“碳达峰、碳中和”背景下数据中心绿色高质量发展研究报告.pdf

p数据中心绿色高质量发展研究报告 “碳达峰、碳中和”背景下 国家信息中心 | 贵州省大数据发展管理局 | 华为技术有限公司 | 粤港澳大湾区大数据研究院 2022年5 月在数字经济时代数据成为重要的生产要素，与土地、资本和劳动力等有形的生产要素不同， 数据需要通过挖掘利用才能显示其价值。数据挖掘是大数据产业链中主要一环，数据挖掘需要算 力，发展算力已成为世界上主要国家的战略选择。算力包括支持科学计算的超算、专用于人工智 能计算的 AI 中心、政企单位自建的数据中心和面向公众的互联网数据中心，此外 PC 和手机等个 人终端也具有一定的算力。 据预测在 “十四五” 期间我国数据中心算力将以年均 20 的速度递增。 互联网数据中心是算力的底座，我国十分重视数据中心的建设，最近国家部署建设全国一体化大 数据中心协同创新体系算力枢纽，东数西算工程是其中的主体，这不仅是信息技术新时代的新基 建，也是数字经济的平台和网络强国的重要举措，还是实现双碳目标的重要路径。 数据中心的建设与运行将促进企业数字化转型包括支持能源结构调整和产业结构调整，助力 碳达峰碳中和。有资料分析并预测，到 2030 年全球信息技术帮助各行各业减碳的量是信息技术 自身排放量的十倍， 尽管如此， 降低信息技术产品自身的能耗仍然是值得重视的。 以数据中心为例， 2020 年我国数据中心能耗约占全社会 2，过去 8 年年均增速 12，能源成本已占数据中心总 成本的一半，因此减碳既是企业的社会责任并体现为社会效益，也将产生经济效益。数据中心的 绿色高质量发展首先要着眼于提升能效， 同时还要兼顾可扩展性、 可靠性、 安全性、 投资回报等， 需要从节能减排技术、 区域布局、 数据中心体系架构、 数据中心产业链、 数据中心运营管理模式、 算网协同等多维度共同发力， 可见绿色数据中心的建设与运行需要以系统工程的思维来综合考虑。 本报告分析数据中心及一体化大数据算力枢纽绿色高质量发展面临的挑战，提出了破解思路 与解决方案，指出在建设阶段与运营阶段分别需要注意的问题，从供配电、制冷、存储、算力网 络、源网荷储协同等多方面给出节能方案，并归纳了推动绿色数据中心规模部署的专项建议。本 报告是编写单位长期研究心得与实践经验的总结，不仅内容全面、技术先进，而且案例实用，有 可操作性，对我国数据中心的建设尤其是实施东数西算工程有很好的示范意义，本报告展示的节 能减排技术方向值得进一步创新发展，期待本报告能激励更多有志于发展数据中心的科技工作者 在绿色高质量发展方面做出更大的贡献。 序 言 中国工程院院士专家指导组成员 执行组成员 编制组成员 刘宇南 国家信息中心主任 周 民 国家信息中心副主任 于施洋 国家信息中心大数据发展部主任 娄 松 贵州省大数据发展管理局副局长 鞠德刚 华为技术有限公司数据中心解决方案总经理 陈学义 粤港澳大湾区大数据研究院理事会理事长 王建冬 国家信息中心大数据发展部规划与应用处处长 粤港澳大湾区大数据研究院院长 吴启疆 贵州省大数据发展管理局项目投资处处长 费珍福 华为数字能源技术有限公司数据中心能源领域总裁 国家信息中心大数据发展部 郭明军 规划与应用处副处长 童楠楠 规划与应用处副处长 易成岐 规划与应用处副研究员 陈 东 规划与应用处高级工程师 赵 正 规划与应用处助理研究员 窦 悦 规划与应用处助理研究员 黄倩倩 规划与应用处助理研究员 李慧颖 规划与应用处工程师 马 骁 规划与应用处研究实习员编制组成员 贵州省大数据发展管理局 刘 梅 高级工程师 华为技术有限公司 窦雪峰、张华桦、谢黎明、张磊、赵晓靓、夏卓新 粤港澳大湾区大数据研究院 李 琳 常务副院长 王新玉 总规划师 吴 茜 工程中心工程咨询组组长 李昌旺 工程中心工程研究组 梁楚夷 工程中心工程研究组 王天瑞 工程中心工程研究组 李会永、黄锦波、杨嘉、魏智杰、李宝宇、刘培国、张超、翟爽、 折楠、沈瑞、牛翔平、高福信、李艳、程炜、蓝飞翔、周胡根的 大力支持 云上贵州大数据产业发展有限公司 蔡 培 高级规划咨询师 唐 虎 高级规划咨询师 鸣谢 版权声明 本文档著作权属于国家信息中心 、贵州省大数据发展管理局 、华为技术有限 公司、粤港澳大湾区大数据研究院共同所有，保留一切权利。 转载 、摘编或以任何方式使用本文档的全部或部分内容 ，应注明来源 ，违反 上述声明者，著作权方将追究其相关法律责任。 