)口，但就國(guó)際天然氣市場(chǎng)來(lái)看，天然氣的資源端和供應(yīng)端都是寬松的。自2016年以來(lái)，國(guó)家發(fā)布了相關(guān)政策鼓勵(lì)天然氣分布式能源在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。如，上海騰訊青浦?jǐn)?shù)據(jù)中心的天然氣分布式能源系統(tǒng)的供電量占整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電量的39%，制冷量占到30%。但由于氣價(jià)波動(dòng)、氣源供應(yīng)、運(yùn)行設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)性規(guī)劃的缺乏，以及對(duì)天然氣分布式能源系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)的不足，部分項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行的效益也受到了一些爭(zhēng)議，面臨著氣價(jià)波動(dòng)、規(guī)劃不合理導(dǎo)致設(shè)備利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益低的問(wèn)題。
因此，在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃前期，有必要統(tǒng)籌規(guī)劃，因地制宜，基于天然氣分布式能源及綠色電力供應(yīng)，打造天然氣與綠色電力的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)，做好數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)的“頂層規(guī)劃”，才能有助于數(shù)據(jù)中心的高效、綠色、經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)行。將分布式能源系統(tǒng)提前納入園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施一體化建設(shè)規(guī)劃，同時(shí)能源服務(wù)企業(yè)提前介入，有利于提升園區(qū)專(zhuān)業(yè)化高質(zhì)量全生命周期的能源服務(wù)，提升園區(qū)環(huán)境品質(zhì)和用戶(hù)舒適度同時(shí)，對(duì)招商引資具促進(jìn)作用?；谔烊粴夥植际侥茉?，打造面向數(shù)據(jù)中心及其園區(qū)的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的“頂層設(shè)計(jì)”。
在規(guī)劃前期，做好相似負(fù)荷特征數(shù)據(jù)中心用能系統(tǒng)的案例調(diào)研，結(jié)合區(qū)域發(fā)展總規(guī)及控規(guī)（天然氣管網(wǎng)、LNG門(mén)站和電網(wǎng)規(guī)劃、綠電發(fā)展規(guī)劃），從能的“量”和“質(zhì)”視角，做好數(shù)據(jù)中心內(nèi)部余熱資源及其周邊負(fù)荷特征、資源品質(zhì)以及時(shí)空分布的辨識(shí)。在概念階段，結(jié)合天然氣分布式能源系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)及能源互聯(lián)網(wǎng)的基本特征，基于網(wǎng)絡(luò)耦合及啟發(fā)式方法，統(tǒng)籌冷、熱、電、氣等能源供應(yīng)設(shè)備的轉(zhuǎn)化特性，架構(gòu)滿(mǎn)足計(jì)及數(shù)據(jù)中心及其周邊能源負(fù)荷需求的能源供應(yīng)拓?fù)洹?
在綜合規(guī)劃方面，確定數(shù)據(jù)中心用能的邊界及約束條件。考慮灰色模型及能源價(jià)格，制定系統(tǒng)運(yùn)行策略，基于能源樞紐規(guī)劃方法，進(jìn)行計(jì)及數(shù)據(jù)中心的綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)配置（容量及數(shù)量）、能量-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境的多屬性綜合評(píng)價(jià)與比選，避免設(shè)備利用率低的問(wèn)題。在場(chǎng)景刻畫(huà)上，基于業(yè)主、政府、社會(huì)等多用戶(hù)需求，基于區(qū)域供能短、中、長(zhǎng)期規(guī)劃及情景分析，設(shè)計(jì)考慮運(yùn)營(yíng)環(huán)境及用戶(hù)感受的供能價(jià)格體制，刻畫(huà)計(jì)及數(shù)據(jù)中心的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)物理層、信息層和應(yīng)用層的技術(shù)場(chǎng)景、建設(shè)模式和服務(wù)模式。
（作者均供職于清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院）
