以“云大物移智鏈”為代表的互聯(lián)網技術助推數(shù)字經濟快速發(fā)展的同時，將會有海量的數(shù)據(jù)需要感知、存儲、加密、傳輸、調用、計算以及交易。進而，作為數(shù)字基礎設施的重要載體，新基建——數(shù)據(jù)中心的存儲、計算、運營的“算力”將不斷提高。

　　但伴隨“算力”的提高，數(shù)據(jù)中心的運行能耗及其運行成本也將面臨不斷攀升的可能。如在發(fā)達國家數(shù)據(jù)中心集約化發(fā)展逐漸成熟的趨勢下，2019年我國數(shù)據(jù)中心數(shù)量大約有7.4萬個，大約能占全球數(shù)據(jù)中心總量的23%，數(shù)據(jù)中心機架規(guī)模達到227萬架，并有增加的趨勢。

　　因此，如果沒有全國一盤棋的數(shù)據(jù)中心的集約化發(fā)展頂層規(guī)劃，以及先進供能技術和節(jié)能服務器的規(guī)?；瘧?，在我國數(shù)字經濟以及新基建發(fā)展趨勢迅猛的背景下，可以預見，數(shù)據(jù)中心的能耗占比將高于全球的平均水平，我國數(shù)據(jù)中心的“能耗大戶”的帽子在短期內則難以摘除。因此，我國乃至全球數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排和降低運營成本面臨巨大挑戰(zhàn)。

　　進而，“以什么能源及其適配方式來滿足數(shù)據(jù)中心的能耗”，將成為數(shù)據(jù)中心乃至數(shù)字經濟可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題。作為能源互聯(lián)網的從業(yè)者，除了關注“云大物移智鏈”等信息技術對能源系統(tǒng)的提質增效外，也需要運用能源互聯(lián)網視域的方法論，關注未來“云大物移智鏈”規(guī)?；瘧煤髷?shù)據(jù)中心“提質增效”的能源問題。數(shù)據(jù)中心的能源系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的典型形態(tài)，其也與能源系統(tǒng)的未來業(yè)態(tài)——能源互聯(lián)網的發(fā)展趨勢相輔相成。如此，數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的提質增效，也可以用能源互聯(lián)網的方法論及視域去闡述和優(yōu)化，旨在使數(shù)據(jù)中心能夠更加健康、可持續(xù)地發(fā)展。

　　可再生能源——數(shù)據(jù)中心能源供應的必然趨勢

　　能源互聯(lián)網的一個重要標簽，就是促進可再生能源的大規(guī)模利用，而數(shù)據(jù)中心作為能耗大戶，在可再生能源使用上有著主動和被動的驅動力。

　　隨著風電、光電、水電等可再生能源發(fā)電技術的成熟以及成本的下降，傳輸通道和功率預測調控技術的不斷發(fā)展，以及我國電力市場化交易機制的不斷完善，可再生能源向數(shù)據(jù)中心供應能源的技術路線將不斷成熟。

　　全球來看，現(xiàn)有以可再生能源給數(shù)據(jù)中心供電的方式，包括自建可再生能源發(fā)電項目、直接向發(fā)電企業(yè)采購綠電、采購綠色電力證書以及電力現(xiàn)貨市場化交易等方式。但是，我國煤電為主的能源電力結構，制約著數(shù)據(jù)中心對可再生能源的使用。據(jù)測算，2018年我國數(shù)據(jù)中心可再生能源供電量占數(shù)據(jù)中心總用電量的22.95%，比例小于同期全國社會總用電量中可再生能源的消費比重。

　　我國大部分數(shù)據(jù)中心分布于可再生能源在全社會電力消費量占比較低的省市，如北京、廣東、浙江、江蘇等地。為提高數(shù)據(jù)中心清潔能源應用比例，2019年，國家工信部等三部委聯(lián)合發(fā)布的《關于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設的指導意見》中就明確提出，鼓勵數(shù)據(jù)中心直接與可再生能源發(fā)電企業(yè)開展電力交易，購買可再生能源綠色電力證書，提高數(shù)據(jù)中心清潔能源的應用比例。

