“双碳”目标下的“东数西算”节能新路径
随着国家“东数西算”工程的全面启动，算力已成为数字中国、信息社会的核心生产力，直接关系到数字经济的发展速度。通信世界全媒体特别策划走进“东数西算”八大节点之京津冀节点，全方位展现京津冀数据中心及算力产业发展状况，探京津翼如何为经济高质量发展注入新动能。
本文首发于《通信世界》
2022年3月25日第六期 总第892期
近日，国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合复函，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏启动建设国家算力枢纽节点，并规划了张家口等10个国家数据中心集群。至此，全国一体化大数据中心体系完成总体规划布局，“东数西算”工程全面启动。针对上述国家政策，笔者结合中国数据中心发展的现状，重点论述“双碳”目标下，“东数西算”节能新路径。
当前数据中心现状分析
我国数据中心规模已达500万标准机架（2.5kW为一个标准机架），算力达到130EFLOPS。伴随数字经济持续发展，全社会对算力需求十分迫切，预计每年将以20%以上的速度快速增长。由此可见，算力已成为国民经济发展的重要基础设施。加快推动算力建设，将有效激发数据要素创新活力，加速数字产业化和产业数字化进程，催生新技术、新产业、新业态、新模式，支撑数字经济高质量发展。“十四五”时期，数字经济发展主要指标见表1。
表1 “十四五”时期数字经济发展主要指标（数据来源：中国政府网站）
ICTresearch咨询统计，2020年全国有数据中心8万个左右，总耗电量为1660亿千瓦时；根据中国能源局统计的2020年全社会用电量75110亿千瓦时计算，数据中心的总用电量占全社会总用电量的比例为2.2%。根据我国生态环境部环境规划院统计测算，2021年国内数据中心机架规模达到543.6万架，同比增长27%；耗电量占到全社会用电量的2.6%，碳排放占到全国的1.14%左右。2025年，国内数据中心机架规模将达到759万架，较2021年增长40%；能源消耗总量较2021年增加62%，约占全社会用电量4%，碳排放占全国的比重接近2%。
“十四五”期间，河北、广东、江苏、上海和浙江等省市机架规模、能耗总量和二氧化碳排放量最大，5个地区加和占全国一半左右。由于能耗本身同机架数量深度挂钩，在供电侧不容易调整的前提下，只能通过布局优化等手段，在对存量进行整改的同时，尽量将数据中心布局在气候适宜、绿色能源充沛等条件好的地区，以降低碳排放，“东数西算”的布局由此而来。
“东数西算”政策对数据中心的影响
数字时代正在召唤一张高效率的“算力网”。“东数西算”是把东部密集的算力需求有序引导到西部，使数据要素跨域流动。打通“数”动脉，织就全国算力一张网，既缓解了东部能源紧张的问题，也为西部开辟一条发展新路。与“东数西算”相关文件的主要政策文件见表2。
表2 与“东数西算”相关文件的主要政策（数据来源：国家改革发展委）
“东数西算”工程通过构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系，将东部算力需求有序引导到西部，优化数据中心建设布局，促进东西部协同联动。简单地说，就是让西部的算力资源更充分地支撑东部数据的运算，更好为数字化发展赋能。“东数西算”中的“数”，指的是数据，“算”指的是算力，即对数据的处理能力。
实施“东数西算”工程，推动数据中心合理布局、绿色集约和互联互通，具有多方面意义。
一是有利于提升国家整体算力水平。通过全国一体化的数据中心布局建设，扩大算力设施规模，提高算力使用效率，实现全国算力规模化、集约化发展。
二是有利于促进绿色发展。加大数据中心在西部布局，将大幅提升绿色能源使用比例，就近消纳西部绿色能源，同时通过技术创新、以大换小、低碳发展等措施，持续优化数据中心能源使用效率。
三是有利于扩大有效投资。数据中心产业链条长、投资规模大，带动效应强。通过算力枢纽和数据中心集群建设，将有力带动产业上下游投资。
四是有利于推动区域协调发展。算力设施由东向西布局，带动相关产业有效转移，促进东西部数据流通、价值传递，延展东部发展空间，推进西部大开发形成新格局。
我国数据中心大多分布在东部地区，由于土地、能源等资源日趋紧张，在东部大规模发展数据中心难以为继。而西部地区资源充裕，特别是可再生能源丰富，具备发展数据中心、承接东部算力需求的潜力。“东数西算”有利于推动数据中心合理布局、优化供需，提升国家整体算力水平，扩大有效投资，推动区域协调发展，具有多方面多层次重要意义。我国算力网络各类枢纽节点定位及发展思路见表3。本次“东数西算”的全面启动，叠加数字经济确定的发展方向，对于整个数通侧将是确定性大机会，算力、流量持续高速增长是必然趋势，配套基础设施持续建设扩容是刚性需求，未来3~5年具有高确定性。
表3 我国算力网络各类枢纽节点定位及发展思路（数据来源：《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》）
数据中心四大节能技术应用
