摘 要:根據(jù)工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019 年我國(guó)在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模超過 226 萬架，用電量超過 1300億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量約 2%，隨著國(guó)家對(duì)“新基建”的著重規(guī)劃，大 力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，數(shù)據(jù)中心整體用電量將進(jìn)一步提高。2020 年國(guó)家提出“碳中和”目標(biāo):“力爭(zhēng)2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”是對(duì)全社會(huì)提出的碳中和要求，數(shù)據(jù)中心也不能例外，不論減排路徑與 方式如何區(qū)別，對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，第一步是計(jì)算出整體的能源消耗量和碳排放量，目前對(duì) 于數(shù)據(jù)中心能源消耗及溫室氣體排放核算方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還未頒布，文章對(duì)此問題進(jìn)行了討 論，并依托國(guó)家規(guī)范、參照國(guó)內(nèi)外權(quán)威數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過公式推導(dǎo)、數(shù)據(jù)整理，得到數(shù)據(jù)中心全 年綜合能源使用量及其碳排放量核算方法，并對(duì)某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目分場(chǎng)景進(jìn)行核算、對(duì)比。
關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)中心;綜合能源;碳排放;碳核算;碳中和;碳達(dá)峰;燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組;三 聯(lián)供
引言
近年來,中國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)生了巨大的變化，國(guó)家實(shí)力不斷增長(zhǎng)。按“國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值” 作為排名參數(shù)，中國(guó)已經(jīng)超過日本，成為次于美國(guó)的世界第二大經(jīng)濟(jì)體。然而之前我們走的 是一種拼資源、拼人力、高投入、高消耗、高排放的粗放式發(fā)展道路，透支了中國(guó)的環(huán)境和 資源。尤其令人驚訝的是，現(xiàn)在中國(guó)已經(jīng)超越美國(guó)成為最大的溫室氣體排放國(guó)。溫室氣體排 放引起全球氣候急劇變化，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化,是一個(gè)全球普遍關(guān)注的敏感問題。
2020年 9 月在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)言表示:中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度， 力爭(zhēng) 2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，爭(zhēng)取 2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和;同年 12 月，領(lǐng)導(dǎo)人在為紀(jì)念《巴黎協(xié)定》達(dá)成五周年舉辦的氣候雄心峰會(huì)上，進(jìn)一步宣布提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力 度的一系列新舉措。
據(jù)《中國(guó)“新基建”發(fā)展研究報(bào)告》稱，從全球來看，到2025 年，數(shù)據(jù)中心將占全球 能耗的最大份額，高達(dá) 33%。從我國(guó)國(guó)內(nèi)來看，全球數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)連續(xù)八年超過12%的增長(zhǎng)速度。作為為數(shù)不多的能耗占社會(huì)總用電量比例持續(xù)增長(zhǎng)的行業(yè)，數(shù)據(jù)中心積極 踐行碳中和意義十分重大。
碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體、項(xiàng)目或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放 總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量。
不管減排路徑與方式如何區(qū)別，對(duì)于數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目而言，繞不開的第一步是計(jì)算出整體 的碳排量，如何科學(xué)和正確計(jì)算出數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的碳排放量以及標(biāo)煤量就成為首先要解決的 問題，本文對(duì)此進(jìn)行分析和研究，與同行探討。
1、數(shù)據(jù)中心綜合能耗
