打造零碳数据中心的体系和方法论

赵静宜，杨瑛洁（.中国联合网络通信集团有限公司，北京 00033；
.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 450007）

2020 年9 月，中国宣布力争2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和。实现碳达峰、碳中和是国家战略，也是社会各界的共同责任。作为信息能源系统发展的基石，数据中心是耗电大户，更加需要梳理能源架构，按照国家政策指引，降低能源消耗，采用一切手段实现碳达峰乃至碳中和。

中国的碳中和需要构建一个“三端共同发力体系”。第1 端是电力供应端的低碳化，第2 端是能源消费端用能以绿电、绿氢、地热等替代煤、油、气。第3端是固碳端，把“不得不排放的二氧化碳”用各种人为措施将其固定下来。全国各行业一起，按照宏观规划路线，经过“控碳”“减碳”“低碳”3 个阶段，最后达到“中和”阶段［1］。

数据中心属于能源消费端领域，要达到零碳数据中心的目标，应首先分析碳排放的组成部分，然后明确建立3步走的方法（见图1），通过提升能源使用效率以降低电力消耗、使用清洁能源或者能源替代等方式降低碳排放、通过碳交易等方式实现碳抵消的步骤达到目标。

图1 零碳数据中心打造方法及流程

以下以一个华北地区千架数据中心为例进行碳排放的分解说明。

该数据中心拥有1 000 个6 kW 机柜，运行PUE 为1.5，假设该数据中心配置16 个维护人员进行维护，维护用房面积为100 m2，冬季购买市政热力进行办公采暖。配置6 台2 000 kW 柴油发电机组作为备用电源，维护计划为系统每月带2 000 kW 假负载运行0.5 h，人员通勤未使用燃油班车，每年断电需运行柴油机组带载的情况合计约10 h。

按照《公共建筑运营企业温室气体排放核算方法和报告指南》（试行）规定，数据中心中的碳排放源主要包括固定燃烧源燃烧化石燃料产生排放，如锅炉、灶、备用发电机等化石燃料燃烧产生的排放等；
移动燃烧源燃烧产生的排放，如交通工具的排放等；
外购电力和热力的排放；
逸散型排放源，如空调、灭火器和化粪池等产生的排放（排放数量较小，一般情况下不予考虑）；
建筑物周围新种植树木的温室气体的抵消（由于建筑物周围新种植树木的温室气体抵消的数量较小，一般情况下不予考虑）；
委托运输产生的排放（可忽略）共6 个方面［2］。其中后3 个方面数量较小可忽略，则数据中心的碳排放量总值为：

以上各数值依次为碳排放总量、燃料燃烧产生的碳排放量、外购电力对应的碳排放量和外购热力对应的碳排放量，单位为t（tCO2）。

该数据中心外购电力产生的碳排放计算如下：

该数据中心的电力消耗为：1 000×6×1.5×8 760 kWh=78 840 MWh

购入电力所对应的CO2排放量为：

其中AC e 为统计期内运营单位（企业）购入的电量，单位为MWh。

EFe 为统计期内运营单位（企业）所在区域电力消费的CO2排放因子，单位为tCO2/MWh。2022 年3 月，生态环境部应对气候变化司更新了《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施（2022 年修订版）》，全国电网排放因子调整为0.581 0 tCO2/MWh［3］。

该数据中心化石燃料使用带来的碳排放计算如下：

该数据中心的每年燃油消耗约为：（12×0.5×200×2000+10×9 000×200）/1 000=20 400 kg=20.4 t

每年燃料燃烧产生的碳排放量为：

E燃料=AD×EF=20.4×43.3=883.32 tCO2

其中AD 为消耗的柴油的活动水平数据，是柴油燃烧的数量，单位为GJ。柴油燃烧排放的活动水平数据为年度分品种化石能源消耗量和燃料平均低位发热量（取缺省值43.3 GJ/t）之积。

