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打造高质量产消型数据中心的综合能源模式

作者:王永真 赵伟 高峰 来源:中国电力新闻网 发布时间:2020-05-28 浏览:
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数据中心的提质增效,是数字经济特征下国家治理的新要求。当前,以数字化为代表的科技革命和产业革命,正推动着人类生活方式、生产方式、思维方式的根本性变革。

数字作为社会生活的一个关键生产要素,在“云大物移智链”和5G为代表的数字化技术的加速下,正向各个行业全面渗透。如今,海量的数据需要感知、存储、加密、传输、调用、计算以及交易。进而,作为数字基础设施的重要载体,数据中心的“规模”将不断扩大、“算力”将不断提高,相应地,数据中心的“能耗”及“运行成本”也很可能随之不断攀升。比如2018年,我国数据中心的用电量已占到我国全社会总用电量的2.4%。同时,全球来看,我国数据量在全球的占比,将从2018年的23.4%提升到2025年的27.8%。

图1 数据中心支撑数字经济的发展

因此,数据中心的能效治理,关系着数字经济的可持续发展,是我国能源系统高效低碳转型的典型场景,是新趋势下国家治理的新要求。

一、我国数据中心的能源供应与能效治理面临的主要问题

数据中心作为一个典型的能源消费大户,需要可靠的电力以及巨量的冷能,以保障数据中心IT设备的安全可靠运行。当前,我国数据中心在能源供应与能效治理方面存在以下几个主要问题。

(一)从数据中心的能源消费侧看,数据中心在消费巨量电能量的同时,数据中心排放了大量未被利用的中低品位余热。如此,造成能源浪费的同时,还会导致“城市热岛”问题。如果这些余热能得以有效利用(余热温度在30℃~85℃、散热量占到数据中心能源消费的40%左右),那么,数据中心又可以看作是一个巨大的中低品位热源,可以用于满足周边用户的供暖、热水等需求。比如丹麦、瑞士等国家,已有采用热泵技术回收数据中心余热,用于周边建筑的采暖、生活热水或游泳池伴热的案例,并展现了良好的热经济效益。再如,按现有数据中心规模,我国北方地区数据中心的可回收余热总量约有10GW,这意味着,不需要再消费额外能源,便可实现3亿㎡左右建筑的供暖,并可节省约70亿元/年供暖费,以及实现CO2减排约1000万吨。

(二)从数据中心的能源供应侧看,我国数据中心供能模式单一,数据中心的能源供应以火电为主,绿电和其它能源的供应占比较低。2018年,全国数据中心火电使用所引起的CO2排放近1亿吨,我国数据中心可再生能源的电力消费占比不足23%,如将这一数据提高至30%,将避免火电使用近200亿kWh,这意味着将避免10个左右600MW大型火电厂的建设。同时,利用高品位火电去满足数据中心散热的低品位需求,存在数据中心供能侧与用能侧能量能级的不匹配,导致系统能量损失大、能耗高。而热(冷)电联供系统的供能特性,恰与数据中心冷电负荷特性存在着良好的匹配性,即供能和用能的热电比接近、冷电负荷稳定。如数据中心天然气联供系统的能源利用率可高达90%以上,1m?天然气可等效4~10kWh的电力,理论上具有良好的热经济性。如上海腾讯青浦数据中心的天然气联供系统的供电量,已占到整个数据中心供电量的39%,制冷量占到30%。但是,现有一些天然气联供在数据中心的应用案例,存在系统多能供应认识与设计不足、多能互动的不协调,以及气源和气价等问题,引起数据中心天然气联供系统设备利用率低、系统经济性差的问题。

(三)从数据中心建设和运维的角度看,我国数据中心带宽资源的分配现状,加之各省对新基建的需求和响应,我国数据中心结构性过剩与业务量不均衡问题或将更为严重。同时,数据中心为保证“算力”的高可靠性,其能源系统多采用冗余的设计及运行策略,对供能系统运行与数据业务量缺乏精细监控与协同联动。再次,当前我国数据中心的能效评价及运维存在局部、粗放等问题,如多基于能量的“数量”层次,而忽略了能量“品位”的影响。以上现象,共同导致我国数据中心的资源利用率不高的问题,以及IT设备的低负载、高能耗运行以及制冷系统的过大设计,由此带来能源的极大浪费及运行成本增加。如我国大部分数据中心的电能利用效率在1.5以上,甚至有的超过2.0还多,我国数据中心的能耗成本占到数据中心运维总成本的70%左右,而空调所用电费约占其中的40%。远高于发达国家数据中心能耗水平。最后,我国数据中心的服务主体、运营模式及市场机制均还比较单一,数据中心的提质增效存在着很大的潜力空间。