如今，云時(shí)代蓬勃發(fā)展，新基建加速落地，在全社會(huì)深入推進(jìn)節(jié)能減排的背景下，節(jié)能 降耗成為政府和數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的共同目標(biāo)，數(shù)據(jù)中心對(duì)能源的使用是多方面的，不僅存在于 外購(gòu)電力、備用柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行燃燒柴油產(chǎn)生的二氧化碳、生活用水、空調(diào)補(bǔ)水所消耗的工 作質(zhì)-水也需要計(jì)算到綜合能源消耗及碳排放中。
目前我國(guó)著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向，堅(jiān)持 發(fā)展非化石能源與化石能源高效清潔利用并舉，逐步降低煤炭消費(fèi)比重，提高天然氣消費(fèi)比 重，大幅減少能源消費(fèi)排放。由于發(fā)電過程的熱損耗，目前我國(guó)常規(guī)火力發(fā)電廠的熱效率往 往低于40% 。而發(fā)展熱能梯級(jí)利用技術(shù)，能顯著提高能源利用率，例如燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán) 熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮用電、制冷、熱水等負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)電能、熱能和制冷的 聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，綜合用能效率可高達(dá) 90%;位于北京市昌平區(qū)的某科技園區(qū)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目已經(jīng) 采用燃?xì)馊?lián)供機(jī)組，燃燒天然氣發(fā)電，并利用余熱經(jīng)過溴化鋰機(jī)組制冷來替代一路市電， 以降低二氧化碳排放量，隨著碳中和政策的落實(shí)，未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)方式很可能以燃?xì)夤?yīng) 來替代外購(gòu)電力，天然氣的消耗量也應(yīng)考慮在數(shù)據(jù)中心的綜合能源消耗范圍內(nèi)。
1.1外購(gòu)電力消耗量
根據(jù)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目產(chǎn)出機(jī)柜數(shù)、單機(jī)柜功率、年平均PUE 值可求得數(shù)據(jù)中心年耗電量， 計(jì)算公式如下:
1.2耗能工質(zhì)-水消耗量
數(shù)據(jù)中心水資源消耗量，包含空調(diào)系統(tǒng)補(bǔ)水消耗量以及辦公生活用水消耗量?jī)刹糠?，?調(diào)補(bǔ)水消耗量可按每機(jī)柜每天消耗0.3m3水估算，辦公生活用水可按每人每天 40L 估算，計(jì) 算公式如下:
1.3柴油消耗量
數(shù)據(jù)中心多采用10kV 基本功率為 2000kW 柴油發(fā)電機(jī)組，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值每臺(tái)機(jī)組每小時(shí) 消耗柴油 500升，按每月每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)保養(yǎng)檢修運(yùn)行 30 分鐘估算，每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)每年 運(yùn)行 6 小時(shí)，由此可求出數(shù)據(jù)中心每年柴油消耗量，計(jì)算公式如下:
1.4天然氣消耗量
按市場(chǎng)主流燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)品，每1m3天然氣可發(fā) 4kWh 電，同時(shí)回收 4kW 冷量估算天 然氣使用量，公式如下:
1.5綜合能耗計(jì)算
按市場(chǎng)主流燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)品，每1m3天然氣可發(fā) 4kWh 電，同時(shí)回收 4kW 冷量估算天 然氣使用量，公式如下:
數(shù)據(jù)中心綜合能耗計(jì)算主要基于GB/T2589-2020《綜合能耗計(jì)算通則》內(nèi)的要求，計(jì)算 公式為:
標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)可參照GB/T2589-2020《綜合能耗計(jì)算通則》附錄 A 及附錄 B 內(nèi)參數(shù)，根據(jù)不同能源消耗的總量及其相應(yīng)的折標(biāo)煤系數(shù)就可求得數(shù)據(jù)中心的綜合能耗總量。
常用折標(biāo)煤系數(shù)見表1:
表1 常用折標(biāo)煤系數(shù)
2數(shù)據(jù)中心碳排放核算
目前數(shù)據(jù)中心碳排放核算并無相關(guān)認(rèn)證評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)減排責(zé)任 劃分可分為三個(gè)范疇:范疇一最為直接，主要是指直接排放;范疇二主要包括企業(yè)用電和用 蒸汽產(chǎn)生的排放，因?yàn)橛秒娀蛴脽嵝枰獜墓彩聵I(yè)單位購(gòu)買，而這個(gè)過程中的碳排放并不發(fā) 生在企業(yè)的物理邊界內(nèi)，所以屬于間接排放;范疇三主要是指與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有關(guān)的其他排 放，其邊界并不是很清晰，涉及到產(chǎn)業(yè)鏈，包括向上游購(gòu)買到產(chǎn)品以及向下游銷售的產(chǎn)品等。一般而言，數(shù)據(jù)中心考慮碳排放時(shí)只考慮范疇一和范疇二的排放。