免责声明 本文档信息不构成任何要约或承诺 ，编制单位不对您在本文档上做出的任何 行为承担责任。编制单位可能不经通知修改上述信息，恕不另行通知。目 录 1. 时代背景 2. 趋势洞察 3. 全新挑战 4. 核心价值 5. 解决思路及专项建议 结束语 43 附录 绿色节能数据中心优秀实践 西部区域数据中心重点关注集约化和绿色化 44 东部区域数据中心重点关注高算力和高能效 49 1.1 数据中心绿色高质量发展的内涵要义 01 1.2“碳达峰、碳中和”提出的时代背景 02 1.3 数据中心产业变革的必然趋势 02 2.1 政策趋势 04 2.1.1 国际数据中心绿色高质量发展相关政策 04 2.1.2 国内数据中心绿色高质量发展相关政策 06 2.2 技术趋势 09 2.2.1 设计建设阶段采用的技术 10 2.2.2 运营阶段采用的技术 11 2.3 应用趋势 14 3.1 单体数据中心面临的新挑战 17 3.1.1 数据中心 PUE 值偏高问题，节能新技术的应用程度有待提高 17 3.1.2 中国数据中心企业在建设模式上需要升级 17 3.1.3 数据中心能耗测算方法“双重失真”问题 18 3.2 全国一体化大数据中心发展面临的挑战 18 3.2.1 数据中心发展不平衡不充分的结构性问题 18 3.2.2 算力调度面临网络需要优化和资费偏高问题 19 3.2.3 数据中心行业对清洁能源的开发利用还有较大提升空间 19 4.1 推动数据中心降本增效 20 4.2 促进传统产业数字化转型升级 21 4.3 助力实现全行业节能降碳 21 5.1 推动数据中心绿色高质量发展总体思路 23 5.2 单体数据中心解决方案及专项建议 23 5.2.1 解决方案 23 5.2.2 专项建议 38 5.3 全国一体化大数据中心解决方案及专项建议 39 5.3.1 解决方案 39 5.3.2 专项建议 4101 1.1 数据中心绿色高质量发展的内涵要义 党的十八大以来，我国数字经济蓬勃发展，对构建现代化经济体系、实现高质量发展的支撑 作用不断凸显。随着各行业数字化转型升级进度加快，不仅对数据存储、计算和应用需求大幅提 升，对用能需求也呈现快速增长态势，数据中心迎来了爆发式增长，过快的需求增长以及业务扩 张给数据中心行业带来了巨大的资金和业务压力。另外，数据中心算力分布不均衡、整体能耗难 以把控、精细化管理实现困难等问题快速浮现，为整个行业今后的健康成长提出了更高要求。在 全行业深化数字化转型时代机遇下，为了进一步推动数据中心行业的高质量发展，需要时刻保持 面向全局的战略思维，针对当前和未来可能预见的问题，从布局优化、技术升级、管理精细化等 角度持续进行深入细致研究，全面推动数据中心绿色高质量发展。 高质量发展的核心要义是要全面体现“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念，其 本质内涵是要以满足人民日益增长的美好生活需求为目标的高效率、公平和可持续发展。数据中 心是未来经济社会发展的战略资源和数字基础设施。数据中心的高质量发展应贯彻新发展理念， 构建新发展格局，统筹处理好发展和减排、整体和局部、短期和中长期的关系，加强数据、算力 和能源之间的协同联动，加快推动关键技术创新，坚定不移走高质量发展之路。数据中心高质量 发展的内涵从不同角度切入，可以包括绿色、协同、统筹、智能等，而数据中心绿色高质量发展 研究报告着重从绿色和协同角度切入分析，并提出相关解决方案和配套的专项建议。 绿色是指要采用创新节能技术，在保证业务性能的前提下尽可能提升设备的能效和工作效 率，通过采用精细化、智能化的管理方式，在各个层面优化对资源的调配和管理。另外，要充分 利用可再生能源优势， 进一步降低碳排放， 进而发挥数据中心作为数字化新基建的基础性支撑作 第一章 | 时代背景 01 时代背景02 “碳达峰、碳中和”背景下 数据中心绿色高质量发展研究报告 用，驱动社会千行百业尽快实现节能降碳的目标。 协同是指要推动超大型或大型数据中心集群、城市高性能计算数据中心、边缘数据中心等不 同层级设施的协同布局规划，实现数据中心与数据中心直连网络、互联网络云网协同，实现数据 中心与绿色可再生能源网络“源 - 网 - 荷 - 储”协同。 1.2 “碳达峰、碳中和”提出的时代背景 气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命系统形 成威胁。