　　再如，我國貴州的“數(shù)字經濟”近幾年快速發(fā)展，離不開其“涼爽、多水”的生態(tài)環(huán)境和能源資源優(yōu)勢，給數(shù)據(jù)中心的布置創(chuàng)造了天然的優(yōu)良條件。一是貴州全年氣溫適中，夏季較為涼爽，可以降低數(shù)據(jù)中心的空調能耗和成本;二是豐富的水力資源，以及較其他省份便宜一半以上的水電成本優(yōu)勢，為大數(shù)據(jù)及其相關企業(yè)的發(fā)展降低了運營成本。

　　內蒙古則擁有全國省級獨立電網——蒙西電網，以及豐富的風光資源，其輸配電價可直接進行電力市場交易，在內蒙，數(shù)據(jù)中心和大數(shù)據(jù)企業(yè)可享受0.26元/度電價優(yōu)惠，可大大節(jié)省數(shù)據(jù)中心的運營成本。

　　另外，為吸引數(shù)據(jù)中心落地，助推數(shù)字經濟新動能的發(fā)展，多地還對數(shù)據(jù)中心用電給予補貼，比如2019年山東省數(shù)據(jù)中心用電價格補貼后為0.33元/kWh、河南省正實施補貼細則，擬定數(shù)據(jù)中心的用電可降到0.33元/kWh。

　　但是，數(shù)據(jù)中心供電的綠色化，并不代表數(shù)據(jù)中心的低能耗。對于綠色能源的使用，雖然可以降低數(shù)據(jù)中心服務供應商的成本，也有益于綠色數(shù)據(jù)中心的建設。但從能量守恒看，數(shù)據(jù)中心的能耗與能效并沒有發(fā)生本質變化。甚至，對于計算節(jié)點而言，由于綠色能源的過分使用，還可能導致供能系統(tǒng)的冗余設計及其附帶高能耗，以及降低某些計算節(jié)點的可靠性。所以，在保證數(shù)據(jù)中心利用綠色能源最大化的同時，供能系統(tǒng)的能效優(yōu)化以及節(jié)點的可靠性，也是數(shù)據(jù)中心設計調度策略必須考慮的因素之一。另一方面，100%可再生能源利用的初投資及運維費用也是比較大的。

　　因此，數(shù)據(jù)中心對可再生能源的利用，需要考慮多種能源協(xié)同組合，這也是未來可再生能源應用于數(shù)據(jù)中心所面臨的重要挑戰(zhàn);另外，數(shù)據(jù)中心末端設備多用直流供電，隨著我國直流輸配電技術的發(fā)展以及直流用電設備的成熟，直流數(shù)據(jù)中心的模式將會對數(shù)據(jù)中心的能效產生積極影響，也有益于數(shù)據(jù)中心對本址內外可再生能源的利用。

　　天然氣——數(shù)據(jù)中心供能的備用補充

　　能源互聯(lián)網定義以電為中心，并集成冷、熱、電、氣等能源，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合能源效率的提升。那么，數(shù)據(jù)中心的能源供應，應是因地制宜的，也應是以提高能源系統(tǒng)綜合效率為目標的。

　　為貼近用戶提高服務質量，以及帶寬資源的限制，一些數(shù)據(jù)中心仍需要建立在經濟發(fā)達地區(qū)。但如前述，經濟發(fā)達的地區(qū)往往沒有本址可再生能源資源，而且經濟發(fā)達地區(qū)城市發(fā)展較為成熟，往往電力資源緊張，電網增量有限，如粵港澳大灣區(qū)、長三角地區(qū)以及新興經濟帶等。因此，需要部分替代能源，以緩解數(shù)據(jù)中心電力供應緊張的形勢。

　　天然氣分布式能源系統(tǒng)綜合能源利用率高，且系統(tǒng)輸出的熱電比與數(shù)據(jù)中心的末端需求的冷電比負荷特征十分匹配，進而，能夠優(yōu)化聯(lián)供供能系統(tǒng)的設備利用率以及數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)能效。

