数据中心的数据中心的可再生能源

数据中心作为经济社会运行不可或缺的关键基础设施，是公认的高耗电行业。

据前瞻产业研究院分析，过去十年间，我国数据中心整体用电量以每年超过 10% 的速度递增，其耗电量在 2020 年突破 2000 亿千瓦时，约占全社会用电量的 2.71%，2014-2020 年，数据中心耗电量占比逐年升高。数据中心供电结构中，火电占比超过 70%，会产生相对大量的温室气体和其他污染物。

PUE (Power Usage Effectiveness，电能利用效率) 是衡量数据中心能源使用效率的重要指标。PUE 越接近于 1，代表数据中心对于电能的利用越有效率。截至 2019 年年底，全国超大型数据中心平均 PUE 为 1.46，大型数据中心平均 PUE 为 1.55。这与《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》建议的 1.3 以下相比，尚有一段距离。

可见，限‌电对于数‌据中心产业影响挺大的。顺应碳中和发展趋势，逐步降低碳排放，是数据中心亟需做出的改变。

数据中心如何才能提升能源效率，为降碳做出贡献？主流的数据中心降碳举措可分为 IT 和 非 IT 基础设施两个方面。

非 IT 基础设施方面，常见的有数据中心选址靠近绿色清洁能源、尽量使用可再生能源、采用液冷技术取代风扇散热、数据中心余热回收再利用等等。这其中最为有效的不外乎在数据中心乃至公司运营范围内 100% 使用可再生能源，但这绝非易事——苹果用了 5 年时间才实现公司运营范围内 100% 可再生能源利用。

而在 IT 基础设施方面，企业可立即采用诸多举措来提升能源效率：通过分布式和虚拟化技术将“僵尸”服务器连接起来，最大程度减少 IT 设备空闲；实现服务器和存储的虚拟化与池化，从而大幅提升硬件利用率；通过采用更高能效的芯片产品，结合芯片的自适应电源管理功能来有效管理芯片用电，等等。

虚拟化已十分普遍，超融合基础设施也在近年来逐渐成为主流。作为一种融合的、统一的 IT 基础架构，超融合包含了数据中心常见的元素：计算、存储、网络以及管理工具。超融合以软件为中心，结合 x86 或 ARM 架构的硬件替代传统架构中的专用硬件，从而解决传统架构中管理复杂、难以扩展等问题。

相比传统架构，超融合将架构由三层缩减至两层，不仅可以大幅度节省机房空间，还能进一步整合计算资源，从而提升机房能效。超融合架构自带计算虚拟化和分布式存储，取代了传统物理环境和传统虚拟环境，对数据中心降碳的影响显著。

经过通用场景下的对比计算，从传统物理环境到传统虚拟环境，仅是虚拟化这一层即可带来 20%-80% 的节能；而从传统虚拟环境进一步过渡到超融合架构，通过将分布式存储融合到计算侧，可再带来高达 31% 的能耗节省。以下为计算详情（以下为理论值，不同负载情况下物理服务器能耗会有有所不同，不同服务器也会表现不同，同时不考虑交换机等因素）。

计算虚拟化是从 IT 基础设施层面提升能效的关键。它实现了 IT 基础设施从物理架构到虚拟化的跃升，减少物理服务器的数量、增加 IT 资源的利用率，让数据中心得以使用更少的基础设施即可运行更大的工作负载。IDC 报告指出，数据中心中计算、存储、网络层虚拟化程度越高，所带来的碳影响就越小。

以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统的配置为例，通过用虚拟化取代原有的物理机，能实现约为 20% 到 80% 的能耗节省（取决于虚拟机部署的密度）。

传统物理环境 vs. 传统虚拟环境

（以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统为例）

如图所示，此场景中两种架构的最大差异在于对计算资源的利用率不同：在相同的硬件条件下，计算资源的利用率越高，能获得的节能优势就越大。虚拟化架构通过高度利用 CPU 资源（此场景预设的 CPU 超分比例为 1：4，通常属于中到重度计算需求使用），可将平均每计算核心耗能降低约 74%。

