数字化应用推动数据中心建设的大力发展,同时数据中心建设又面临节能低碳的重大挑战,如何才能建制节能低碳的数据中心以满足快速增长的市场需求成为行业面临的课题!
　　
　　一、数据中心的发展背景
　　
　　2020年4月国家发改委进一步明确了“新基建”的七项内容,其中“大数据中心建设”位列其中。从智研咨询的报告来看,2015-2025年间我国数据中心的市场规模一直在持续增长,尤其是近几年的增速还在加大。今年底,我国的数据中心市场规模将达到2,486亿元,到2025年将达到5,952亿元,是今年的两倍还要多。
　　
　　去年阿里云宣布,未来3年投资2,000亿元用于数据中心建设,腾讯火速跟进5,000亿元重点投资数据中心项目,快手宣布在乌兰察布投建首个大型数据中心，中国移动计划三年投资千亿元以上打造移动云，等等这些规划正在快速实施，其中也有不少项目采用了台达的电源系统。
　　
　　自2010年起,我国数据中心总用电量连续8年以超过12%的速度增长,2020年全国数据中心用电量约为2,000亿千瓦时,约占全国总用电量的2.7%,而同时期这一数据的全球平均值约在1%强。现在国家要将家用、农用之外的电价放开，这样可能会使高耗电用户的成本大幅增加,以一个100面机柜，功率密度为6kW的数据中心为例，如果每度电增加0.2元，一年的电费将增加100万元以上，是非常可观的。
　　
　　我国现在的电力有超过三分之二还是来自火电,水、核、风、太阳能等新能源总共不超过三分之一。
　　
　　2020年9月22日,习主席在第75届联合国大会上提出“3060碳目标”,也就是2030年实现碳达峰,2060年实现碳中和。国家目标如此,作为耗电大户的数据中心肯定不能例外,降低其能耗要求的紧箍咒也就越扎越紧!
　　
　　2021年7月工业和信息化部颁发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》(工信部通信﹝2021﹞76号)要求到2021年底新建大型及以上数据中心PUE值降低到1.35以下;到2023年底,新建大型及以上数据中心PUE值降低到1.3以下,严寒和寒冷地区力争降低到1.25以下。
　　
　　而在各地的具体执行中更为严格,指标要求的时间也更为提前,比如北京、上海、广东已经要求新建大型数据中心PUE<1.3,单机柜功率>6kW。对于PUE>1.8,单机柜功率<3kW,上架率<30%,或者机架数<300面的数据中心,要求进行改造、合并或者腾退。
　　
　　2021年10月11日GB40879-2021《数据中心能效限定值及能效等级》发布,2022年11月1日将正式实施。标准规定一级、二级、三级数据中心的PUE值不得大于1.2、1.3、1.5。
　　
　　以上这些紧箍咒正是当前数据中心建设的最大挑战,其核心是节能,目的则是减少“碳排放”!
　　
　　二、正确认识数据中心的碳排放
　　
　　什么是碳排放?根据生态环境部的定义:碳排放是指煤炭、石油、天然气等化石能源燃烧活动和工业生产过程以及土地利用变化与林业等活动产生的温室气体排放,也包括因使用外购的电力和热力等所导致的温室气体排放。
　　
　　对于数据中心来说,电力消耗是导致其碳排放的主要原因,所以国家政策和人们的关注点往往都过多地集中在数据中心如何减少对电力的消耗上。从碳排放的定义来看,几个与数据中心碳排放相关的观点有必要说明一下。
　　
　　1.PUE值低≠数据中心低碳
　　
　　我们知道:PUE=数据中心设备总能耗/IT设备能耗。从上式所知,不仅要降低比值,还要降低包括IT设备在内所
　　
　　有设备的能耗,才能达到节能减排的目的。
　　
　　美国能源署几年前就出台了一项80PLUS计划,对于台式机或者服务器于不同的负载率情况下,如果电源效率均在80%以上并且PF值于满载下大于0.9,则给予一定的补贴,根据节能程度不同又分为白牌、铜、银、金、铂金、钛金六个等级。台达作为服务器电源的世界第一厂商,其供应的服务器电源效率可达96%,达到了美国80PLUS最严苛的钛金级能效要求,所以美国的台达服务器电源用户都可以拿到来自政府的最高补贴!