二、相关建议

因此,基于以上我国数据中心能效治理的现状、存在的问题以及重大需求,笔者基于能源互联网的视角,从关键技术和宏观机制出发,以能源互联网的典型方法论——“产消者”、“综合能源系统”、“多目标优化”及“顶层规划”为手段,提出我国数据中心提质增效的几点建议。

(一)探索基于余热回收的产消型数据中心综合能源系统的能源消费与供应路径。深入洞悉不同气候区及不同性能数据中心的能耗及能效特征,鼓励压缩式热泵、高效换热、吸收/吸附式制冷、相变蓄能与水蓄能等中低品位热能高效回收与利用技术在数据中心余热回收(供暖、加热、甚至制冷等)上的应用推广,并探索其低成本、规模化推广的技术路线及商业模式。有条件的地区,特别是经济发达以及能源禀赋不足地区,应系统考虑数据中心能源系统上下游用户的能源供应与消费的时空互补特性,积极构建及培育“产消型”数据中心综合能源系统及模式(产消型:能源生产与消费的有机结合)。非常有必要将产消型数据中心能源系统的规划纳入所在区域及园区的冷热电气等能源系统的规划,统一施策,做好数据中心及其周边园区能源供应与消费的统筹规划和共建共赢。

图2 基于天然气联供的数据中心综合能源系统供能示意

(二)打造基于多能互补的数据中心能源供应的多元融合模式。因地制宜,因时制宜,研究和推广自建绿电、直购绿电、采购绿色电力证书以及电力现货市场化交易等方式在数据中心供能上的应用。积极倡导高压直流供电技术在数据中心的推广示范,提高绿电供应的可靠性、降低绿电供应的投资运维成本,全方位培育绿电在数据中心的应用路径。架构基于能量综合梯级利用的联供系统的设计及评价体系,特别是电力紧张区域,优化数据中心天然气的市场供应价格及天然气管道配气费,合理设计天然气联供系统在数据中心能源系统的容量占比及运行策略。应充分结合自然或免费冷源,因地制宜,鼓励利用LNG汽化吸热过程、山区溶洞低温空气、江河湖海低温水源等用于满足数据中心散热需求的应用及示范。应立足数据中心当地资源禀赋及负荷特性,构建绿色电力、天然气联供、自然冷源以及光热、储能等技术的数据中心多能互补能源系统,推动绿电与其他能源在数据中心供能上的多元互动的潜力及方式。

图3基于天然气联供的数据中心综合能源系统供能示意

(三)抓好数据中心“算力”、“排放”、“能效”与“成本”的顶层规划与同步优化。积极统筹、合理规划各省市数据中心的建设数量和规模,优化数据中心可承载的带宽和资源,坚持集中式与分布式数据中心协调发展原则,提高我国数据中心整体的资源利用率。探究数据中心“算力”、“能效”、“成本”的系统性同步优化手段,研究人工智能在数据中心能耗监控与动态控制方面的应用,健全数据中心能源系统的完善度评价模型、指标及标准,更全、更深、更精细地挖掘数据中心能耗的各个环节以及细节。提倡基于地理分布的数据中心结构性布局,包括5G边缘数据中心与大数据中心的融合,以匹配区域电价、计算能力和带宽的差异。探究数据中心与变电站、储能站、充换电站等集于一体的“多站融合”建设与运营模式,打造多行业数据中心融合发展与共享共赢的健康生态。

图4 数据中心的系统优化与顶层规划

数据中心能源系统的提质增效在数字经济快速发展的趋势下已经越显至关重要,是数字经济背景下我国国家治理的新要求。因此,应前瞻性地做好数据中心能源系统的提质增效,探索基于余热回收的产消型数据中心综合能源系统的能源消费与供应路径,打造基于多能互补的数据中心能源供应的多元融合模式,抓好数据中心“算力”、“排放”、“能效”与“成本”的顶层规划与同步优化,实现数据中心供能的高效化、低成本和清洁化,定能打好数字经济稳健发展的坚实底座,这也是国家国家社会科学基金重大项目(编号19ZDA081):面向国家能源安全的智慧能源创新模式与政策协同机制研究的一个重要内容。

 

关键字:数据中心

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