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數據中心能源系統改造要做好頂層設計

作者:王永真 高峰 張靖 來源:中國能源報 發布時間:2020-01-25 瀏覽:
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數據中心在支撐“云大物移智鏈”技術改造能源系統的同時,全年保持不間斷運行,其能耗強度極高。在燃煤發電供應模式下,數據中心的高速發展導致能源極大消耗,增加數據中心運行成本的同時,也產生大量污染物。因此,數字經濟下,數據中心的能源供應優化方案將成為焦點。一方面要降低負荷側數據中心本身能耗,另一方面要多使用綠電。在夏熱冬暖、經濟發達地區,天然氣分布式能源更加適用于數字中心。同時,對于數據中心能源供應的頂層設計,應發揮好綜合能源系統的潛力。

“云大物移智鏈”趨勢下的數據中心能耗將快速增長

2019年10月24日,中共中央政治局針對區塊鏈技術發展現狀和趨勢進行了集體學習,并肯定了區塊鏈技術在經濟發展和產業創新中的重要地位。事實上,區塊鏈同“云大物移智”、5G技術一并,將與實體經濟不斷深度融合,是建設網絡強國、數字中國、智慧社會,發展數字經濟、共享經濟,培育新增長點、形成新動能的重要支撐。而借助“去中心化”和“分布式賬本”的理念,區塊鏈能夠被各行各業應用于解決“數字經濟”下數據管理與交易的誠信問題,將助推“數字經濟”的快速健康發展。

而“云大物移智鏈”技術在金融、物流、能源、交通、公益、教育、版權和保險等行業的廣泛應用,也存在諸如存儲空間有限、處理數據量劇增導致能耗升高等問題。數據中心作為“云大物移智鏈”技術的主要運營載體,是數字經濟發展的重要基礎設施,其在存放海量數據的同時,也為網絡計算提供必要的管理與計算。

數據中心在支撐“云大物移智鏈”技術改造能源系統的同時,全年保持不間斷運行,其能耗強度很高。作為能源行業解決方案從業者,除了關注區塊鏈對能源系統的改造外,也需要從能源消費與供應視角關注區塊鏈能耗需求的發展趨勢,以及何種能源系統可支撐數據中心因應用區塊鏈而帶來的能源消耗。

近十年來,在數字化浪潮下,數字經濟的發展對超大規模數據中心、高性能計算和存儲、高速無損網絡等技術的研發,提出了更高要求,數據中心的數量和能耗也持續快速增長?!度珖鴶祿行膽冒l展指引2018》顯示,截至2017年底,我國在用數據中心的機架總規模達166萬架,比2016年增長了33.4%。超大型數據中心共計36個,機架規模達到28.3萬架;大型數據中心共計166個,機架規模達到54.5萬架;《點亮綠色云端:中國數據中心能耗與可再生能源使用潛力研究》顯示,2018年我國數據中心總用電量約160 TWh,比上海市2018年全社會用電量還多,已占我國全社會用電量的2.4%。

作為比特幣的底層技術,去中心化、分布式賬本的區塊鏈被很多人認為是打破信息孤島、降低數據管理成本,進而改變商業生態的未來技術。隨著信息系統冗余度的增加,數據中心的存儲和交易量也將隨之增長,相應的能耗將不斷提高。據統計,區塊鏈1.0的比特幣模式,單個交易數據量雖僅為250b,單次存儲、交易能耗卻高達652 kWh。據預測,2023年我國產生的數據量或達10ZB,假設部分數據要應用“區塊鏈技術”上鏈存儲與交易,粗略估計,如前述1/220比例的數據量通過數據指紋的形式上鏈,那么,2023年中國區塊鏈技術的應用將新增能耗約536 TWh,將占到2023年我國電力預測消費的5.8%,是屆時區塊鏈技術未實現規模應用下的數據中心預測能耗的2倍左右,此時數據中心的總能耗將占到2023年全社會電力消費的8.8%。實際上,2010年,信息通訊技術領域消耗的能源已經占據了德國總能耗的11%??偟膩碚f,作為發展中國家,我國正處于“互聯網+”帶動的數字經濟加速發展期,特別是區塊鏈的應用,我國數據中心的能耗問題也必將越來越突出。因此,需要重視數據中心的能耗問題,尋找合理的低成本、可持續的數據中心能源供應解決方案。