　　
　　2.设备效率高≠数据中心低碳
　　
　　这一点跟上一个类似,效率=设备输出有用功/设备输入有用功*100%,它是一个比值,效率再高,只要是功率大,对电力的消耗就大,碳排放也就高。
　　
　　3.数据中心碳中和≠没有碳排放
　　
　　只要有人类活动就有碳排放!根据国家规划,到2060年将实现碳中和,所谓碳中和是指碳排放与碳吸收的平衡,排放多少就吸收多少。要想实现双边平衡一方面要尽量减少碳排放,比如节能减排、采用绿色能源、储能等;另一方面要促进碳吸收,比如采用碳捕获变害为宝,二氧化碳造淀粉技术、植树造林。实在不行还可以花钱购买,自己排放的二氧化碳让别人帮助吸收掉,从而实现碳中和。
　　
　　三、碳排放在数据中心中的表现
　　
　　电力消耗是数据中心碳排放的主要表现,除此之外发热量、用水量、维护量、改造工程、员工交通等等也都是,这些属于数据中心在运营维护阶段的碳排放。整体来看数据中心的碳排放贯穿于数据中心的整个生命周期,从规划设计到工程实施,再到运营维护,甚至到项目废止,所以又叫碳足迹。
　　
　　•在数据中心的规划设计阶段选址非常重要,除气候外,如果只有火电,这个数据中心实现碳中和的压力也就比较大了。除此之外,选址还要看用户,如果就近的用户比较多,那么数据中心就能很快发挥最大的效能,所以一些数据中心投资公司对于长三角、珠三角、京津冀区域的数据中心项目非常热衷。所以数据中心的选址需要综合考量。
　　
　　•建筑物对碳排放的影响也很大,采用什么样的建材决定了它的隔热效果,建成什么结构决定了其采光、通风效果,以及对雨水、太阳能等自然资源的利用情况。
　　
　　•系统方案的设计会影响到带载率、可用性、节能措施等,与碳排放也都直接相关。
　　
　　•所选设备的性能指标决定了后续的使用过程中是否节能,厂商对节能的重视程度以及服务能力等则决定了所选设备的间接碳排放,以及后续维护过程中的碳排放等。
　　
　　•工程实施阶段的工期长短、工艺的选择、工程质量、施工安全也都与碳排放直接相关。
　　
　　•运营维护阶段的“风火水电”消耗,包括人工、交通等无不关系到碳排放,包括直接碳排放和间接碳排放。
　　
　　•在项目的废止阶段旧设备的拆除、运输、储存、再利用程度,以及建筑物的拆除、改造或再利用情况也都与碳排放息息相关。
　　
　　所以说，数据中心的碳排放贯穿于数据中心的整个生命周期。
　　
　　四、数据中心碳排放的综合评估
　　
　　美国绿色建筑委员会于2012年推出了针对数据中心的专项认证体系,分为银级、金级、铂金级。其中LEEDID+C是针对新建数据中心的,衡量标准包括:综合建造过程、选址与交通、可持续场址、用水效率、能源与大气、材料与资源、室内环境质量、创新、地域优先9大项,每一项又包括很多的细项和评分细则,非常全面。另有一项LEEDO+M是针对数据中心运营维护的认证,与LEEDID+C相比,它只是不包括第一项综合建造过程,综合建造过程包括了工期、工艺、材料、运输、储存，包材的管理、废品的处理等整个施工过程管理。
　　
　　当前台达通过LEEDID+C认证的数据中心有两座,一座是台达总部的IT数据中心,也是全球首座通过LEEDV4ID+C铂金级认证的数据中心,另一座是台达吴江工厂的IT数据中心,它是全球首座通过LEEDV4ID+C黄金级认证的数据中心,在这方面台达积极推动,走在了行业前面。
　　
　　五、降低数据中心碳排放的有效途径
　　
　　打造节能低碳的数据中心是一项全面、系统的工程,需要从三侧一链全面发力,三侧是指供能侧、用能侧和抵消侧,一链是指整个数据中心产业链。
　　
　　供能侧要持续优化能源结构,尽力提供更多的绿色能源。用能侧要不断提升用能效率、促进能源回收,在保证算力的情况下尽量减少碳排放。
　　
　　抵消侧需促进碳吸收、碳捕获技术的研究和应用,积极推进市场碳交易。
　　
　　产业链则需要形成一个良好的低碳行业环境,在思想、标准和执行各方面都高度重视低碳理念,在数据中的整个生命周期及其所关联的上下游企业也都高度重视碳排放。
　　
　　六、低碳数据中心对供电系统的要求
　　
　　低碳数据中心对供电系统的要求包括六项:高可靠、低能耗、小空间、快施工、易管理和低成本,这些方面包括了方案的设计、设备的选型,并且需要厂商和用户的共同努力。
　　
　　1.高可靠:高可靠是低碳数
　　
　　据中心供电系统的基础。来自UptimeInstitute2020年度数据中心掉线调查报告图1显示,数据中心掉线的原因有37%来自电源,这是一个非常高的比例!我们知道数据中心断电1min,恢复需要数小时,因维修所带来的备品备件、交通、人员、能源等方面的直接和间接碳排放是数据中心碳排放的额外负担,这一部分必须尽量排除!