最近二百年工业活动的出现和繁荣造就了便利而智能的现代生活，但是数百万年才能形 成的煤炭与石油等初级能源被快速开采， 通过燃烧发电等处理方式使其中的碳再次逸散到大气中， 二氧化碳、甲烷等温室气体的浓度增加使脆弱的气候平衡面临被打破的恶性局面，对脆弱的碳循 环平衡造成了挑战。在这一背景下，大力开展节能降碳，积极应对气候变化是巴黎协定签署 之后世界各国的共识。 与此同时，我国社会也进入了新的发展阶段，无论是来自世界外部的发展趋势还是自身发展 的需求，使得中国的经济发展从追求速度与效率的方式转向生态文明建设，走绿色低碳可持续的 道路。在这样的时代背景下，2020 年 9 月中国明确了“碳达峰、碳中和”目标，标志着中国对 促进经济高质量发展，社会繁荣和生态环境保护的决心。通俗来讲，碳达峰是指二氧化碳排放量 在 2030 年达到最大值，之后进入下降阶段；碳中和则指到 2060 年，我国所有社会活动产生的 二氧化碳通过植树造林、海洋吸收、工程封存等自然、人为手段被吸收和抵消掉，实现二氧化碳 相对 “零排放” 。 另据统计， 2020 年我国数据中心耗电量约占社会总耗电量 75110 亿千瓦时的 2。 在确保数据中心业务能力满足需求同时，对数据中心的绿色化提出更高要求成为了我国双碳道路 上的关键任务，这一目标也成为今后引领数据中心技术和产业升级的全新方向。 1.3 数据中心产业变革的必然趋势 自 2020 年新冠疫情发生以来，经济社会发展的数字化需求急剧爆发，越来越多的商业与消 费活动转向线上 ，数字产业与信息技术产业快速增长 。Omdia 的相关数据显示 ，从 2018 年到03 2024 年，来自蜂窝网络与固定宽带的消费者数据流量将以 29 的年复合增长率增长，数据流量 总量将从 2018 年的 130 万 PB 增长到 2024 年的 580 万 PB，这样的增长速度对现有的包括数据 中心、数据中心互联网络和互联网接入网络等 ICT 基础设施产生了巨大的挑战。为了应对全新需 求，运营商、云厂商、互联网企业等纷纷对其数据中心进行升级、扩容与扩建。而数据中心在处 理业务负载的过程中消耗大量电能，产生大量的间接碳排放。在包括中国在内的全球数据中心的 耗电量占社会耗电总量预计从 2020 年的 2 增长到 2025 年 4 左右 来 源Omdia，2020。 这一增长速度在日益收缩碳排规模的工业制造业等传统碳排大户中显得尤为突出。 除了数据中心本身的绿色低碳化迫在眉睫，作为承载千行百业的新型基础设施，数据中心可 以有效促进其所承载的高能耗行业进行快速的数字化转型和低碳化转型。数字经济的耗能产出结 构具有“二重叠加”的特殊属性，即每“耗费”在数据中心上的一度电，其不仅仅是为数据中心 企业贡献了一定运营产值，同时也为运行在其上的各种云计算、大数据、互联网服务等应用类产 业贡献了大量运营产值。据测算，每消耗 1 吨标准煤，能够为数据中心直接贡献产值 1.1 万元， 并可贡献 88.8 万元的数字产业化增加值 ，同时还可带动各行业数字化转型 ，间接产生 360.5 万 元的产业数字化市场（已剔除这些厂商业务中与数据中心不直接相关的部分）。据全球电子可持 续性倡议组织 （GeSI）预测 ，到 2030 年 ，全球 ICT 行业碳排放占全球碳排放的 1.97；而 ICT 技术通过使能其他行业，将帮助减少全球总碳排放的 20，是自身排放量的 10 倍，这一现象被 称为“碳手印”。由此可见，数据中心的绿色低碳进程不仅促进自身的高质量发展，还能赋能高 能耗的传统产业，通过“上云用数赋智”行动不仅仅实现“一业带百业”，同时带来“阶乘降耗 效应”，对提升全社会生产效率和全要素生产率作用巨大。 在“碳达峰、碳中和”大背景下，数据中心产业变革的核心环节在于绿色节能数据中心的高 质量发展，通过先进节能技术、高效协同网络和可再生能源来使能数据中心自身和高耗能行业节 能降碳，促进实现国家“碳达峰、碳中和”的宏伟战略目标。 第一章 | 时代背景04 “碳达峰、碳中和”背景下 数据中心绿色高质量发展研究报告 02 趋势洞察 2.1 政策趋势 在全球积极应对气候变化目标下，绿色低碳成为数据中心的重要发展方向，美国、欧盟、日 本等数字经济发展基础较好的国家或地区均在单体数据中心领域相继发布了相应政策。我国在充 分论证研究基础上，规划布局了 8 大算力网络国家枢纽节点，引导大规模数据中心适度集聚，通 过实施“东数西算”工程，积极探索构建形成以数据流为导向的新型算力网络格局。 