　　實際上，2017年國家能源局發(fā)布的《關于加快推進天然氣利用的意見》中，就提出了鼓勵天然氣在產業(yè)園區(qū)、交通樞紐、醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心的應用。同時，由于節(jié)能環(huán)保的要求，非居民用天然氣價格的下降，國內在建或已經建成了多個天然氣分布式能源與數(shù)據(jù)中心相結合的工程，如北京世紀互聯(lián)數(shù)據(jù)中心、廊坊經濟技術開發(fā)區(qū)數(shù)據(jù)中心、上海騰訊青浦數(shù)據(jù)中心、中國聯(lián)通德清數(shù)據(jù)中心和廣州超算中心，等等。其中，上海騰訊青浦數(shù)據(jù)中心的天然氣分布式能源系統(tǒng)的供電量，已占到整個數(shù)據(jù)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(tǒng)性規(guī)劃的缺乏，加之對天然氣分布式能源系統(tǒng)性能評價的認識不足(比如，對于天然氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，1m³天然氣 可以等效為4~10kwh電力，具體需要根據(jù)聯(lián)供系統(tǒng)具體的形式來確定，這將對聯(lián)供系統(tǒng)的熱經濟性評價帶來不小影響)，部分項目實際運行的效益也受到一些爭議。如某數(shù)據(jù)中心就因氣價波動、規(guī)劃不合理導致了設備利用率低、系統(tǒng)經濟效益不佳的問題。

　　因此，天然氣聯(lián)供系統(tǒng)的設計，需要基于數(shù)據(jù)中心的負荷特性，要避免“大馬拉小車”等設計不合理問題造成的設備利用率低、經濟效益差等問題的出現(xiàn)。我國天然氣對外依存度高，國際天然氣市場來看以及南?？扇急拈_發(fā)，天然氣的資源端和供應端還有很大的不確定性。因此，需要因地制宜、因時制宜，應結合當?shù)刭Y源稟賦及負荷特性，合理構建基于天然氣聯(lián)供以及優(yōu)質電力的數(shù)據(jù)中心多能互補綜合能源系統(tǒng)，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供能的高效化、低成本和清潔化。

　　產消者視角——構建融合數(shù)據(jù)中心的綜合能源系統(tǒng)

　　能源互聯(lián)網在除了基于能的梯級利用外，也為能源的商品化提供廣闊的舞臺，在消費能源的同時，也具備能源的供應能力，那么，數(shù)據(jù)中心是一個怎樣的產消者呢?

　　對有條件的地區(qū)，應基于“產消者”視角，做好數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的頂層設計。數(shù)據(jù)中心完全可以被看作一個具有能源生產和消費雙重身份的“產消者”。一方面，作為能源消費者，數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的首要任務就是負荷側能耗的降低。具體措施包括采用更節(jié)能的機架、服務器及運行策略、配電系統(tǒng)和空調系統(tǒng)的優(yōu)化，甚至自然或免費冷源的使用，等等。

　　另一方面，作為能源生產者，數(shù)據(jù)中心也可以供能。實際上，數(shù)據(jù)中心的微處理器、存儲器、逆變器、主板、風扇的散熱溫度，在85℃~30℃之間，而且高性能數(shù)據(jù)中心的散熱強度甚至可高達10000W/㎡，即數(shù)據(jù)中心的散熱余熱，可占到數(shù)據(jù)中心總耗電的40%以上。因此，熱工視角下，如果這些余熱得以有效利用，這無疑是一個巨大的中低品位熱源。

　　近年來，隨著壓縮式熱泵、高效換熱(肋片換熱器、熱管)、相變蓄能與水蓄能等中低品位熱能高效回收與利用技術的發(fā)展，使數(shù)據(jù)中心的余熱回收成為可能。比如北歐一些國家，已經應用熱泵技術回收數(shù)據(jù)中心大量的低品位熱源余熱，用于周邊建筑的采暖、生活熱水或游泳池水溫的加熱，如此，節(jié)省建筑采暖費用的同時，還能夠降低數(shù)據(jù)中心散熱能耗。再如，按現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心規(guī)模，我國北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心的可回收余熱總量約有10GW，這意味著，不需要再消費另外能源，便可實現(xiàn)3億㎡左右建筑的供暖，并實現(xiàn)二氧化碳減排約1000萬噸。

