2020年9月,习近平主席在第七十五届联合国大会上宣布,中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标。这既是我国为全球气候变暖做出的庄严承诺,也是我国绿色低碳发展的动员令。在双碳目标下,数据中心作为用电密集型行业迫切需要低碳、绿色发展。
　　
　　一、国家“双碳”目标对数据中心的要求
　　
　　根据国际能源署公布的资料(如图1所示),2020年全球碳排放总量按地区统计,中国的碳排放占31%,几乎占到了总排放量的1/3。可以看出,减少碳排放从地区来看,重点也是在中国。
　　
　　另外,从国际能源署公布的2020年全球碳排放来源构成(如图2所示),能源发电与供热行业占43%,交通运输行业占26%。因此,减少碳排放从行业来看,重点在能源发电、供热与交通运输行业。
　　
　　数据中心行业除了柴发运行情况外一般不直接产生CO2,但是数据中心行业是用电密集型行业,每平米的用电量高达1～2kW,甚至达到3～4kW。根据CDCC提供的统计数据,2019年～2021年,全国数据中心的用电量约为800～900亿kWh,约占全国社会总用电量的1.1%左右。
　　
　　我们再来看看全国数据中心能效利用水平情况(如图3所示),2021年度全国数据中心平均PUE为1.49,其中,华北、华东的数据中心平均PUE接近1.40,华中、华南数据中心平均PUE值接近1.60,数据中心能效利用水平存在较大提升空间。
　　
　　国家“双碳目标”对数据中心提出了哪些要求呢?
　　
　　1.更绿色
　　
　　这里的绿色有两层含义,其一是绿色产品的选用,比如选用谐波少、噪声低、辐射低、抗干扰的产品,其二就是应用绿色能源,比如太阳能光伏、储能、风电等。在这方面,国际互联网大公司给我们做出了榜样,截至2020年10月,Facebook、苹果、谷歌、微软等33家科技企业及数据中心服务商先后承诺将100%使用可再生能源,并为自己设置了中期和远期目标,目前部分企业已提前或超额实现目标。
　　
　　2.更节能
　　
以在系统设计和产品选型上进行更多的考虑。比如选用效率更高的UPS、损耗更低的变压器、COP更高的空调设备等,根据不同气候条件选用更加节能的空调系统、充分利用自然冷等等;节约用水方面,在水制冷系统的数据中心中,水资源消耗占据了较大比例,我们可以采用闭式冷却塔、采用蒸发风冷和加湿系统来节约用水,也可以将循环水净化处理后再利用。
　　
　　3.更智能
　　
　　智能化程度的高低标志着数据中心的先进程度。目前,我们一般的数据中心都设有消防、安防、BA、动环、电力等监控系统,并通过DCIM管理平台把这些系统集成起来,协同管理。
　　
　　随着物联网、大数据、Al智能技术的发展,智能传感器、无线传输、生物特征识别等先进的信息技术都将应用到数据中心,实现数据的全面感知、推理、判断和自我决策,提高基础设施利用率,为数据中心提供更加精细化、智慧化的管理。
　　
　　4.更可靠
　　
　　数据中心通常要求业务无中断,一旦出现业务中断就带来严重的损失。所以,数据中心运行的高可靠性至关重要,一般来说数据中心的等级越高,可靠性就越高。可靠性是一个综合的指标,体现在建筑结构、供电架构、空调系统,消防安防、网络布线等等各个方面,按照木桶的短板理论,每一个系统的设置都应该满足才行。
　　
　　单个数据中心的可靠性很难做到万无一失,但是我们可以通过双中心或者多中心的业务备份来提高可靠性。比如:在2020年双11期间,阿里云就有五大超级数据中心支持双11的交易高峰,数据中心的整体架构从集中式转为分布式,在出现故障后可以实现1min发现,1min定位,1min恢复,保证了数据中心业务的可靠性。
　　
　　5.低成本
　　