目前全球大多数国家和地区均对应对气候变化目标做出承诺，其中多国均发布了数据中心领 域的节能降碳政策，这些政策大多面向单体数据中心，大致可分为数据中心整合优化、鼓励节能 技术研发和应用、鼓励可再生能源利用和规范数据中心设计建设方法四类。 2.1.1 国际数据中心绿色高质量发展相关政策05 表1 国际数据中心绿色高质量发展相关重点政策 国家或地区 政策内容 类别 美国 2010 年通过 FDCCI 联邦数据中心整合计划 ，列出数据中心整合 和提高效率的工作计划 ，制定四个具体目标 将数据中心的总占地面 积减少 40、功率利 用效率提 升 20、 总 IT 能 耗 降 低 60、 数 据 中 心物理服务器数量减少 80。在 2018 年发布 DCOI 数据中心优化 倡议 ，通过设定数据中心 PUE（Power Usage Effectiveness，能源 利用效率） 、能源计量 、服务器使用率和自动化监控以及设施利用率 等具体指标，制定数据中心优化计划，向更高效的基础设施转型。 整合优化类 鼓励绿色节能技 术研发和应用类 欧盟 2021 年 3 月 ，欧盟委员会发布 2030 数字指南针 欧洲数字十年 之路 ，提出建设可持续的数字基础设施 ，在 2030 年之前数据中心 达到气候中立 ，同时利用数据中心多余的热量为家庭 、企业和公共 场所供暖 ，还将引入机制来衡量欧洲公司使用的数据中心和电子通 信网络的能源效率。 欧盟更新了 2021 年欧盟数据中心能源效率行为准则的最佳实践指 南 ，协助数据中心运营商制定 PUE、DCiE（数据中心基础设施效 率 Data Center infrastructure Efficiency）等节能标准和实施措施 ， 提高其数据中心的能源效率，引导建立绿色数据中心推进机制。 鼓励可再生能源 综合利用类 鼓励绿色节能技 术研发和应用类 日本 2020 年 11 月 ，日本推出 绿色增长战略 ，明确到 2050 年实现碳 中和目标 ，计划通过在数据中心 、信息通信设备等基础设施中使用 高性能节能半导体，减少二氧化碳排放，打造绿色数字社会。 在 2030 年之前 ，将新建数据中心的能耗降低 30 以上 ，并将日本 国内数据中心的部分电力转换为可再生能源。 鼓励绿色节能技 术研发和应用类 政策类 鼓励可再生能源 综合利用类 新加坡 2014 年 7 月发布 绿色数据中心技术路线图 ， 提出数据中心设施、 信息技术 IT 系统和数据中心设计方法三个方面的路线研究 在数 据中心设施方面 ，通过节能的冷却技术提高能源效率 ，减少供配电 系统转换损失或完全避免转换损失 ，提高能源与 IT 设备之间的功率 传输效率 ；在信息技术 IT 系统方面 ，降低服务器的能耗 ，提高其 能源效率 ，同时优化能效配置软件 ，降低 IT 设备的能耗 ，并对下游 设备的能耗产生级联效应 ；在数据中心设计方法方面 ，通过多层级 和模块化供应的方法 ，优化物理空间 、冷却 、电力和网络连接设计 和部署。 鼓励绿色节能技 术研发和应用类 政策类 规范数据中心设 计建设和方法类 第二章 | 趋势洞察06 “碳达峰、碳中和”背景下 数据中心绿色高质量发展研究报告 国家或地区 政策内容 类别 印度 2020 年发布 2020 年数据中心政策 （草案 ） ，制定了数据中心 行业的增长策略， 从以下方面为数据中心运作建立有利的生态系统 一是建立有效的电力开放获取制度 ，让数据中心服务供应商直接从 电力公司采购电力 ；二是推行各种绿色和可持续能源计划 ，鼓励数 据中心与电力公司合作 ，使用可再生能源 ；三是推广创新技术和解 决方案，鼓励能源的有效利用，减少数据中心的碳排放。 鼓励可再生能源 综合利用类 近年来 ，我国各级政府纷纷出台推动数据中心绿色高质量发展的相关政策 ，旨在进一步破除当 前存在的数据中心总体布局失衡 、节能降碳技术创新不够 、传统产业转型升级不足等方面瓶颈和矛 盾， 为 “十四五” 乃至更长时期的数字经济发展奠定坚实基础， 助力实现 “碳达峰、 碳中和” 目标。 1. 国家层面发布政策组合拳引导绿色发展 早在 2013 年，中央政府层面就发布了有关引导数据中心向绿色集约方向发展的政策。近三 年来，相关政策密集发布，包括关于加强绿色数据中心建设的指导意见、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和关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体 系的指导意见等，形成一套政策“组合拳”。