　　但是，作為“產消者”的數(shù)據(jù)中心，既要考慮自身能效的提升，又要考慮上下游能源的供應和需求，例如上游能源資源功率和價格波動的特性，能夠利用能源種類、數(shù)量等;下游要考慮負荷的種類、波動、用能成本及可靠性、社會環(huán)境效益等，其節(jié)能減排的措施會變得復雜。但是從全局優(yōu)化的角度看，產消者視域下數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的效率會大大提高，運營成本也會實現(xiàn)優(yōu)化，同時能夠與周邊能源供應與消費形成良好互動，實現(xiàn)上下游能源系統(tǒng)節(jié)能減排的共贏。

　　因此，建議有條件的地區(qū)，應將數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的規(guī)劃，提前納入所在園區(qū)基礎設施一體化建設規(guī)劃或城市建設及供暖規(guī)劃，統(tǒng)一施策，這樣，不光有利于提供更加優(yōu)質的綜合能源及服務，解決數(shù)據(jù)中心高能耗、低能效的問題，也對城市建設和發(fā)展的招商引資具積極的推動作用。

　　健全評價體系——打造數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的指導原則

　　數(shù)據(jù)中心作為一個典型的能源系統(tǒng)，與能源互聯(lián)網一樣，更精細、更全面能源系統(tǒng)的多目標優(yōu)化及評價，是“能源不可能三角”約束下數(shù)據(jù)中心提質增效的應有之義。

　　在數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的綜合評價方面，電能利用效率(PUE)、電能使用效率(EEUE)或基礎設施效率(DCiE)，是數(shù)據(jù)中心能耗水平的主要評價指標，但其僅停留在熱力學第一定律的視角，尚沒有從熵、?的視角去分析和挖掘數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的能效。而且PUE所衡量的，只是輸入到IT設備的能耗與數(shù)據(jù)中心總輸入能耗之間的關系，并不能全面比較數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的有效輸出與系統(tǒng)總輸入之間的關系。同時，數(shù)據(jù)中心的PUE評價，并沒有考慮數(shù)據(jù)中心的碳排放，而新制定的CUE標準，也只是考慮碳排放而沒有涉及數(shù)據(jù)中心的能源能效。還有，Performance/Watt或者Dollar/Watt指標，分別評價的是數(shù)據(jù)中心單位能耗所提供的性能和收益。

　　同時，數(shù)據(jù)中心在考慮高效、經濟運行的同時，應盡量實現(xiàn)綠色運行。如此，會出現(xiàn)不同屬性評價和優(yōu)化指標“相悖”之間的權衡問題。比如，數(shù)據(jù)中心能耗優(yōu)化目標一般包括：最大化可再生能源利用率、最小化能源成本、最小化碳排量，而這三者之間，往往存在一定的相關性和相悖性。另外，“數(shù)據(jù)中心綠色等級認證”，雖然從能源效率、節(jié)能技術、綠色管理等維度對數(shù)據(jù)中心進行了綜合評估，但仍難以清晰揭示數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的能流分布及用于系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。

　　另外，我國的數(shù)據(jù)中心，經過幾十年的發(fā)展，也逐漸形成了數(shù)據(jù)中心的標準體系?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)中心能效的相關標準包括：數(shù)據(jù)中心能源管理效果評價導則、數(shù)據(jù)中心能源利用測量和評估規(guī)、云計算數(shù)據(jù)中心能效評估方法、數(shù)據(jù)中心能源管理體系實施指南、數(shù)據(jù)中心能源效率限額、能效及排放技術要求和評測方法、數(shù)據(jù)中心制冷與空調設計標準、數(shù)據(jù)中心資源利用第3部分：電能能效要求和測量方法、電信互聯(lián)網數(shù)據(jù)中心(IDC)的能耗測評方法、綠色數(shù)據(jù)中心評價標準等。

　　但是，相對于數(shù)據(jù)中心的快速建設及信息通信技術的更新迭代速度，數(shù)據(jù)中心“能效”方面的標準還相對不足，特別是數(shù)據(jù)中心能效方面的國標和行業(yè)標準還有較大欠缺，未能跟上數(shù)據(jù)中心IT設備的更新速度。因此，需要建立健全數(shù)據(jù)中心的能耗優(yōu)化評價指標，以及面向不同等級及氣候區(qū)域的數(shù)據(jù)中心能效評價標準。

　　頂層規(guī)劃——數(shù)據(jù)中心提質增效的必要環(huán)節(jié)