　　数据中心的成本分为建设成本(CAPEX)和运营成本(OPEX),建设成本包括土地成本、外部市政水电引入成本、土建成本、机电成本等。土地成本、外部市政水电引入成本与建设地的规划条件、市政情况有关,业主在选择数据中心的建设地点时应该予以考量。土建成本、机电成本跟建设等级、设计方案有关,也跟建设方设备的招标采购以及项目管理水平有关。数据中心在运营阶段,最大的成本是电费,所以,在数据中心选址时,需要格外关注当地的电价和电力市场的变化。当然还有水资源利用成本、设备折旧的成本、网络带宽的成本以及维护的人力成本等等。数据中心要降本增效,需要在建设和运营的各个环节进行精细控制。
　　
　　6.易维护
　　
　　数据中心要想易维护,首先要在系统设计上简单、可靠。系统越简单越易维护,越可靠越易维护。其次就是要数据不全、不具备学习能力,不能够给运维人员提供操作建议。那么未来,我们会越来越多的将物联网、大数据、人工智能技术应用到数据中心的监控当中,让监控系统具有观察、学习、预测、推荐等功能,最终实现自动化运维。
　　
　　二、数据中心双碳目标的发展路径
　　
　　1、发展节能技术,提高能源利用效率
　　
　　数据中心的节能主要体现在以下五个方面:
　　
　　1）IT设备节能
　　
　　目前,对数据中心的能效考核指标是PUE,大家更多的是关注基础设施的节能降耗,实际上IT设备的节能不容忽视。调查发现,当前全球数据中心的CPU利用率并不高,比如谷歌数据中心的CPU利用率最高约为75%,而中国某大型电商的CPU利用率约为45%。可见,即使在虚拟化技术非常流行的今天,数据中心的CPU利用率还有较大的提升空间。
　　
　　目前主流的存储介质主要包括HDD机械磁盘介质和基于SSD的半导体闪存介质。在相同容量下,固态硬盘的能耗比机械硬盘低70%,空间占用也节省50%。此外,合理配置计算与存储,让计算和存储的能力相匹配,也能有效降低能耗,提高效率。
　　
　　2）供配电系统节能
　　
　　在供配电系统的损耗中变压器和UPS的损耗占主要部分,那么,我们在选用变压器和UPS的时候,就要选用高效节能型变压器,选用效率高的UPS,带有UPS超级旁路运行功能的UPS。当然还有变压器深入负荷中心、合理设置供配电系统用房、合理规划线缆敷设路由、采用一体化预制电力模块等等,减少线缆的损耗。
　　
　　3）空调系统节能
　　
　　在数据中心中,空调系统的能耗是除IT设备以外的第二大能耗。空调系统节能首先考虑自然冷源的充分利用;对高密机房,用特制液体作为冷媒为服务器进行散热;还有间接蒸发冷技术、冰川相变技术等。
　　
　　4）资源回收利用
　　
　　数据中心的服务器所产生大量的热需要冷却,而数据中心周边的办公用房等在冬季需要供暖。如果在数据中心中采用热回收技术,将数据机房的热进行回收,就可以为周边办公楼提供供暖。
　　
　　对于水冷系统的数据中心,随着水资源消耗快速增长,水资源利用效率(WUE)逐渐得到大家的重视。数据中心可以对排污水、雨水等进行过滤、净化、消毒等技术处理后回收利用,减少水资源的消耗。
　　
　　5）智能化监控
　　
　　建立完善的智能化监控系统,并通过AI技术的智能算法进行分析,测算,在充分考虑PUE和安全性平衡的前提下,选择最合适的运行模式,从而使得数据中心既节能,又安全。
　　
　　2、自建分布式光伏电站
　　
　　在太阳能资源丰富地区,数据中心可以利用建筑屋顶、侧立面自建分布式光伏电站。商业模式采用“自发自用,余电上网”。目前,有的互联网公司已经逐步推动数据中心使用绿色能源,有的数据中心探索应用多站融合的方案。比如,依据不同数据中心的选址情况,通过建设分布式光伏或风力发电,并且结合储能技术,为数据中心建立一个绿色电力系统。
　　
　　3、投资建设大型集中式光伏电站、风电等
　　
　　数据中心企业直接投资建设集中式风电、光伏电站。这种方式需要高额的前期投资,作为数据中心的非主营业务,国内数据中心企业目前尚未大范围开展。但是国际企业微软、facebook等已有一定探索和实践。随着国家东数西算工程的推进,大量的数据中心将在内蒙、甘肃、宁夏等西部地区建设,利用西部地区丰富的太阳能资源和广袤的土地资源,这种方式也将会有更多的应用。
　　
　　4、参与绿电市场交易
　　