从合理布局建设大型、超大型数据中心，提高数 据中心集约化、规模化、绿色化水平，实现结构性平衡；加快绿色技术产品创新，使用高效环保 制冷技术降低能耗；鼓励使用风能、水能、太阳能等可再生能源；建立健全覆盖设计、建设、运 维、测评和技术产品等方面的绿色数据中心标准体系；加强标准宣贯，强化标准配套衔接等方面 引导数据中心的绿色高质量发展。 2.1.2 国内数据中心绿色高质量发展相关政策07 第二章 | 趋势洞察 表2 国家数据中心绿色高质量发展相关重点政策 时间 发布部门 政策 2013 年 1 月 工信部 国家发改委 国土资源部 电监会 能源局 关于数据中心建设布局的指导意见 充分考虑资源环境条件 ，引导大型数据中心优先在能源相对富集 、 气候条件良好、自然灾害较少的地区建设。 2019 年 1 月 工信部 机关事务局 能源局 关于加强绿色数据中心建设的指导意见 建立健全绿色数据中心标准评价体系和能源资源监管体系 ，打造一批 绿色数据中心先进典型 ，形成一批具有创新性的绿色技术产品 、解决 方案，培育一批专业第三方绿色服务机构。 2020 年 12 月 国家发改委 网信办 工信部 能源局 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 强化数据中心能源配套机制 ，探索建立电力网和数据网联动建设 、协 同运行机制 ，进一步降低数据中心用电成本 。东西部数据中心实现结 构性平衡，大型、超大型数据中心运行电能利用效率降到 1.3 以下。 2021 年 2 月 国务院 关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见 加快信息服务业绿色转型 ，做好大中型数据中心 、网络机房绿色建设 和改造，建立绿色运营维护体系。 2021 年 7 月 工信部 新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023 年） 坚持绿色发展理念 ，支持绿色技术 、绿色产品 、清洁能源的应用 ，全 面提高新型数据中心能源利用效率。 2021 年 11 月 国家发改委 机关事务局 财政部 生态环境部 深入开展公共机构绿色低碳引领行动 促进碳达峰实施方案 鼓励应用高密度集成等高效 IT 设备 、液冷等高效制冷系统 ，因地制 宜采用自然冷源等制冷方式 。推动存量 “老旧”数据中心升级改造 ， “小散” 数据中心腾退、 整合， 降低 “老旧小散” 数据中心能源消耗。08 “碳达峰、碳中和”背景下 数据中心绿色高质量发展研究报告 时间 发布部门 政策 2021 年 11 月 国家发改委 网信办 工信部 能源局 贯彻落实碳达峰碳中和目标要求 推动数据中心和 5G 等新型基础设 施绿色高质量发展实施方案 坚持集约化 、绿色化 、智能化建设 ，加快节能低碳技术的研发推广 ， 支持技术创新和模式创新 。全国新建大型 、超大型数据中心平均电能 利用效率降到 1.3 以下， 国家枢纽节点进一步降到 1.25 以下， 绿色低 碳等级达到 4A 级以上。 2021 年 12 月 中央网络安 全和信息化 委员会 “十四五”国家信息化规划 完善数字基础设施体系 ，形成布局合理 、绿色集约的数据中心一体化 格局 。在推进数字化转型过程中实现绿色化发展 ，大力发展绿色智能 终端、绿色信息网络、绿色数据中心等，挖掘各环节节能减排潜力。 2. 地方层面错位布局全面推动政策落实 东部经济发达地区 目前我国数据中心主要集中在京津冀、长三角、粤港澳大湾区等经济发达地区，但这些地区 同时面临着算力资源需求的爆发式增长及能源指标紧张的双重困境，因此整合优化和提高能效成 为东部经济发达地区数据中心绿色高质量发展的重点。东部地区推动数据中心绿色高质量发展的 部分政策举措包括 2021 年 4 月， 北京市发布 北京市数据中心统筹发展实施方案 （2021-2023 年），指出关闭一批功能落后数据中心、整合一批规模分散的数据中心、改造一批高耗低效数 据中心、新建一批新型计算中心和人工智能算力中心及边缘计算中心；新建云数据中心 PUE 不 高于 1.3 等。 2020 年 5 月， 上海市发布 上海市推进新型基础设施建设行动方案 2020-2022 年 ， 提出新增数据中心 PUE 不超过 1.3，建设 E 级高性能数据中心 。