EF为柴油的排放因子，单位为tCO2/GJ。

该数据中心外购热力带来的碳排放计算：

该数据中心的热力消耗约为（120 天）：120×100/1.9=6 315.79 GJ

按照市政供热每GJ热量供暖1.9 m2进行估算。

每年外购入蒸汽和热水所对应的CO2排放量为：

E热力=AC h×EF h=6 315.79 GJ× 0.11 tCO2/GJ=694.74 tCO2

其中AC h 为运营单位（企业）外购蒸汽和热水的数量，单位为GJ。

EF h 为运营单位（企业）外购的蒸汽和热水的排放因子，单位为tCO2/GJ。由国家统一规定确定，现可采用缺省值0.11 tCO2/GJ［2］。

数据中心碳排放汇总如下：

该数据中心每年的总的碳排放为

E总=E电力+E燃料+E热力=45 806.04+883.32+694.74=47 384.1 tCO2

其中，电力消耗产生的碳排放占比达96.67%。

为了方便分析主要因素，上述碳排放计算中忽略了多种影响较小的排放源的排放，比如说空调设备、灭火设备、高压电力设备SF6气体等的逸散物质排放，电动车充电形成的电力消耗，如有员工食堂则会出现天然气燃烧引起的碳排放等，也并未计入生产经营过程中的碳排放。具体计算结果如表1所示。

表1 千架数据中心年度碳排放内容及占比

实现零碳数据中心的目标将通过3步走的方式达成：通过提升能源使用效率以降低电力消耗，使用清洁能源或者能源替代等方式降低碳排放，通过碳交易等方式实现碳抵消。

如果将上述算例中该数据中心的运行PUE 取值从1.5降低到1.1，每年的总的碳排放则会下降为：

此时比PUE 值为1.5的情况减少12 422.78 tCO2碳排放，降低26.22%。测算运行PUE 从1.5 降低为1.4、1.3、1.2和1.1时总的碳排放下降情况如图2所示。

图2 千架数据中心运行PUE的降低对于碳排放量的影响

提升数据中心能源使用效率可以从根源上降低电力消耗，即通常所理解的降低运行PUE 值。从上述算例分析可知，这个做法大约最多可降低26%的碳排放。图3 所示为数据中心运行PUE 值为1.5 情况下各专业占比的典型值饼图，其中IT 设备贡献值为67%，空调制冷系统占到了26%，配电系统对于PUE 值的贡献小于10%。下面从3 个方面分别介绍提升能源使用效率的技术实现方式。

图3 数据中心运行PUE分配的典型比例

3.1 数据中心降低PUE值的电力节能措施

数据中心的整个配电链路在不断地进行简化和升级。目前已经采取的节能技术措施主要有升压、直流供电、架构简化、提高设备负荷率等。

电源设备的优化升级和技术创新也在快速进行，设备体积更小，效率更高，维护更为便捷。UPS设备的效率从90%以下提升到96%，效率的提升不仅能够节约设备自身的耗电，同时也能够节约为设备降温的空调设备的配置和耗电。

中国联通自研的预制化一体化电源设备2021 年已经在某省进行了直流试点应用（见图4），2022 年在某数据中心基地进行了交流设备的大规模商用，其他一些工程建设也开始使用这种预制化集成式设备。多个应用案例已经证明，该技术可以有效节约电力室面积达40%，节约施工周期80%，该设备的智能化功能可以实现整体链路的监控预制，方便后期运维，提升数据中心的出机柜率。

图4 中国联通自研的预装式一体化电源设备

3.2 数据中心降低PUE值的制冷节能措施

数据中心的PUE 值中，贡献值最大的除了服务器设备之外就是制冷系统。设法使用更多的自然冷源是数据中心节能技术的重要方向之一，在近些年的数据中心建设中板式换热器、间接蒸发制冷、智能双循环空调等利用自然冷源的技术被大量采用。另外也有一些数据中心开始使用液冷技术，将热量用液体换热方式直接从服务器带到室外。其他方面比如封闭冷热通道、优化气流组织、提高水温等手段也应用较多。同时发现，单靠单一专业进行单军作战已经不能满足技术发展的需要。数据中心的冷电协同和智能管控技术变得越来越重要。供电设备和制冷系统开始联合起来进行专业间的技术研究，中国联通目前的研究方向为实现数据中心的空调自控系统、电能管理系统，楼宇自动控制系统等由传统的向上级平台汇总转变为横向交互、协同控制，通过优化调整使设备和系统整体运行在效率较高区域，通过AI调优使得系统的运行更加智能和节能。