　　
　　数据中心供电系统的可靠性主要包括供电系统的可靠性和电源设备的可靠性。供电系统的可靠性在GB50174里面已经有了规定。一般认为横向冗余越多越可靠，纵向环节越少越可靠，所以现在出现了很多的整合方案，比如巴拿马电源、一体化电源等。从低碳的角度来看既简单又可靠的供电系统是最理想的，这将是一个努力的方向。
　　
　　在供电设备的可靠性方面通常采用MTBF来体现,但MTBF很难验证,所以又引入了MTTR来看设备的可用性,但还是不够,因为无法知道它什么时候故障,所以检验设备的可靠性需要从另外两个角度入手:一是冗余,故障了短时间内来不及修也没关系,另一个就是关键器件预检。以台达的中大功率UPS为例,它具备辅助电源模块冗余和热插拔更换,同时电容、风扇、IGBT等关键器件可以实现故障预警,这些功能在对负载的保护方面可能比输出电压稳定度<1%、转换时间为0等指标还要实用。
　　
　　2.低能耗:低能耗是低碳数据中心供电系统的直接表现。它也体现在很多方面:
　　
　　(1)电源设备的高效率。负载一定的情况下，电源设备的效率越高浪费越少，碳排放也就越少。
　　
　　(2)随需扩容。设备的利用率越高效率也就越高,不论是对电力还是对设备本身都是一种节省。台达为微软在澳洲的数据中心陆续扩容了几十个集装箱式电源模块。
　　
　　(3)储能。通过储能不仅可以实现削峰填谷,节省电费,同时也可以减少数据中心的碳排放。发电厂会根据用电量的不同做出调整,平时用电只有常规的发电设备工作就足够了,高峰用电时需要另外开启负荷发电设备一起工作,而负荷发电设备通常是利旧或者使用效率相对低的设备,它们工作需要消耗更多的能源,导致更多的碳排放。而储能可以使常规发电设备的负载更加稳定,并减少开启负荷发电设备的机会,所以可以减少电厂的碳排放,这也是数据中心的间接碳排放。
　　
　　台达UPS或者HVDC就具有储能工作模式，谷电时对电池充电，平电时不充不放，峰电时电池放电，并且放电电流可以是恒定的，不足部分由市电补充，从而保持电池的性能和寿命。
　　
　　(4)能源回收。实现资源再利用。比如利用数据中心产生的热量给浴室的水加热,就不需要另外消耗能源去烧水了,自然也就减少了碳排放。
　　
　　(5)采用绿色能源。比如在楼顶铺设太阳能板发电，或者采用风力发电等，这样就能减少因化石燃料燃烧所导致的碳排放。
　　
　　(6)选择低碳的厂商。这一项直接关系到数据中的间接碳排放,大家知道百度阳泉数据中心在取得国内首个绿色数据中心设计和运行双5A认证后,又荣获2021数据中心低碳等级评估最高等级—碳中和数据中心引领者(5A级),它采用的电源系统就是台达提供的HVDC和市电直供。
　　
　　就数据中心常用的电源设备来看,效率最低的是工频UPS,尤其是在低载的时候。高频UPS(包括模块机)的效率会更好一些。HVDC在架构上看比UPS少了逆变环节,但是它整流出来的直流电还需要经过一级DC-DC转换,所以它的整体效率并没有比高频UPS高多少,二者基本接近,它的主要优势是电池可以直挂,电池放电时的可靠性会更高一些。
　　
　　与它们相比,巴拿马电源的效率就更优秀一些,基本能达到98%,并且这个效率是整个供电系统的,不像是UPS或者HVDC只是其中一个设备的效率,所以它的优势比较明显。以一个2.4MW的系统为例(参见图2),效率每提升1%,一年就可节省21万度电,相当于减排二氧化碳200吨,对于整个大型的数据中心甚至一个园区来说,减排的效益就更为可观!