2020 年 6 月 ，广东省发布 广 东省 5G 基站和数据中心总体布局规划 （2021-2025 年） ， 提出整合提升低、 小、 散数据中心， 推动高质量发展，加快应用先进节能技术，提升资源能源利用效率，走高效、清洁、集约、循环 的绿色发展道路。09 2.2 技术趋势 研究降低数据中心整体碳排放的相关创新技术， 需要首先对数据中心这个整体概念进行解构。 从数据中心的生命周期维度分析碳排放，基本可以划分为两个阶段第一是建设阶段，在数据中 心正式投入运营之前，需要进行大量的土地作业、建筑工程以及设备调试等工作，这个阶段将会 产生一部分的碳排放，而且建筑材料和相关设备在生产和回收时产生的碳排也会对总体碳排产生 影响；第二是运营阶段，这一阶段产生的碳排放包括由 ICT 设备工作消耗电能所产生的间接碳排 放，以及备用柴油发电机等基础设施产生的直接碳排放，这一阶段碳排放的总量取决于各类设备 的耗电量、可再生能源的利用比例，以及数据中心整个运行生命周期的时长。以一个 1500 柜， 每柜 8kW，负载率 75，PUE 设计值为 1.5 的数据中心为例 ，其 10 年生命周期碳排放约 76.3 万吨 ，其中包含建设阶段排放约 10，相关减碳技术主要体现在数据中心设计和建设模式上 ， 西部能源充足地区 我国西部地区清洁能源丰富、地质条件稳定、气候环境适宜，成为大型、超大型绿色数据中 心建设的理想选择地区。依靠数据中心对可再生能源的消纳和西部地区干燥凉爽的气候条件带来 的数据中心散热能耗下降，每年可大量降低碳排放。因此科学规划布局，可再生能源利用，高能 效成为西部地区发展高质量数据中心的重点。西部地区推动数据中心绿色高质量发展的部分政策 举措包括2018 年 5 月，贵州省发布贵州省数据中心绿色化专项行动方案，提出科学规划 布局数据中心，严格把关数据中心项目建设，加强产业政策引导，推动数据中心持续健康发展， 新建数据中心能效值（PUE）低于 1.4。2019 年 12 月 ，内蒙古自治区发布 内蒙古自治区人民 政府关于推进数字经济发展的意见，支持大型企业数据中心建设，鼓励开展云计算、边缘计算 应用， 建设绿色数据中心， 降低能耗水平。2020 年 9 月， 甘肃省发布 甘肃省 “上云用数赋智” 行动方案（20202025 年），提出在河西走廊等可再生能源富集区，选址建设一批以清洁能 源利用为特色的绿色高性能数据中心。2021 年 10 月，宁夏自治区编制全国一体化算力网络国 家枢纽节点（宁夏）建设方案，提出打造“一集群三基地一数谷”的总体定位，即“全国一流 绿色数据中心集群”、国家“东数西算”示范基地、网络安全暨信息技术创新开发基地、国家级 数据供应链培育基地、西部数谷。并提出“十四五”期间，宁夏自治区枢纽节点规模为 72 万个 机柜 ，服务器上架率大于 85，平均 PUE 值小于 1.2，数据中心可再生能源使用率大于 65， 自主可控率大于 90。 第二章 | 趋势洞察10 “碳达峰、碳中和”背景下 数据中心绿色高质量发展研究报告 运营阶段 90 建设阶段 10 图1 数据中心建设与运营过程产生碳排比例 而占90 的运营阶段碳排放以用电为主， 此部分的减碳技术主要体现在设备高效节能技术上。 （计 算方法参考中华人民共和国生态环境部关于做好 2022 年企业温室气体排放报告管理相关重点 工作的通知，全国电网排放因子为 0.5810tCO2/MWh）。 因此，按数据中心生命周期的不同阶段，可以将相关绿色节能技术划分为设计建设阶段和运 营阶段两类。 2.2.1 设计建设阶段采用的技术 1. 数据中心 PUE 仿真设计技术 PUE 仿真设计源于创新数字孪生理念，在设计阶段，基于方案构建设备模型、系统模型，并 且基于导入的运行参数和外部数据（如负载率、气候数据）来模拟系统和设备运行状态，输出重 点特征值状态 PUE。采用一维热流体仿真技术对数据中心制冷系统进行物理建模，结合控制仿真 技术模拟系统的控制过程， 最终获取 AHU （Air Handling Unit， 空气处理单元） 、 冷机、 冷塔、 水泵等制冷设备的动态和稳态状态，实现复杂热流系统的状态重现和预测。PUE 仿真设计也可以 用于数据中心运营过程中系统智能 PUE 调优时的 PUE 预测仿真。11 数据中心运营过程中的节能降碳技术分析，可以从电能消耗的组成部分维度切入。对于一个 典型的数据中心，运营过程的电力消耗是由服务器、存储和网络等 ICT 设备，空调和换热器等制 冷设备、变电设备，UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）、备用发电机和电池等 供配电设施以及照明 、监控等其他设备所产生的 。