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数据中心如何摆脱“能耗巨兽”魔咒?
2020-03-23 16:59  · 来源:中国城市能源周刊  · 作者:齐琛冏  · 责编:城市能源
  近日,风头正劲的“新基建”将大数据中心(以下统称“数据中心”)纳入其中。云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术快速发展,数据呈现爆炸式增长,数据中心的建设也在全球成为大势所趋。
  据悉,这是近年来,数据中心首次被中央政府列为“加快建设”的基础设施条目。据预测,2020年中国数据中心IT投资规模将增长12.7%,超过4100亿元,而到2025年,这一投资规模将超过7000亿元。
  然而数据中心建设在加速发展的同时,带来的高能耗问题亦不容忽视。因能耗巨大,数据中心被公认为“不冒烟的钢厂”“能耗巨兽”。数据中心的能源使用与节能降耗成为项目运营方与能源供应方均不得不面对的课题。
  建设提速  信息“诺亚方舟”成“能耗巨兽”
  数据中心,被比喻为海量信息时代的“诺亚方舟”。行业人士认为,随着“新基建”的推进,无论是公有云还是私有云,建设都将提速,数据中心新建和扩容步伐会加快,相关设备及服务的需求也会快速增加。
  云计算之外,“新基建”名单中的其他“兄弟”——5G、工业互联网、人工智能等新兴领域技术飞速进步,亦拉动了社会对数据中心的需求。
  公开材料显示,2019年中国数据中心数量约7.4万个,约占全球数据中心总量的23%。
  互联网的高速发展、智慧城市的推进使得万物数据化,数据量和计算量呈指数级爆发,但从全国的角度看,为“计算”而付出的电量增长同样惊人。
  数据显示,早在2016年,我国数据中心的耗电量就已超过三峡大坝的年发电量,而到2017年,数据中心总耗电量超过三峡大坝和葛洲坝电厂发电量之和。华北电力大学2018年发布的《点亮绿色云端:中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》报告显示,2018年我国数据中心总用电量约160TWh,比上海市2018年全社会用电量还多。
  清华大学能源互联网创新研究院助理研究员王永真介绍,数据中心的能耗主要分IT设备及系统、空调散热系统、照明设备等三个部分,且能耗强度很高,是常规办公大楼的数十倍以上。
  为减少高能耗,提高空气质量,在全国兴建数据中心的浪潮中,北京、上海等城市却开始“减速”,控制和规范数据中心的建设。北京市于2018年发布文件,要求中心城区全面禁止新建和扩建数据中心,上海则严格控制新建数据中心,确有必要建设的,必须确保绿色节能。
  中国电子技术标准化研究院等单位发布的《绿色数据中心白皮书2019》(下称“白皮书”)指出,中国的数据中心能耗总量高速增长,明显高于世界平均水平。随着数据中心的规模越来越大、数量越来越多,耗电量出现激增。数据中心的高能耗,不仅给企业带来了沉重的负担,也造成了全社会能源的巨大浪费。
  “绿电”普及,促可再生能源消纳与数据中心降本兼得
  就像电脑需要散热一样,数据中心需要大量能源用来冷却。据悉,冷却部分的用能占到非核心设施用能的60%以上。
  因此,常年温度凉爽偏低、可再生能源丰富的地区备受各大数据中心青睐,并且已有了不少成功案例。
  贵州省贵安新区是我国首个国家级大数据综合试验区,其吸引了谷歌、阿里巴巴、腾讯等近300个数据项目入驻。
  据前瞻产业研究院分析,“电够便宜”是贵安新区吸引数据中心落地的原因之一。贵州省是“西电东送”的主要省份,电力资源丰富。该省比其他省份便宜一半以上的电价,可解决数据中心耗电量大的痛点。2019年12月,苹果iCloud中国(贵安)数据中心正式通电,据了解,该中心将采用100%可再生清洁能源供电,这也是中国第一个100%使用可再生能源的数据中心。