　　绿电市场交易有两种方式,第一种是市场化采购可再生能源和清洁能源,电力用户直接与可再生能源电力企业或售电公司进行交易,交易价格由买卖双方进行协商、集中撮合、挂牌、竞价等方式确定。第二种就是购买可再生能源绿色电力证书,国家对发电企业每兆瓦时非水可再生能源上网电量颁发的具有唯一代码标识的电子凭证,也就是绿色电力证书。需要绿电的企业向有绿证的发电企业购买了绿证,即可宣称自己使用了绿色能源。
　　
　　5、参与碳排放市场交易
　　
　　我国的碳排放市场自2011年10月由发改委发起后,2013年6月深圳碳排放权交易市场在全国七家试点省市中率先启动交易。2021年7月全国碳排放权交易开市,首笔交易成交价格为52.78元/吨,交易额790万元,标志着我国的碳排放交易市场已经发展成熟,大家可以通过碳排放市场直接购买碳汇。
　　
　　三、数据中心供配电系统发展趋势
　　
　　1、电源绿色化
　　
　　在数据中心的供配电系统中双重市电+自备柴油发电机是最经典的配置方案。过去,我们很在意市政提供的这两路电源是不是真正的双路,并不在意这个电源是火电提供的还是可再生能源提供的。那么未来,我们可能还会更加关注外电源的颜色,可能就会有一路或者双路的可再生能源接入,或者通过电力交易市场交易使我们的电源绿色化。
　　
　　在数据中心的电源系统中,柴油发电机是一个特别刺眼的存在,尤其是在双碳背景下,柴油直接燃烧使数据中心直接产生了CO2,很多人提出能不能去掉柴发?我认为有这种可能性。
　　
　　国标GB50174规定备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组,也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。所以就有了3路市电的方案,3路市电方案在国网的数据中心、政府的数据中心比较多见,因为他们有得天独厚的市电资源。
　　
　　那么,对于我们大多数的没有丰富的外市电资源的数据中心来讲,柴发有没有可能被去掉呢?答案也是有这种可能性。目前可操作性较强的是发电机燃料的绿色化,比如:掺氢燃气轮机,因为燃料中加入了氢气,降低了发电机的碳排放量。另外一种极有可能取代柴发的技术就是氢燃料电池了。氢燃料电池的发电过程中只产生热量和水,不会对环境产生不利影响,支持零碳能源战略,而且能量密度高、发电效率高、无噪音污染。
　　
　　虽然现在氢燃料电池还处在商业化的初期,但是不管是国外还是国内已经有数据中心在尝试使用了。2021年8月,微软宣布成功测试了250kW氢燃料电池,为一排服务器连续供电48小时。今年6月,欧洲NorthC公司在他们的数据中心安装了500kW氢燃料电池。今年8月,微软又为他们的数据中心部署了一套3MW的氢燃料电池。国内方面,四川中核国兴科技、鹏博士西北5G大数据产业园,都公开宣布将规划建设氢燃料电池分布式电站,为数据中心提供电力。
　　
　　电源绿色化一定不能少了自建光伏电站。自建光伏电站可以在数据中心的屋顶设光伏板,经过逆变之后直接在低压配电系统并网,也可不设储能,因为屋顶可设光伏板的面积有限,产生的电量对数据中心来讲是杯水车薪,直接就消耗掉了。也可以采用这种系统形式,在光伏的直流母线上可以配上储能,可以给电动汽车进行充电,再配上双向变流器、升压变压器接入10kV母线侧进行并网。这种系统适合园区内规模较大的光伏系统。
　　
　　2、供电架构多样化
　　
　　国标A级数据中心最常用的架构就是2N架构,除了2N架构还有没有其他架构呢?当然有,我们可以用一路U电+一路市电的架构。这种架构去掉了一个N的UPS,直接用市电供电,系统效率提高了近一倍,UPS系统的投资也减少了近一半。
　　
　　国标GB50174里明确规定:A级数据中心同时满足5个条件时,可采用不间断电源系统和市电电源系统相结合的供电方式,也就是一路U电+一路市电的方式。这是从电源质量方面对2N架构进行替代的考虑。
　　
　　从IT架构层面考虑,IT定义基础设施,如果我们将数据做成一个非常大的集群,单个机柜的断电对整个业务的影响其实就没那么紧要了。那我们的配电系统还有必要一定选2N吗?