3.3 其他节能措施

其他的一些高效技术也在中国联通的数据中心中被大量采用，能够明显提升能效、节约占地面积、提升出机柜率、降低投资。比如数据中心园区的油机资源池技术，使用池化的概念将短期内富裕的容量调剂给新建负荷使用，降低整体TCO；
小母线技术在节省列头柜位置的同时也可以灵活扩容，提升出机柜率；
室外集装箱柴油机组的使用在解决了制冷和保温等因素限制后可以有效加快建设进度，节约建筑面积。在前一个规划期内，中国联通全国大面积推广自研的“云舱”技术进行气流组织管理，推广使用智能双循环空调、间接蒸发制冷等节能降碳技术，已经取得了显著效果。

4.1 降低数据中心电力消耗产生的碳排放

4.1.1 电力排放因子的区别

数据中心运营过程中碳排放占比最大的是电力消耗产生的碳排放，这部分碳排放占总体碳排放的95%以上。按照前述分析，通过降低电力消耗即PUE值的方法可以降低26.22%的碳排放，还有约70%属于电力使用当中固有的碳排放需要关注。要解决这个问题就需要能源供应端发力，改变电力供应结构，降低排放因子，或者企业引入新能源发电。

电网排放因子与可再生能源、火电机组单位供电标煤耗密切相关。从理论上讲，可再生能源比例越高，火电机组单位供电标煤耗越低，电网排放因子越小。

本文采用的全国电网排放因子是2022 年由生态环境部规定的0.581 0 tCO2/MWh。实际上各区域和各省的电网中清洁能源和可再生能源电力占比相差较大，排放因子各不相同。根据2019 年4 月《生态环境部关于商请提供2018 年度省级人民政府控制温室气体排放目标责任落实情况自评估报告的函》的附件“二氧化碳排放核算方法及数据核查表”可知，北京市电力排放因子为0.616 8 tCO2/MWh，青海省的电力排放因子只有0.260 2 tCO2/MWh，相差较大［4］。如果将建设在北京的运行PUE 值为1.5 的数据中心改为建在青海省，则每年总的碳排放量可降低至22 092.22 tCO2/MWh，降低幅度达53.38%。因此将数据中心建设在电力排放因子较低的地域是获取较低的碳排放的首要措施。

随着我国可再生能源在电网中发电比例的增加，电力排放因子将继续下降，这对于用户来说无疑是非常有益的，但是受电网稳定性的限制，这个数值一定有个底限，剩余的无法降低的碳排放依然需要用户自身解决。

4.1.2 企业新能源发电

数据中心用户在企业内部自建新能源发电站，如屋顶光伏、墙体光伏等光伏电站，使用新能源发电也可降低自身外购电力产生的碳排放。

在上述算例中，数据中心和配套柴油发电机房屋顶安装光伏板，采用540 Wp 光伏组件，光伏组件周围预留维护空间，经测算总装机容量为84.2 kW，根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797−2012）中的发电量计算方法［5］，20 年周期内年均理论发电量约为8.2 万kWh，可节约的碳排放量为4 764.2 tCO2/MWh，占总碳排放量的10.4%。

另外数据中心运营方可以在有条件的地区就地自建大型光伏电站，或者与光伏电站进行合作引入绿电，这就需要关注数据中心集群配套可再生能源电站、数据中心大用户直供、拉专线、建设分布式光伏等方式的跟踪和研究，进一步提高数据中心的清洁能源利用比例。

4.2 降低数据中心燃料消耗产生的碳排放

本文所述千架数据中心中，每年发电机组所使用燃料产生的碳排放占总的碳排放的1.93%，这一部分排放需要使用什么方法进行消除呢？笔者进行了一系列思考，对比了氢燃料发电作为备电和电池储能系统作为备电的技术可行性。

中国联通自2008 年起就开始了小容量的氢燃料电池研究，推动并积极参与中国通信标准化协会组织的氢燃料电池供电系统的标准制定，2011 年中国联通在山东、上海和辽宁进行了基站用氢燃料电池应用的试点工作。微软也在2022 年7 月宣布成功设计和测试一个3 000 kW 的氢燃料电池系统作为数据中心的备用电源来替代柴油发电机组［6］。从目前技术研究情况来看，氢燃料电池有望进入数据中心。

电池储能系统替代柴油发电机组作为备电也将成为可能。储能系统可以获得峰谷电价差之间的利益，但是无法像备用柴油发电机组那样依靠8～12 h 燃油储备和后续的油罐车加油获得长时间电力供应，故两者之间的比较不在同一个水平上。根据测算，如果用户可以接受1 h 电力后备时间，那么使用2～3 h 的储能系统无疑是非常合算的备电方式，但如果用户要求储能提供12 h的后备电源，则储能成本将过于高昂。