  为兼顾数据中心用能和新能源消纳双重需求,2019年,国家工信部等三部委联合发布的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》(下称“意见”)提出,到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,水资源利用效率和清洁能源应用比例大幅提升。意见同时鼓励数据中心直接与可再生能源发电企业开展电力交易,购买可再生能源绿色电力证书。
  国网冀北电力有限公司(下称“国网冀北电力”)相关负责人向记者介绍,位于河北张家口的阿里巴巴张北数据中心就通过当地的可再生能源电力交易平台购买电力,促进可再生能源就近消纳,降低了企业用能成本。
  然而王永真表示,数据中心几乎需要全年不间断运行,对电能、冷能供应的稳定性要求极高。
  可再生能源则具有间歇不稳定的特点,其是否可以满足数据中心的用能需求?对此,白皮书指出,数据中心使用可再生能源不无裨益。
  例如,可再生能源发电是高度模块化的,可以通过逐渐增加发电容量来匹配负载的增长,这就减少了数据中心因电力系统超额配置导致的损失。同时,可再生能源发电系统规划筹建时间比传统发电厂短很多,可降低投资和监管的风险。因此,提高可再生能源利用效率可以作为推动数据中心绿色化建设的主要方向。
  国网河南综合能源服务有限公司运营总监、中国能源研究会储能专委会会员刘浩告诉记者,提高新能源对大数据中心供电的可靠性,发展储能也很有必要。例如,分布式新能源通过储能可在大数据中心就近消纳。
  和以上地区相比,没有凉爽、低成本可再生能源等明显优势,但位于用户中心的北京、上海、粤港澳大湾区等地的数据中心又该选择怎样的能源供应模式?
  对此,王永真分析,从综合能源系统效率上来讲,天然气冷热电联供效率高,且系统输出的热电比特别适合数据中心的负荷特征,能够提高供能系统的设备利用率。因此,应结合当地资源禀赋,因地制宜,合理构建基于天然气联供的数据中心多能互补综合能源系统。
  问题诸多,兼顾“产消”的综合能源系统亟待构建
  据了解,数据中心的能耗相对于其他的建筑能耗有其自身特殊性,耗能设备的种类繁多、专业性强,其节能是一项多专业综合的系统工程。
  白皮书指出,我国的数据中心存在能效管控技术不完善、能耗统计指标不细化、能耗预警机制不健全、能耗检测与节能体系不成熟等问题。
  如何系统化推动数据中心能源系统的优化,进而节能减排?王永真建议,对有条件的地区,首先要考虑做好基于“产消者”视角的数据中心综合能源系统的顶层设计。
  “数据中心完全可以被看成具有能源生产和消费双重身份的‘产消者’”。他具体解释道,一方面,作为能源消费者,数据中心节能降耗的首要任务就是负荷侧能耗的降低。具体措施包括采用更节能的机架、服务器及运行策略、配电系统和空调系统的优化,甚至自然或免费冷源的使用等。另一方面,作为能源生产者,数据中心也可以供能,比如用热泵技术回收数据中心大量的低品位余热,用于周边建筑的采暖、生活热水供应或泳池加热,不仅节省建筑采暖费用,还能够降低数据中心散热能耗。
  王永真进一步介绍,数据中心作为“产消者”,其顶层规划既要考虑自身能效的提升,又要考虑上下游能源的供应和需求,例如,上游能源资源功率和价格波动的特性,能够利用的能源种类、数量等;下游要考虑负荷的种类、波动、用能成本及可靠性、社会环境效益等,因此,其节能减排会变得复杂。但是从全局优化的角度看,数据中心综合能源系统的效率会得到提高,能耗成本会实现优化,同时能够与周边能源供应与消费的上下游实现共赢。
  因此,他建议将数据中心能源系统的规划提前纳入所在园区基础设施的一体化建设规划,统一施策,这样不仅有利于提供更加优质的综合能源服务,对园区的招商引资也具积极促进作用。
    (编辑:齐琛冏)
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