2.1外購(gòu)電力碳排放量
一般情況下，數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)都來自于市政電網(wǎng)(外購(gòu)電力)，是碳排放的關(guān)鍵項(xiàng) 指標(biāo)，對(duì)于數(shù)據(jù)中心的碳排放計(jì)算，由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32151《溫室氣體排放核算與報(bào)告 要求》中并不包含數(shù)據(jù)中心行業(yè)， 因此根據(jù) ISO14064-1:2018《溫室氣體-第 1 部:組織層 面上溫室氣體排放與清楚量化及報(bào)告規(guī)范》內(nèi)的要求，和 GB/T 32151.1- 2015《溫室氣體排 放核算與報(bào)告要求第 1 部分:發(fā)電企業(yè)》中的5.2.4“購(gòu)入的電力產(chǎn)生的排放”的計(jì)算方法來 進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)這也是比較常規(guī)的，對(duì)我國(guó)企業(yè)的企業(yè)社會(huì)責(zé)任報(bào)告(ESG)碳排放量核算 的通用方法，計(jì)算方法如下:
2.2二氧化碳排放因子
根據(jù)式(6)可知，當(dāng)知道能源消耗總量乘以對(duì)應(yīng)的排放因子即得所排放的二氧化碳排 放量，參考 GB/T 32151.1- 2015《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第 1 部分:發(fā)電企業(yè)》，第5.2.2.3 節(jié)“排放因子數(shù)據(jù)獲取”計(jì)算公式為 :
3計(jì)算實(shí)例
以廣東省某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目情況作為基礎(chǔ)，分別對(duì)此項(xiàng)目采用外購(gòu)電力方案以及天氣發(fā)電方案進(jìn)行綜合能源消耗計(jì)算及碳排放核算，項(xiàng)目基本信息如下:
3.1對(duì)采用外購(gòu)電力方案進(jìn)行核算
根據(jù)公式 1 至公式 7 對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行綜合能源消耗計(jì)算及碳排放核算，計(jì)算結(jié)果如下:
表4 項(xiàng)目綜合能源消耗計(jì)算及碳排放核算(市電供電)
當(dāng)此項(xiàng)目采用外購(gòu)電力供電時(shí)，根據(jù)計(jì)算每年需消耗19980 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，對(duì)外排放 55381噸二氧化碳。
3.2對(duì)采用天燃?xì)獍l(fā)電方案進(jìn)行核算
若此項(xiàng)目改用燃?xì)馊?lián)供機(jī)組，燃燒天然氣發(fā)電，并利用余熱經(jīng)過溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)中 心制冷，按市場(chǎng)主流燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)品，每1m3天然氣可發(fā) 4kWh 電，同時(shí)回收 4kW 冷量， 由于采用溴化鋰制冷機(jī)組替代電制冷機(jī)組，保守估計(jì) PUE 由 1.35 降低至 1.30，則該項(xiàng)目的 綜合能源消耗及碳排放計(jì)算如下:
表5 項(xiàng)目綜合能源消耗計(jì)算及碳排放核算(天然氣發(fā)電)
當(dāng)此項(xiàng)目采用天然氣機(jī)組發(fā)電并利用溴化鋰機(jī)組制冷時(shí)，根據(jù)計(jì)算每年需消耗19178噸標(biāo)準(zhǔn)煤，對(duì)外排放 33442 噸二氧化碳。
3.3兩種方案的對(duì)比分析
圖1 兩種方案的對(duì)比分析
根據(jù)計(jì)算兩種方案綜合能源消費(fèi)量基本相當(dāng);碳排放方面，天然氣發(fā)電方案比外購(gòu)電力方案降低約40%，可見天然氣發(fā)電方案更有利于降低數(shù)據(jù)中心二氧化碳排放量。
4 總結(jié)與展望
如文中計(jì)算結(jié)果所示，數(shù)據(jù)中心每年的能源消耗、二氧化碳排放量十分巨大;在碳中和、 碳達(dá)峰的大背景下，未來數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)必定需要考慮能源的綜合利用以及二氧化碳排 放量等因素，根據(jù)文章計(jì)算，采用天然氣機(jī)組發(fā)電并利用余熱經(jīng)過溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)中心制 冷的方式可比傳統(tǒng)外購(gòu)市電的方式，每年二氧化碳排放量降低約40%左右，具有較大的潛力， 但仍需在方案設(shè)計(jì)階段考慮天然氣的持續(xù)供應(yīng)、天然氣的存儲(chǔ)等問題。
節(jié)能減排、綠色低碳將是數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展的重要課題，作為用能大戶，更要積極響應(yīng) 國(guó)家號(hào)召，在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)維管理方面不斷探索實(shí)踐，助力“碳達(dá)峰”、“碳中和” 目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