需要说明的是，行业中经常提到的数据中心企业运营方使用储能技术对于降碳并无贡献，无论是水蓄冷还是电储能，储能本身产生能量消耗，并不会使得数据中心PUE 值降低。储能应用在数据中心中一方面可以形成与备用电源类似的连续供电能力，另一方面主要是利用峰谷电价差政策获得削峰填谷的电价收益。近段时间随着国家新能源发电占比提高，为了提高电力系统稳定性，用户侧响应政策在各地也都纷纷出台。有储能设备的用户在电网需要进行负荷调节的时候转变为分布式虚拟电厂，发出电力获得效益，这也成为一个运营获益思路。但是由于电网不稳定或者是电力出现匮乏的时期，数据中心运营方往往会更加关注电力的可靠连续运行，需要保证负荷的用电安全，所以这一政策对于数据中心运营方来说是一个进退两难的诱惑。

如果不采用上述2 种方法，该部分排放可以最终使用碳交易的方式进行抵消。

4.3 降低数据中心热力使用产生的碳排放

本文所述千架数据中心中，每年热力使用产生的碳排放为694.74 tCO2，占总的碳排放45 806.04 tCO2的1.52%，这部分热力使用可以通过数据中心余热回收的建设进行消除，难度相对较小。根据在余热回收方面的研究成果，规模较大的数据中心产生的热力资源较为充沛，满足自身运维的热力使用只是其中较小的一部分，可以将余热收集进行处理后与外部热力管网进行对接，在将来作为碳交易的一部分进行抵消。

4.4 降低数据中心产生的其他碳排放

中国联通也正着力实施运营全流程管理的数字化，实现数据中心的智慧能源管理功能，进行能耗的全方位监测和运营优化管理；
同时着手进行数据中心的碳管理，从设计、采购、建设、运营、回收等各个环节进行管理降碳。这部分属于范围3 的排放，需要在进行管理降碳与统计之后移交碳抵消和碳交易环节来处理。

实现数据中心的碳中和，除了使用各种手段降低能耗，减少碳排放，还需要采用合理的措施进行碳抵消。考虑到在数据中心碳排放各组成成分中，由于受到电网稳定性限制，电力系统不可能实现完全使用非化石能源发电，所以外购电力不可能实现完全无排放，则需要考虑购买绿证或者使用绿电的方式降低或抵消外购电力产生的碳排放；
而碳中和进程当中，化石能源的使用和热力使用，以及人员活动当中产生的少量排放也需要充分考虑。国家为加快能源转型，促进新能源发电的发展和能源领域碳排放控制，不断推出新的政策和市场机制，已分别推出全国碳交易和绿电交易试点工作。截至目前，我国能源领域已经形成了绿证交易、绿电交易和包含碳排放配额和CCER 在内的碳交易3种市场机制并行的格局。预计可以通过企业统筹协调方式建设高质量生态碳汇的手段来抵消和碳交易，例如使用在一些资源丰富的地区构建林业碳汇、草原碳汇等方式。将来为了实现全国范围内数据中心运营碳中和的目标，可以考虑与区块链碳信用供应商合作，购买高质量的碳信用，或者使用碳金融交易方式作为数据中心碳中和战略的重要补充。

数据中心运行的降碳目标是成为零碳数据中心，实现碳中和。需要对现有运行数据进行详细分析，对数据中心在生命周期内直接或间接产生的温室气体排放总量进行梳理，使用各种手段减少直接排放，通过降低能耗、使用新能源、外购绿电等方式减少范围2排放，通过人员及生产活动标准化梳理和资产全流程碳资源管理等手段降低范围3 排放，同时使用林业碳汇固碳、二氧化碳捕集利用与封存、碳交易等方式进行正负抵消，实现总排放为零的数据中心。

中国联通一直关注数据中心的碳增长点，正在建立完善的系统化双碳管理平台，依靠数字化手段对目前的碳源进行梳理管控，致力于建立健全总量+强度指标体系，加强行业协同，为完善“双控”制度做准备。同时，对新形势下能耗指标在企业内部的流动及考评也进行了研究和试点。在国家政策指引下，应加强关注碳排放源，建立健全化石能源和主要网络用电设备台账，为碳核查、碳交易做准备。关注碳变化点，结合投资及新型模式引入进程，逐步完善用电计量，为考核及碳交易做准备。

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