一、引言
　　
　　近年来,中国的社会经济发生了巨大的变化,国家实力不断增长。按“国内生产总值”作为排名参数,中国已经超过日本,成为次于美国的世界第二大经济体。然而之前我们走的是一种拼资源、拼人力、高投入、高消耗、高排放的粗放式发展道路,透支了中国的环境和资源。尤其令人惊讶的是,现在中国已经超越美国成为最大的温室气体排放国。
　　
　　2020年9月在联合国大会上,习近平主席发言表示:中国将提高国家自主贡献力度,力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,争取2060年实现碳中和;同年12月,习近平主席在为纪念《巴黎协定》达成五周年举办的气候雄心峰会上,进一步宣布提高国家自主贡献力度的一系列新举措。
　　
　　据《中国“新基建”发展研究报告》称,从全球来看,到2025年,数据中心将占全球能耗的最大份额,高达33%。从我国国内来看,全球数据中心的耗电量已经连续八年超过12%的增长速度。作为为数不多的能耗占社会总用电量比例持续增长的行业,数据中心积极践行碳中和意义十分重大。
　　
　　不管减排路径与方式如何区别,对于数据中心项目而言,绕不开的第一步是计算出整体的碳排量,如何科学和正确计算出数据中心项目的碳排放量以及标煤量就成为首先要解决的问题,本文对此进行分析和研究,与同行探讨。
　　
　　二、数据中心综合能耗
　　
　　如今,云时代蓬勃发展,新基建加速落地,在全社会深入推进节能减排的背景下,节能降耗成为政府和数据中心产业的共同目标,数据中心对能源的使用是多方面的,不仅存在于外购电力、备用柴油发电机运行燃烧柴油产生的二氧化碳、生活用水、空调补水所消耗的工作质-水也需要计算到综合能源消耗及碳排放中。
　　
　　目前我国着力优化能源结构,把发展清洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向,坚持发展非化石能源与化石能源高效清洁利用并举,逐步降低煤炭消费比重,提高天然气消费比重,大幅减少能源消费排放。由于发电过程的热损耗,目前我国常规火力发电厂的热效率往往低于40%。而发展热能梯级利用技术,能显著提高能源利用率,例如燃气-蒸汽联合循环热电冷三联供系统,统筹考虑用电、制冷、热水等负荷需求,实现生产电能、热能和制冷的联产技术,综合用能效率可高达90%;位于北京市昌平区的某科技园区数据中心项目已经采用燃气三联供机组,燃烧天然气发电,并利用余热经过溴化锂机组制冷来替代一路市电,以降低二氧化碳排放量。未来数据中心建设方式很可能以燃气供应来替代外购电力,天然气的消耗量也应考虑在数据中心的综合能源消耗范围内。
　　
　　2.1外购电力消耗量
　　
　　根据数据中心项目产出机柜数、单机柜功率、年平均PUE值可求得数据中心年耗电量,计算公式如下:
　　
　　式中:EA电——年耗电量,万kWh;
　　
　　C1——产出机柜数,架;
　　
　　C2——单机柜功率,kW;
　　
　　PUE——年平均PUE值
　　
　　2.2耗能工质-水消耗量
　　
　　数据中心水资源消耗量,包含空调系统补水消耗量以及办公生活用水消耗量两部分,空调补水消耗量可按每机柜每天消耗0.3m2水估算,办公生活用水可按每人每天40L估算,计算公式如下:
　　
　　E水=(C1×0.3+0.04×C3)×365   (2)
　　
　　式中:E水——年耗水量,m3;
　　
　　C1——产出机柜数,架;
　　
　　C3——运维人员数量,位
　　
　　2.3柴油消耗量
　　
　　数据中心多采用10kV基本功率为2000kW柴油发电机组,根据经验值每台机组每小时消耗柴油500升,按每月每台柴油发电机保养检修运行30分钟估算,每台柴油发电机每年运行6小时,由此可求出数据中心每年柴油消耗量,计算公式如下:
　　
　　
　　式中:E柴油——年消耗柴油量,吨;
　　
　　C4——数据中心配置的柴油发电机总台数,台
　　
　　2.4天然气消耗量
　　
　　按市场主流燃气发电机产品,每1m3天然气可发4kWh电,同时回收4kW冷量估算天然气使用量,公式如下:
　　
　　　　
　　式中:E天然气——年消耗天然气量,m3;
　　
　　EA电——年耗电量,万kWh;
　　
　　2.5综合能耗计算
　　
　　按市场主流燃气发电机产品,每1m3天然气可发4kWh电,同时回收4kW冷量估算天然气使用量,公式如下:
　　
　　数据中心综合能耗计算主要基于GB/T2589-2020《综合能耗计算通则》内的要求,计算公式为:
　　
　　
　　式中:E——综合能耗;
　　
　　n为消耗的能源种类数;
　　
　　Ei为生产和/或服务活动中实际消耗的第i种能源量(含耗能工质消耗的能源量);
　　
　　ki为第i种能源的折标准煤系数;
　　
　　标准煤系数可参照GB/T2589-2020《综合能耗计算通则》附录A及附录B内参数,根据不同能源消耗的总量及其相应的折标煤系数就可求得数据中心的综合能耗总量。常用折标煤系数见表1:
　　
　　三、数据中心碳排放核算
　　
　　目前数据中心碳排放核算并无相关认证评价标准,根据相关的国际标准,企业减排责任划分可分为三个范畴:范畴一最为直接,主要是指直接排放;范畴二主要包括企业用电和用蒸汽产生的排放,因为用电或用热需要从公共事业单位购买,而这个过程中的碳排放并不发生在企业的物理边界内,所以属于间接排放;范畴三主要是指与企业生产经营有关的其他排放,其边界并不是很清晰,涉及到产业链,包括向上游购买到产品以及向下游销售的产品等。一般而言,数据中心考虑碳排放时只考虑范畴一和范畴二的排放。