在实际使用场景中，虚拟机部署密度的不同，也会带来不同的节能效果：

高密度虚拟机场景下（1 : 20，1 台物理服务器支撑 20 台虚拟机)，平均每台服务器（虚拟机）耗能为 321 W/Hr，相比物理服务器降低约 80%；

低密度虚拟机场景下（1：5，1 台物理服务器支撑 5 台虚拟机），平均每台服务器（虚拟机）耗能 1284 W/Hr，相比物理服务器降低约 20%。

若进一步将 CPU 超分比例提高，物理环境和虚拟环境的耗能差距将会更大。

超融合基础设施将计算与存储服务模块融合部署在同一物理服务器（物理节点），完全舍弃了传统集中存储的需求，能够在虚拟化降低能耗的基础上，进一步为数据中心节能。

以相同的硬件配置为例（4 台物理服务器搭配 1 台存储系统），超融合架构通过去除传统集中存储硬件，可将平均每计算核心耗能再降低约 31%。

传统虚拟环境 vs. 超融合

（以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统为例）

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以上场景所设定的硬件配置为 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统，若单纯增加物理服务器的数量而存储系统保持不变，则两种架构的能耗会趋于接近。不过，计算资源（物理服务器）的增加，通常意味着对存储资源（性能与容量）的需求也会随之提升，所以从实际部署的场景来看，传统虚拟化架构的计算资源增加与相应的存储资源提升，整体的能耗与超融合架构相比仍存在不小的差距。

近日，国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局联合发布《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求 推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》的通知指出，在交通、能源、工业和市政等基础设施的规划和建设中同步考虑5G网络建设，优化数据中心建设布局，新建大型、超大型数据中心原则上布局在国家枢纽节点数据中心集群范围内。

方案提出，到 2025 年，数据中心和 5G 基本形成绿色集约的一体化运行格局。数据中心运行电能利用效率和可再生能源利用率明显提升，全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下，国家枢纽节点进一步降到1.25以下，绿色低碳等级达到4A级以上。全国数据中心整体利用率明显提升，西部数据中心利用率由30%提高到50%以上。

零碳未来（重庆）能源发展有限公司采用生物 科技 和相变技术，运用多年 科技 成果，成功研制谷电通系列产品。其主要技术是采用 正温度“结冰” 的相变材料作为蓄冷介质，在夜间用电低谷期，利用电力制冷储存在蓄冷装置 中，在白天峰电时段将储存的冷量释放出来，满足数据中心的降温需求，减少空调电力负荷。实践表眀，蓄冷技术可以转移尖峰时段40%~50%的空调制冷负荷，大幅减少了白天高峰电价时段用电量，既降低了空调系统的整体运行费用，又有效助力电力负荷移峰填谷。同时，夜间制冷将有助于实现绿色电力的使用，减少用能过程中二氧化碳排放，降低数据中心的PUE值，满足绿色机房标准，实现数据中心空调系统减碳降 费的目标。

对于新建数据中心，可以通过对项目所在地自然资源进行充分评估及论证，有条件的地区可以充分利用风力、太阳能、自然冷却等技术为数据中心提供冷源。同时，采用天然气冷热电三联供作为系统的补充，以此构成以可再生能源为主、天然气分布式能源为辅、市电协同的多能互补综合能源系统，提高能源综合利用效率。实现数据中心的能源低成本、低排放、自主管理的能源体系，助力数据中心实现绿色低碳转型。

零碳未来（重庆）能源发展有限公司系京天集团旗下企业，主要经营智慧能源、移动热能配送、光储采暖、谷电通、碳咨询、脱碳技术等项目的技术研发、产品制造、运营管理等业务，国家级高新技术企业、国家知识产权试点单位、国家知识产权优势企业、拥有100余项国家专利成果。公司致力于零碳能源融合式发展，积极打造 “零碳酒店、零碳小镇、零碳园区、零碳数据中心、零碳医院”等“零碳”品牌 。未来，公司将以先进的技术、过硬的产品服务于众多企业，帮助企业高效实现零碳转型发展，助力实现碳中和目标。