　　頂層規(guī)劃不光是能源互聯(lián)網、綜合能源系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)，更是新基建數(shù)據(jù)中心規(guī)?？焖侔l(fā)展下提質增效的重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)中心的頂層規(guī)劃，應與其能源系統(tǒng)的頂層設計統(tǒng)籌考慮。

　　據(jù)統(tǒng)計，相對于發(fā)達國家，目前我國多數(shù)數(shù)據(jù)中心的資源利用率較低。主要原因可歸結為，數(shù)據(jù)中心為了追求高性能、保證服務質量和可靠性，通常采用冗余的設計運行策略。因此，不論當前負載如何，大多服務器都將處于冗余、待機的運行狀態(tài)。進而，加之數(shù)據(jù)中心在全國層面不太均衡的發(fā)展建設，導致我國數(shù)據(jù)中心較低的低資源利用率，導致巨大的資源浪費的同時，也會加重數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)、配電裝置等配套設備能耗的投入，致使數(shù)據(jù)中心的能耗成本可達到數(shù)據(jù)中心運行成本的50%左右。

　　因此，數(shù)據(jù)中心能源供應的提質增效，首先要解決好數(shù)據(jù)中心的利用率問題，而數(shù)據(jù)中心利用率的提高，重點也在于做好全面、合理的數(shù)據(jù)中心規(guī)劃。

　　一方面，隨著新基建的開展和落實，數(shù)據(jù)中心的建設勢必會在全國各地快速上馬。因此，需要做好數(shù)據(jù)中心建設的頂層規(guī)劃。在滿足市場有效需求前提下，積極統(tǒng)籌、合理控制各地據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)模，盡可能地優(yōu)化數(shù)據(jù)中心可承載的帶寬和資源量，盡可能地避免數(shù)據(jù)中心結構性過剩與業(yè)務量不均衡的問題，保證全國數(shù)據(jù)中心平均利用率的提高。

　　另一方面，要做好數(shù)據(jù)中心“算力”、“能效”、“成本”的同步優(yōu)化。過去由于對“算力”的注重，對數(shù)據(jù)中心的優(yōu)化，往往是基于IT負載調度供電系統(tǒng)的優(yōu)化，即一個局部的單目標優(yōu)化，很可能會帶來其他子系統(tǒng)性能的降低。如單純優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的計算系統(tǒng)，通常是在配套設備冗余保證條件下，而這無疑將導致制冷設備等配套設施的過大設計以及運行成本的增加。

　　其次，數(shù)據(jù)中心的建設要統(tǒng)籌集中式與分布式并存。隨著全國各地數(shù)據(jù)服務請求的爆發(fā)式增加，特別是5G及邊緣計算技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心也有從集中式轉為分布式的現(xiàn)象。而基于地理分布的數(shù)據(jù)中心結構性布局，能夠更好地匹配區(qū)域電價的時空差異、不同數(shù)據(jù)中心計算能力和帶寬的差異，以及服務請求的時延差異等，進而可以為用戶提供安全、可靠的計算服務。同時，經過對數(shù)據(jù)中心“算力”的合理布局、需求側響應調度機制的應用，以及未來數(shù)據(jù)中心“算力”的削峰填谷與互聯(lián)共享等市場化手段，可以從宏觀上有效優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的計算能耗，提高數(shù)據(jù)中心的能效水平以及利用率。

　　另外，國家電網公司倡導的面向社會服務“多站融合”的建設與運營模式，也給數(shù)據(jù)中心在全壽命周期內的“提質增效”提供了一個新的途徑。

　　多站融合，就是將變電站、充換電站、儲能站和數(shù)據(jù)中心等集于一體，實現(xiàn)共建、共享、共治和共贏。隨著分布式電網的建設與發(fā)展，變電站的功能將包括儲能、電力變換等功能，能量的傳輸也從單向變成了雙向，電力的調度就變得非常復雜，所需要采集的數(shù)據(jù)也劇烈增加。因此，在儲能站的基礎之上，還可配合數(shù)據(jù)中心的建設。同時，數(shù)據(jù)中心可以在服務電網自身的能量分配與管控外，還可以作為數(shù)字經濟的基礎設施實現(xiàn)其他行業(yè)的數(shù)據(jù)服務。（作者供職于清華大學能源互聯(lián)網創(chuàng)新研究院）