图 2 以一个 PUE1.5 的数据中心为例 ，其中 67 的电力消耗来自 ICT 设备功耗，27 来自制冷系统功耗，5 功耗由供配电损耗和 1 由其 他设备产生。 2.2.2 运营阶段采用的技术 第二章 | 趋势洞察 2. 预制模块化建设技术 以全栈化的思维融合数据中心土建工程 （L0）及机电工程 （L1） ，功能区域采用全模块化 设计，将结构系统、供配电系统、暖通系统、管理系统、消防系统、照明系统、防雷接地、综合 布线等子系统预集成于预制模块内，所有预制模块在工厂预制、预调测，并在现场同步进行地基 土建建设作业。交付过程中，预制功能模块从工厂运输到站点现场，无需进行大规模土建，只需 要进行简单吊装及乐高式搭建 ，即可完成数据中心快速建设部署 ，相比传统方式上线时间提前 50，有效降低建设过程中的建筑垃圾、施工用水产生，同时在生命周期结束后材料回收率高于 80，具有全生命周期低碳的优势。 3. 数据中心园区叠光和叠储技术 对于大部分数据中心应用场景而言，数据中心园区叠光通常适合作为市电的补充，可以有效 帮助客户降低一部分的运营费用的支出。 同时 ，随着各地峰谷电价差的逐步放大 ，会有效激发数据中心企业在园区建设储能装置 ，一方 面可以削峰填谷 ，在波谷期间用市电给储能装置充电 ，波峰期间使用储能装置给数据中心供电 ，利 用峰谷电价差实现套利 ；另一方面可以更好的适应未来新能源占比逐步走高的供电网络 ，实现本地 的调峰调频，有力的保障负载设备更稳定的运行。12 “碳达峰、碳中和”背景下 数据中心绿色高质量发展研究报告 制冷系统功耗 27 供配电损耗 5 其它 1 ICT设备功耗 67 图2 一个PUE1.5的数据中心中各组成部分所消耗的电能占比 1. 制冷设备节能技术 随着芯片技术与工艺的进步 ，服务器计算能力有了数十倍的增长 ，但是总体功耗也随之提升 。 预计到 2025 年 ，数据中心的 x86 CPU 芯片 TDPThermal Design Power，散热设计功耗 提升至 350W 左 右，ARM CPU 芯片的 TDP 提升至 600W 左右 ，而用于人工智能计算的 NPU/GPU 芯片会 提升到 750W 左右。同时期对应的典型服务器 2U 高度 2 路处理器 功率也持续演进，x86 CPU 服 务器会提升到 725W 左 右，ARM CPU 服务器提升至 1000W 左右 ，用于人工智能计算的 NPU/GPU 服务器会提升到 1500W 左右 。基于这些预测 ，2025 年主流机柜功率将会达到 1215kW/ 柜 ，未来 会继续增加到 25kW-50kW/ 柜，甚至更高，对当前的数据中心制冷技术带来极大挑战。 对应的数据中心制冷设备技术包括直接自然风冷却 、间接蒸发冷却 、冷板式液冷和浸没式液冷 等，15kW/ 柜以下风冷技术可以满足大部分地区的制冷需求 ，出现自然冷源代替冷冻站等传统人工 冷源趋势 ，间接蒸发冷却可以在中国大部分地区实现平均 PUE 低于 1.25 的目标 。15kW/ 柜以上时 风冷技术成本上升 ，液冷技术开始具备经济性 。液冷目前最主流的方式冷板式液冷和浸没式液冷 ， 当前主要用于高功率密度型业务如 HPCHigh Performance Computing，高性能计算 和人工智能 计算 ，通常单机柜功率超过 20kW。而随着通用计算 CPU 的功率密度提升 ，通用计算使用的高功率 密度服务器液冷技术出现规模应用的机遇。13 除风冷技术和液冷技术之外 ，制冷设备节能技术还有很多 ，包括最新的氟泵 、余热回收 、吸附 式制冷、 相变蓄冷和数据密集型集群存储等创新技术， 由于大多尚处于早期， 且受到产业链成熟度、 投资成本、运营运维成本、运维难度和适用等条件限制等原因，尚未形成规模应用。 2. 供配电设备节能技术 供配电设备的节能技术包括 高效 UPS ，UPS 智能在线模式 ，电力模块等 。这些节能技术已 经通过互联网企业的实践逐步进入了规模化应用 ，助力降低供配电损耗 。电力电子半导体技术出现 得较晚 ，但发展迅速 ，短短几十年 ，已经经历了晶体管 、晶闸管 （SCR Silicon Control Rectifier 和 GTO Gate Turn-Off Thyristor）、金氧半场效晶体管（MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field- Effect Transistor） 、绝缘栅双极型晶体管 （IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor）几次迭代 。