　　
　　3.1外购电力碳排放量
　　
　　一般情况下,数据中心的电力供应都来自于市政电网(外购电力),是碳排放的关键项指标,对于数据中心的碳排放计算,由于现行标准GB/T32151《温室气体排放核算与报告要求》中并不包含数据中心行业,因此根据ISO14064-1:2018《温室气体-第1部:组织层面上温室气体排放与清楚量化及报告规范》内的要求,和GB/T32151.1-2015《温室气体排放核算与报告要求第1部分:发电企业》中的5.2.4“购入的电力产生的排放”的计算方法来进行计算。同时这也是比较常规的,对我国企业的企业社会责任报告(ESG)碳排放量核算的通用方法,计算方法如下:
　　
　　
　　式中:E电为购入电力消耗所对应的电力生产环节产生的二氧化碳排放量,tCO2;
　　
　　EA电为核算和报告期内的购入电量,kWh;
　　
　　EF电为供电排放因子,kgCO2/kWh。
　　
　　3.2二氧化碳排放因子
　　
　　根据式(6)可知,当知道能源消耗总量乘以对应的排放因子即得所排放的二氧化碳排放量,参考GB/T32151.1-2015《温室气体排放核算与报告要求第1部分:发电企业》,第5.2.2.3节“排放因子数据获取”计算公式为:
    　　　
　　式中:EFi为第i种化石燃料的二氧化碳排放因子,单位为tCO2/GJ;
　　
　　CCi为第i种化石燃料的单位热值含碳量,tC/GJ;
　　
　　OFi为第i种化石燃料的碳氧化率,以%表示,一般在98%至99%之间,本次取整按1。
　　
　　参照《政府间气候变化专门委员会(IPCC)国家温室气体清单指南(2006)》提供的不同燃料的单位热值含碳量即CCi值,带入(7)公式即可求出不同燃料的二氧化碳排放因子EFi值(tCO2/GJ);
　　
　　根据GB/T2589-2020《综合能耗计算通则》附表A不同燃料的平均低位发热量值(KJ/Kg)或(KJ/m3),将不同燃料的平均低位发热量值与相应的二氧化碳排放因子EFi值相乘即可得单位质量/体积燃料燃烧所释放的CO2的质量(tCO2/Kg)或(tCO2/m3),详见表2所示。
　　
　　四、计算实例
　　
　　以广东省某数据中心项目情况作为基础,分别对此项目采用外购电力方案以及天气发电方案进行综合能源消耗计算及碳排放核算,项目基本信息见表3。
　　
　　4.1对采用外购电力方案进行核算
　　
　　根据公式1至公式7对该项目进行综合能源消耗计算及碳排放核算,计算结果见表4。
　　
　　当此项目采用外购电力供电时，根据计算每年需消耗19980吨标准煤，对外排放55381吨二氧化碳。
　　
　　4.2对采用天燃气发电方案进行核算
　　
　　若此项目改用燃气三联供机组,燃烧天然气发电,并利用余热经过溴化锂机组为数据中心制冷,按市场主流燃气发电机产品,每1m3天然气可发4kWh电,同时回收4kW冷量,由于采用溴化锂制冷机组替代电制冷机组,保守估计PUE由1.35降低至1.30,则该项目的综合能源消耗及碳排放计算见表5。
　　
　　当此项目采用天然气机组发电并利用溴化锂机组制冷时,根据计算每年需消耗19178吨标准煤,对外排放33442吨二氧化碳。
　　
　　4.3两种方案的对比分析
　　
　　根据计算两种方案综合能源消费量基本相当;碳排放方面,天然气发电方案比外购电力方案降低约40%,可见天然气发电方案更有利于降低数据中心二氧化碳排放量,详见图1所示。
　　
　　五、总结与展望
　　
　　如文中计算结果所示,数据中心每年的能源消耗、二氧化碳排放量十分巨大;在碳中和、碳达峰的大背景下,未来数据中心的规划设计必定需要考虑能源的综合利用以及二氧化碳排放量等因素,根据文章计算,采用天然气机组发电并利用余热经过溴化锂机组为数据中心制冷的方式可比传统外购市电的方式,每年二氧化碳排放量降低约40%左右,具有较大的潜力,但仍需在方案设计阶段考虑天然气的持续供应、天然气的存储等问题。
　　
　　节能减排、绿色低碳将是数据中心未来发展的重要课题,作为用能大户,更要积极响应国家号召,在数据中心规划设计、运维管理方面不断探索实践,助力“碳达峰”、“碳中和”目标的实现。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]国家市场监督管理总局,国家标准化委员会.GB/T2589-2020综合能耗计算通则.北京:中国标准出版社,2020.
　　
　　[2]中华人民共和国住房和城乡建设部,国家市场监督管理总.GBT51366-2019建筑碳排放计算标准.北京:中国建筑工业出版社,2019.
　　
　　[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T32151.1-2015温室气体排放核算与报告要求第1部分:发电企业.北京:中国标准出版社,2015.
　　
　　[4]ISO14064-1:2018温室气体-第1部:组织层面上温室气体排放与清除量化及报告
　　
　　[5]政府间气候变化专门委员会(IPCC)国家温室气体清单指南(2006)
　　
　　[6]开放数据中心委员会(ODCC).数据中心碳核算指南
　　
　　作者简介
　　
　　刘云龙,男,中国民生银行总行信息科技部,高级工程师,注册电气工程师。
　　
　　编辑：Harris