近几年来，作为“新基建”的代表产业，数据中心为5G、人工智能、物联网、边缘计算等产业的快速发展提供了重要支撑，已经成为推进数字经济产业发展的关键物理基础设施。但是随着数据中心的单位功率密度大幅度提升，整体能耗水平也呈现指数级增长。为了应对能耗增长过快的问题，数据中心的节能技术如雨后春笋般涌现，当前主要的技术分为以下几类。
充分利用自然冷源
为维持恒定的机房温度需要不间断为其降温，由此带来了数据中心巨额的耗电量。当过渡季节室外温度低于室内温度时，自然界存在着丰富的冷源，如何利用大自然的冷源进行冷却是机房空调节能减排的重点问题。自然冷源冷却策略主要有以下方法。
一是间接空气交换。外部空气通过热交换器进入室内并实现热交换，热交换器将数据中心内部的空气与外部较冷的空气分开。这种方法可以防止颗粒物进入数据中心机房区域，并有助于控制湿度水平。
二是直接空气交换。外部空气通过蒸发冷却器后，再通过过滤器直接进入数据中心的冷通道。当外部温度过低时，系统将外部空气与回风的热空气混合，以达到设备的冷却降温。
高密度数据中心可以考虑液冷
根据统计分析，数据中心数据中心液冷技术与传统风冷技术相比，系统耗电量约节省30%以上，应用液冷技术的数据中心机房整体能效同时得到30%的提升。并且随着数据中心单机柜功率密度不断提高，液冷技术能带来更为直接的散热优势。数据中心使用液冷与风冷技术的比较分析见表4，数据中心的制冷模式分析见表5。
表4 数据中心使用液冷与风冷技术的比较分析（数据来源：ICTresearch）
表5 数据中心制冷的模式分析（数据来源：ICTresearch）
尽量利用可再生清洁能源
数据中心的能耗问题已经引起了全球的广泛关注，对计算机系统可持续能力的设计已不可避免。虽然可再生能源具有间歇不稳定的特点，但建设可再生能源驱动的数据中心除了可以降低的碳排放外，还有许多其他的好处。
可再生能源发电是高度模块化的，可以逐渐增加发电容量以匹配负载的增长。如此，可减小数据中心因电力系统超额配置的损失，因为服务器负载需要很长一段时间才能增长到升级的配置容量。此外，可再生能源发电系统筹建时间要比传统的发电厂短得多，降低了投资和监管的风险。而且，可再生能源的价格和可用性相对平稳，使IT公司的长远规划变得简单。
注重数据中心的余热利用
当前数据中心主要回收冷冻水回水对余热进行二次利用，代替传统市政供热设施，为园区的办公场所提供冬季热源，从而达到减少煤炭等燃料的燃烧，达到控制二氧化碳排放的目的。数据中心余热回收的流程并不复杂，但是其核心关键点在于：如何在支持数据中心稳定安全运行的前提下，实现余热的科学回收。在此过程中，需对施工安装中可能发生的安全风险提前做好应急预案，对可能影响数据中心安全运行的故障点做好隔离，并对如何确保冬季供暖及数据中心运行双向安全的基本目标提前规划出备份系统。
数据中心发展四大建议
规模以上数据中心设立监管平台
数据中心节能工作是跨学科、多领域的技术创新工程和跨部门、多行业的标准化推进工程，要改变当前耗能大、技术落后和无专门机构管理和参与的局面，就需要在政府及信息产业主管部门支持下，对新产品应用、新技术研究、新标准制定与推广、产业政策环境等方面加以引导及协调。
较为有效的方式是设立数据中心能耗管控平台，针对已建、新建、改扩建、节能改造的数据中心安装整体的能耗监测软件，与国家或省市的数据中心能耗管控平台对接，可以实时掌握数据中心能耗情况，以便制定相应的政策和监管措施。利用能耗管控平台，实现对规模以上数据中心每年例行能效评价和监测。
设置相关的能源管理岗位
数据中心能源管理岗位人员是指从事数据中心能源管理工作的专业人员，是数据中心管理人才的重要组成部分。能源管理岗位人员应具有良好的职业素养，具备相应的行业知识，掌握现代企业管理方法，精通企业能源管理工作。
数据中心行业能源管理岗位人员培养体系的建立，可有效保障能源的合理使用，提高能源利用水平，降低成本，减少污染排放，为国家节能减排事业发展作贡献。
落实国家标准和先进技术标准
针对数据中心节能标准缺失的现状，要尽快启动制定节能设计、节能运维等标准。提高对数据中心节能减排工作重要性和紧迫性的认识，坚持把节能减排作为“调结构、转方式”的重要抓手，抓好数据中心节能减排重大科技研发和推广应用，加强企业节能减排技术改造和重点领域节能减排，强化目标责任加强监督执法，综合运用市场、法律、标准手段推进节能减排。
尽快制定数据中心碳中和路径图
针对数据中心能耗高问题，设定未来10年的数据中心碳中和路线图。靠“能耗天花板”方式进行监控，对数据中心整体碳排放进行峰值设置，同时考虑不同区域的峰值，最终达到数据中心规模增长而能耗不显著增长。
要合理、合规、有效地对老旧数据中心进行节能改造，对新数据中心进行节能设计，同时要引导存量数据中心的节能运维。通过各方努力，争取在2025年前数据中心能源使用出现拐点。
对增量和存量数据中心的能耗要求要加以区分，按照到达拐点的时间进度设置能耗走势路线图，控制市场准入门槛。同时各类标准要及时到位，避免标准滞后的现象发生，加快地方标准和团体标准出台；各个省市的标准要符合国家的要求，但也要与地方实际情况结合起来。
作者：中国电子节能技术协会数据中心节能技术委员会秘书长 吕天文
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