近 年宽禁带半导体材料 （如 SiC 碳化硅 、GaN 氮化镓）器件也开始逐步应用 ，每一次升级均能实现大 幅的功能扩展或性提升 。可以说电力电子半导体器件是按照三五年一小代 、二十三十年一大代的步 伐在快速迈进 。可以预见 ，在未来数年内采用电力电子半导体器件的固态变压器的发展速度也将快 于传统的变压器 ，采用固态变压器技术将有利于进一步降低数据中心供配电系统的电力损耗 ，提高 可靠性。 3. ICT 设备节能技术 ICT 设备的高效节能技术包括全闪存化存储、全光纤化网络、无损以太网络等，都可应用 于数据中心节能提效。 全闪存化存储 在相同的容量下， 闪存相较于 HDD 的电力能耗降低 70， 功耗大幅降低， 能够进一步压缩产生同等业务输出的总能耗，同时占用空间节约 50。 全光纤化网络 用光纤替代传统的铜芯通信线缆可以大幅提高网络的高比特数据传输能 力以及大吞吐量的交叉能力， 并且传输距离更长， 布线也更加灵活。 随着全光网络的推进， 节约了大量用于传统通信线缆中的铜 、铝等金属材料 ，而光纤中所采用的玻璃或塑料等 芯材制造过程能耗更少 ，尤其是这类材料耐腐蚀性能更好 ，寿命更长 ，在长期角度能够 减少运维产生的成本与能耗排放。 网络设备节能 采用单板级相变散热技术和毫秒级切换电源模块技术的数据中心网络交 换机，能耗降低约 50 的能耗。 第二章 | 趋势洞察14 “碳达峰、碳中和”背景下 数据中心绿色高质量发展研究报告 全无损以太网络传统以太网络在数据传输中采取 “尽力而为” 的方法， 是 “有损” 的。 将计算、存储、高性能计算网络统一承载，0 丢包无损以太网络比传统以太网络最高可提 高计算效率 17，缩短整体计算时间。 4. 运营运维智能化管理技术 通过 AI 技术能够优化数据中心基础设施管理 。如制冷系统能够通过 AI 优化自身的运行状态 ， 也能根据 IT 业务负载需求变化进行及时寻优 ，供电系统能够主动预测和自动识别报警 ，以便及时 作出响应 。借助 AI 技术可以最大限度实现数据中心的自动高效运行 ，减少由于资源调配不善或人 工干预不及时而导致的资源浪费。 2.3 应用趋势 从实现减碳路线的举措而言，数据中心相关企业已经开发了大量创新技术来实现基础设施建 设与运营过程中的高效化和低碳化，并且已经在现有或新建的数据中心中实施。下表列出了世界 上主要数据中心相关企业目前采取的相关举措，基本可以代表普遍受认可的技术应用发展方向 业务类型 相关主体 技术方向 节能降碳措施 消费电子 / 互联网 苹果 绿色能源 数据中心范围内部署分布式太阳能、 风能、 沼气等可再生能 源发电措施， 以及与可再生能源电站签署长期采购协议为自 有数据中心等设施供电 ，通过一系列措施实现 100 可再 生能源利用率。 自然冷源 苹果在数据中心内大量采用高能效方案 ，例如蒸发制冷 ，空 气侧节能器等高效冷却系统 ，以及对控温逻辑的优化 ，使苹 果数据中心的制冷能效表现比美国标准高 60。 软件 / 互联网 微软 自然冷源 微软将数据中心部署在苏格兰奥克尼群岛海岸附近的海面下， 利用 常年 寒冷的 海水 为数 据中 心散热 。 同时 在干燥 沙漠 等环 境中 ，微软计划将服务器浸入碳氟化物液体中 ，通过这种液 体的吸热汽化与冷水换热进行制冷，从而减少对水的使用。 表3 世界上主要的数据中心相关企业采取的节能应用举措15 业务类型 相关主体 技术方向 节能降碳措施 ICT 基础设施 / 互联网 华为 自然冷源 贵安华为云数据中心部署在贵州贵安新区 ，年平均温度 15 ℃， 空气质量好， 在设计上充分结合贵州自然条件的优势， 充分融入了绿色低碳理念， 并把自然和人文融和， 通过采用 自然冷却技术包括直通风制冷和部分高密度服务器就近利 用湖水散热。 乌兰察布华为云数据中心 ，年平均温度 6.6 ℃ ，空气质量 较好，在设计上充分结合乌兰察布自然条件的优势和在 AI 技术上的优势 ，通过采用间接蒸发式自然冷却技术 ，95 以上时间无需开压缩机 ，可以把 PUE 降至 1.15 以 内， WUE ＜ 0.2L/kWh。 梯次能源 利用 贵安华为云数据中心采用余热回收利用技术将数据中心的 热量进行采集/p