　　
　　除了UPS系统,当然我们还有高压直流系统,高压直流系统也分为2N架构和一路市电+一路高压直流架构。但是和UPS系统不同的是,高压直流系统用一路市电+一路高压直流架构的居多。这是为什么呢?经过对这类数据中心进行分析我们发现,用高压直流的数据中心多为运营商自用或者互联网企业自用,自用的当然是满足业务需求就可以了,不该花的钱没必要花。
　　
　　3、设备预制化
　　
　　电力模块预制化是将可模块化组合的配电设备组合在一起,在工厂进行组装并进行试验。通过一体化的设计、高密度的部件集成,大大减少了电力系统的占地面积;并且通过工厂预制化、去工程化,降低施工复杂度,缩短部署工期;此外,大多数这类产品还配置集成的智能化监控系统,预留外部通信接口,实现全链路可视化管理和预防性维护,确保系统的运行安全。预制化电力模块目前为止有三种形式:
　　
　　1）传统变压器+UPS形式。这种预制化电力模块将变压器、主进柜、母联、SVG、UPS及UPS输入输出柜集成起来,整体作为一个产品来提供。如果变压器前面需要做高压隔离检修柜,也可以把高压隔离检修柜集成进来。
　　
　　2）采用高压直流。他的优点和第一种类似,适合在采用高压直流系统的数据中心使用。
　　
　　3）采用多脉冲移相变压器+高压直流。多脉冲移相变压器可以实现变压器端更低的谐波和更高功率因数,从而去掉传统高压直流系统中,功率模块内部的功率因数校正环节,使得整流柜内电源模块仅负责调压即可,拓扑结构大大简化,功率模块的体积大大降低。从厂商给出的数据来看,系统效率可以达到峰值98.5%。在20%轻载时,效率也能达到97.5%。
　　
　　4、效率的极致化
　　
　　拿UPS来讲,我们运用智能休眠技术,让UPS在极低负载率(10%-15%以下)时,启用智能休眠,使部分模块进入待机状态,提升系统负载率,从而提高运行效率。休眠之后,系统仍会保持至少一个模块冗余,并在系统负载增加时立即唤醒休眠模块,确保系统安全可靠。
　　
　　此外,过去我们的UPS往往工作在双变换状态,这样UPS的效率最高也就能做到96～97%。现在有不少产品可以让UPS在电网质量较好时,通过静态旁路为负载供电。在这种工作状态下,逆变器与旁路并行运行,逆变器主动过滤负载谐波电流,确保电源侧的功率因数接近于1,在市电电源故障时逆变器回路可以无缝接管负载,这样UPS的效率就可以提升到99%了。
　　
　　效率的极致化,还体现在变压器的节能上,变压器的能效等级首先应符合GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》要求。这本规范将变压器的能效等级分为3级。从规范的角度,目前为止并没有哪一本规范规定你什么样的项目选1级、什么样的项目选2级、什么样的项目选3级。但是,根据2021年工信部等三部门联合印发的《变压器能效提升计划》,
　　
　　到2023年,高效节能变压器(也就是GB20052-2020中1级、2级变压器)在网运行比例提高10%,当年新增高效节能变压器占比达到75%以上。所以,有条件的项目还是应该首选2级或者1级变压器。
　　
　　近年来,非晶合金变压器以较低的空载损耗赢得了越来越多的关注。通过表1(变压器空载损耗统计表)可以看出,新国标三级能效的SCBH15系列非晶合金变压器比SCB13系列硅钢变压器的空载损耗降低了60%左右。那么,拿单台2500kVA的变压器来讲,非晶合金变压器比硅钢变压器,每年可节省12527度电,按0.6元/度计算,每年将节约费用约7516元,按变压器30年设计使用寿命计算,可累计节约电费约22.55万元,减少CO2排放约330吨。
　　
　　5、监控智慧化
　　
　　过去,很多数据中心没有设置专业的电力监控系统,只是在动环监控系统中接入一些智能仪表,将系统各个节点的数据传到动环监控系统管理平台,做一个简单的数据收集及能耗分析,缺乏对电力系统整体的健康诊断及运维策略建议。
　　
　　一套完善的电力监控系统应通过各种通信网络将配电系统中的智能配电终端设备如:综保、孤光保护、智能仪表、智能断路器、温度传感器、中压电源切换系统、电容电抗、SVG、有源滤波等与计算机控制设备连接,实现对配电系统的检测、控制和智能化管理;并在智能网络架构、双向通信网络的支持下,满足配电系统集成、互动、诊断、兼容、优化的需求。采用管理层、网络层、现场设备层3层网络结构,在管理层集成能效管理、资产管理、电能治理、预测仿真等功能,还可以整合一些电力顾问、千里眼等专业的云端服务。
　　
　　随着互联网、虚拟化、云计算等技术及应用的进一步发展,未来的智能配电管理系统将更融合、更智能、更开放。
　　
　　作者简介
　　
　　郑美英，高级工程师、注册电气工程师,从事数据中心设计工作10余年,近年来负责设计的主要项目有:润泽(惠州)国际信息港项目、长三角•平湖润泽国际信息港项目、兰州新区大数据产业园建设项目;中国联通华北(廊坊)基地建设项目;润泽国际信息港数据中心建筑工程;中国联通(哈尔滨)数据中心工程项目;中国联通贵州贵安数据基地项目等。
　　
　　编辑：Harris