　　
　　3.小空间:小空间是低碳数据中心供电系统的新趋势。可以预见当前和未来一段时间数据中心供电系统将会更加注重小体积,或者说是高功率密度!小空间可以节省建筑面积,从而减少建筑物的建造,这本身就是减少了直接和间接的碳排放,如果建筑物少占的面积用来植树造林,还可以促进碳吸收!以台达产品为例,500k的模块机只有一个标准机柜的体积,1200k的塔式机只有1.2m宽,并且还标配四个开关,上下走线可选,共用电池组功能在满足后备时间的前提下可以少配一半的电池,一体化的供电系统可以省略系统中重复配置的环节,从而减少占地面积并提高可靠性,一套1.2MW的巴拿马电源系统包括中压变压器在内总长只有6.1m，这些都是小空间的具体体现。
　　
　　4.快施工:快施工是低碳数据中心供电系统的重要组成部分。
　　
　　要想实现快速施工,方案的产品化、产品的预制化和安装的标准化是一个方向。
　　
　　5.易管理:易管理是低碳数
　　
　　据中心供电系统的有益补充。呈现自动化,处理智能化,维护便利化,总体人性化,不需过多的人员活动就能实现数据中心供电系统的稳定运行,出现了故障也能够从容应对。
　　
　　像电源设备的关键器件侦测预警、电池性能的健康检查、能耗分析、波形录制等功能都能很好地协助实现数据中心供电系统的易管理,这些功能台达的大功率UPS都已具备。
　　
　　6.低成本:低成本是低碳数据中心供电系统的追求目标。一切不计成本的低碳方案都是不可取的，比如说买碳就不是数据中心能够持续发展的可取方式，况且有钱也不一定能买得到。
　　
　　数据中心的成本主要包括建制成本和运营成本,降低成本要从这两个方面考虑。以巴拿马电源为例,它的设备数量减少、工程量减少、电缆等辅料减少、维护成本降低、电费等使用成本降低,在实现可靠、低碳的前提下还可以降低成本,当前是一个不错的方案。
　　
　　七、低碳数据中心供电系统的案例实践
　　
　　位于上海嘉定光环新网数据中心的供电系统,用户是哔哩哔哩。它就是将变压器、UPS、配电组成一个有机的整体,中间用铜排链接,成为一个一体化的供电系统。与传统的UPS供电方案相比它的效率提升2%,安装工程量减少40%,占地面积减少一半。
　　
　　图2这个项目主机房采用了台达的超越系列微模块系统,在500m2的面积内布置了250面机柜,制冷采用背板空调+氟泵系统,制冷效率得到很大提升。前面多次提到的巴拿马电源系统为用户带来的价值是多方面的，这主要得益于它的整体系统架构。从图3可以看出10kV电源直接送到移相变压器，经过至少36脉移相以后，以400V的电压送到整流模块，整流模块输出240V或360V的直流电给到列头柜，结构非常简单，也就包括进线柜、变压器柜、整流柜和直流输出柜四个部分，所以它具有高可靠、高效率、省空间、安装快、易维护、低成本等优势。
　　
　　也正是因为巴拿马电源具有这么多优势,面世以来得到了迅速推广。2016年台达联合阿里巴巴开始开发,2018年在浙江联通机房开始试用,2019年试用机房进一步扩容,2020开始推广,到目前为止已经在线运行200多套,到年底将超过250套,预计2022年至少翻倍。
　　
　　低碳环保的产品和方案背后必然是一家重视低碳环保的公司。环保、节能、爱地球是台达的经营使命,2006-2020年,台达打造或者捐建绿建筑28座,都通过了LEED的黄金级或者铂金级认证;2011-2020十年间累计施行2270项节能方案,节电2.8亿度,相当于减碳21.7万吨;连续11年入选道琼斯可持续发展指数之“世界指数”;连续十四年参与联合国气候变迁会议;台达2020可持续发展报告获最高等级AAA评价,入选国家生态环境部2021年绿色低碳典型案例。
　　
　　台达郑重承诺在2030年之前实现碳中和,这比国家的战略目标要早30年!
　　
　　八、总结
　　
　　面对数据中心行业的机遇和挑战,应当沉着冷静,避免在各种声音中迷失方向,从根源出发,认真分析,寻找突破口。就低碳来讲,广度上涉及数据中心的IT及风火水电等各个系统,甚至它们的上游厂商及原材料;深度上涉及数据中心从规划设计到工程实施、运营维护,甚至项目废止的整个生命周期;数据中心碳中和的实现不是一蹴而就的,需要一个漫长的过程。就数据中心供电系统而言，高可靠、低能耗、小空间、快施工、易管理和低成本将是当前的突破口。
　　
　　作者简介
　　
　　张彦和,台达集团-中达电通信息通信事业部技术支援总监,从事UPS及数据中心技术工作20多年,发表文章20多篇,著有《数据中心基础设施规划与设计》一书,曾参加多项行业标准的审定,同时也是中国电源学会高级会员、信息系统供电技术专业委员会委员、中国电源学会团体标准评审专家库专家、《数据中心建设+》杂志编委等。
　　
　　编辑：Harris