“东数西算”是集数据中心、云计算、大数据于一体的新型计算力网络系统，有序引导东西方计算力需求，优化数据中心建设布局，促进东西方协同联动。 2022年2月，国家发改委等部门联合发布文件，同意启动北京、天津、河北、长江三角洲、广东、香港、澳门、大湾区、成都、重庆、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等国家云计算枢纽节点建设。并规划了10个国家数据中心集群。至此，国家综合大数据中心系统总体布局设计已经完成，“东数西算”项目正式启动。

一、工程背景

“东数西算”中的“数”是指数据，“算”是指计算能力，即数据的处理能力。中国西部资源丰富，尤其是可再生能源，有潜力发展数据中心，满足东部地区的计算能力需求。

截至2022年2月，中国的大部分数据中心都位于东部。在土地等资源紧张的情况下，东部地区难以大规模发展数据中心。此外，数据中心的运营需要电力支持。仅能源消耗就让东部地区难以负担。因此，为了满足全国特别是东部地区对计算能力快速增长的需求，必须有西方的支持。

二、工程简介

“东数西算”是通过构建融合数据中心、云计算和大数据的新型计算网络体系，有序引导东西方计算需求，优化数据中心建设布局，促进东西方协同联动。让西方的计算资源更充分地支持东方的数据计算，更好地推动数字发展。

三、发展历史

2022年2月，国家发改委等部门联合发布文件，同意启动北京、天津、河北、长江三角洲、广东、香港、澳门、大湾区、成都、重庆、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等国家计算枢纽节点建设。并规划了10个国家数据中心集群。至此，国家综合大数据中心系统总体布局设计已经完成，“东数西算”项目正式启动。

四、工程布局

按照国家综合大数据中心系统布局，8个国家计算枢纽节点作为中国计算网络的骨干连接点，发展数据中心集群，开展数据中心与网络、云计算与大数据的协同建设，作为国家“东数西算”工程的战略支点，促进计算资源向西部有序转移，促进东西部计算能力供需失衡问题的解决。

计划在每个计算中心建立一个或两个数据中心集群。数据中心集群聚集了大型和超大型数据中心，专门承担数据流量。集群可以获得更好的政策支持和支持保障。同时，它们在绿色节能、资源利用和安全水平方面也将有更严格的要求。

围绕8个国家计算枢纽节点，10个国家级数据中心集群分别是张家口集群、长三角生态绿色综合开发示范区集群、芜湖集群、韶关集群、天府集群、重庆集群、贵安集群、和林格尔集群、庆阳集群和中卫集群。

五、建设思路

1、 促进国家数据中心适度集聚和集约发展。

通过全国枢纽和计算中心布局，形成8个大型数据中心。发挥规模效应和集约效应，加大政策支持力度，提高整体计算能力的规模和效率，带动数据中心相关上下游产业发展。在计算枢纽之间，开放高速数据传输网络，加强云网络融合和多云协作，促进东西方计算能力的高效互补和协同联动，加快合理布局、优化供需，国家数据中心的绿色强化和互联。

2、 从数据中心梯队布局和整体发展。

一方面，加快数据中心向西大规模布局，特别是对于后台处理、离线分析、存储、备份等网络需求较低的业务，可以先迁移到西部，由西部数据中心承担。另一方面，由于远程网络传输和相关配套设施造成的延迟，西部数据中心无法满足所有计算能力需求。

3、 实现“东数西算”的渐进快速迭代。

为了坚决避免盲目发展数据中心，在初期阶段，在8个计算中心规划并建立了10个数据中心集群，划定了物理边界，并确定了绿色节能和货架可用性的发展目标。例如，集群中数据中心的平均货架率应至少达到65%，可再生能源的利用率应显著提高。通过多指标约束，推动集群高标准、严要求，最大限度地减少起步。对集群发展进行动态监控，科学评估集群计算能力的发展水平和饱和程度。结合发展形势，继续优化完善布局，适时拓展集群边界或增加集群，展示新的计算能力枢纽，实现计算能力全面、有序、健康发展。

六、工程意义

实施“东数西算”工程，促进数据中心合理布局、优化供需、绿色集约化、互联互通，有利于提高国家整体计算能力水平，实现计算能力规模化、集约化；有利于推动绿色发展，吸收西部地区附近的绿色能源，不断优化数据中心的能效。