現有數據中心能源供應與消費存優化空間

數據中心一般由所在地電網或專用的發電設施提供電能,且多基于燃煤發電模式。電能主要用于IT系統及設備、空調散熱系統、照明設備等三個部分。據《全國數據中心應用發展指引2018》報告,全國在用超大型數據中心平均PUE為1.63,大型數據中心平均PUE為1.54。傳統的數據中心有四大用能特征。一是能耗強度高。數據中心機架的額定負荷在2 kW到8 kW之間,一個大型數據中心的機架數量可達3000個以上。數據機房單位面積能耗約為800-1000 W/㎡,能耗成本也是數據中心運行成本的主要部分;二是冷負荷需求較大。機架主機消耗的電能95%以上變成了熱能,加上其它建筑冷負荷,為了保障主機的安全運行,需要大量的冷能來維持數據中心的恒溫恒濕環境,數據中心的熱(冷)電比往往在1左右,甚至大于1;三是供能可靠性要求高。數據中心幾乎需要全年不間斷運行,對電能、冷能供應的安全性要求極高,一般需要2路以上市電供應以及大量不間斷電源做備用;四是用能負荷及熱電比穩定。數據中心能量一般用于較為恒定的計算量及空調系統,表現出全年及典型日較為穩定的負荷特征,同時空調冷負荷能耗與其他電力的能耗之比恒定。

在燃煤發電供應模式下,數據中心的高速發展導致能源極大消耗,增加數據中心運行成本的同時,也產生大量污染物。如,2018年全國數據中心使用火電約為117 TWh,造成SO2排放23436噸,NOx22264噸,CO29855萬噸。因此,數據中心的能源供應優化方案成為焦點。一方面要降低負荷側數據中心本身能耗。包括采用更節能的機架、服務器及機組運行策略和配電系統,空調散熱系統能耗的優化,自然或免費冷源的使用。另一方面要多使用源側清潔、綠色的電力。我國貴州“數字經濟”近幾年的快速發展,也離不開其“涼爽、多水”的生態環境和能源資源優勢,給數據中心的布置創造了天然的優良條件。原因之一是貴州全年氣溫適中,夏季較為涼爽,喀斯特地貌豐富,可以降低數據中心的空調能耗和成本;原因之二是豐富的水力資源以及較低的水電成本,降低了數據中心的耗電成本,為大數據及其相關企業的發展降低了運營成本。而對于在北方需要供暖的地區,可采取直接或間接的方式對數據中心的余熱進行回收利用。

天然氣適用于為夏熱冬暖、經濟發達地區數據中心供能

位于夏熱冬暖地區的廣東省,是我國未來城市發展、數字經濟發展的先行區,社會發展程度高,能源需求大且能源資源稟賦不足。但相對于貴州,廣東省,特別是粵港澳大灣區的大數據產業則沒有上述“涼爽、多水”和“低成本綠電”的比較優勢,且粵港澳大灣區地處夏熱冬暖地區,能源供給對外依存度極高。這會導致數據中心的空調負荷、 PUE值、運營電力成本都較高。同時,不同于貴州,粵港澳大灣區經濟發展指數高、城市化發展程度高,數據中心周邊也存在大量的工業、辦公及居民用能負荷剛需。同時此類經濟發達地區往往也是“數字經濟”規模比較靠前的區域。如繼續按照原有數據中心市電供應方式,粵港澳大灣區數據中心的電力供應將會越來越緊張。

進而,構建匹配夏熱冬暖負荷特性、計及數據中心用能特征的園區能源供應系統,也將成為粵港澳大灣區高質量可持續發展的基礎保障。綜合能源系統就是通過能源的梯級利用、綜合利用、耦合互補和互聯互濟等方式,實現區域用戶能量的高效、清潔、經濟和可靠供應。從綜合能源系統效率來講,天然氣分布式能源系統效率高,特別適合熱電比穩定且適中的數據中心的負荷特征。進而,應結合當地資源優勢,因地制宜,構建基于天然氣分布式能源系統、匹配資源和負荷特征的數據中心綜合能源系統。相較于傳統的電力分供系統,構建的數據中心綜合能源能源系統具備七大特點:

一是系統就近布置,采用天然氣發電,余電可上網,是電力供應緊張、電網容量不足區域新建用電強度極高數據中心的優選方案;二是系統分布式就近布置,可孤網運行,能源供應可靠性高,可提高數據中心能源供應抗風險能力,符合數據中心用能的可靠性要求;三是能量梯級利用,既發電又供冷,且系統輸出熱電比與數據中心負荷熱電比較匹配,供需之間損失小,系統綜合能源利用效率可達70%以上,符合區域發展的高效原則;四是系統運行清潔環保,天然氣分布式能源系統的年碳排放以及污染物較煤電分供排放低,符合區域清潔發展的環保倡議;五是與煤電以及綠電分供系統相比,天然氣分布式能源系統投資雖高,但年運行費用低,保證了有效的投資回報率,降低了數據中心的運行成本,具備經濟可行性;六是系統運行靈活,可作為電網的調峰電源,并可設置儲冷、儲電等單元,結合當地分時、梯級電價以及天然氣成本進行靈活運行;七是具備良好的擴展互動功能,可與周邊用能單元集成,共筑能源互聯網生態,實現區域能源參與者的友好互動、多方共贏。

因此,如下圖所示,當地數據中心能源系統基于天然氣分布式能源系統,并引入原動機煙氣余熱回收有機朗肯熱功循環和低品位熱能利用的地源熱泵系統,與電網供電和電壓縮制冷相結合,構建天然氣多能互補冷熱電綜合能源系統,將有力支撐數據中心及其周邊區域的冷、熱、電需求,保證綜合能源系統較好的能量、經濟、環境和社會效益。

用綜合能源系統做好數據中心能源供應“頂層設計”

實際上,雖然我國天然氣大量依靠進口,但就國際天然氣市場來看,天然氣的資源端和供應端都是寬松的。自2016年以來,國家發布了相關政策鼓勵天然氣分布式能源在數據中心的應用。如,上海騰訊青浦數據中心的天然氣分布式能源系統的供電量占整個數據中心供電量的39%,制冷量占到30%。但由于氣價波動、氣源供應、運行設計以及系統性規劃的缺乏,以及對天然氣分布式能源系統性能評價認識的不足,部分項目實際運行的效益也受到了一些爭議,面臨著氣價波動、規劃不合理導致設備利用率和系統經濟效益低的問題。

因此,在數據中心規劃前期,有必要統籌規劃,因地制宜,基于天然氣分布式能源及綠色電力供應,打造天然氣與綠色電力的多能互補綜合能源系統,做好數據中心能源供應的“頂層規劃”,才能有助于數據中心的高效、綠色、經濟和可靠運行。將分布式能源系統提前納入園區基礎設施一體化建設規劃,同時能源服務企業提前介入,有利于提升園區專業化高質量全生命周期的能源服務,提升園區環境品質和用戶舒適度同時,對招商引資具促進作用?;谔烊粴夥植际侥茉?,打造面向數據中心及其園區的多能互補綜合能源系統的“頂層設計”。

在規劃前期,做好相似負荷特征數據中心用能系統的案例調研,結合區域發展總規及控規(天然氣管網、LNG門站和電網規劃、綠電發展規劃),從能的“量”和“質”視角,做好數據中心內部余熱資源及其周邊負荷特征、資源品質以及時空分布的辨識。在概念階段,結合天然氣分布式能源系統、余熱回收系統、多能互補綜合能源系統及能源互聯網的基本特征,基于網絡耦合及啟發式方法,統籌冷、熱、電、氣等能源供應設備的轉化特性,架構滿足計及數據中心及其周邊能源負荷需求的能源供應拓撲。

在綜合規劃方面,確定數據中心用能的邊界及約束條件??紤]灰色模型及能源價格,制定系統運行策略,基于能源樞紐規劃方法,進行計及數據中心的綜合能源系統的系統配置(容量及數量)、能量-經濟-環境的多屬性綜合評價與比選,避免設備利用率低的問題。在場景刻畫上,基于業主、政府、社會等多用戶需求,基于區域供能短、中、長期規劃及情景分析,設計考慮運營環境及用戶感受的供能價格體制,刻畫計及數據中心的多能互補綜合能源系統物理層、信息層和應用層的技術場景、建設模式和服務模式。

  (作者均供職于清華大學能源互聯網創新研究院)

關鍵字:數據中心

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