金和平

（中國長江三峽集團有限公司，湖北省武漢市 430000）

1 背景

1.1 全球氣候變化加劇

全球氣候變化正在對人類社會構(gòu)成巨大的威脅，溫室氣體超量排放會帶來冰川融化、海平面上升、高溫?zé)崂?、生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題，人類的生產(chǎn)與生活都會受到不可逆轉(zhuǎn)的影響。2020年，全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量高達315億t，并且仍在不斷增長[1][2]。2022年夏季長江流域出現(xiàn)罕見的超過40天長時間持續(xù)高溫干旱天氣，其主要原因是全球氣候變暖。

1.2 中國“雙碳”目標(biāo)

習(xí)近平主席在2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論和聯(lián)合國生物多樣性峰會上提出：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。2021年12月，國務(wù)院國資委正式發(fā)布《關(guān)于推進中央企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做好碳達峰碳中和工作的指導(dǎo)意見》，明確了中央企業(yè)做好碳達峰碳中和工作的總體要求與主要目標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)中心碳排

數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字化底座、數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施，目前正在快速發(fā)展，作為能耗大戶，其碳排放量逐年快速提升，據(jù)《中國數(shù)字基建的脫碳之路：數(shù)據(jù)中心與5G減碳潛力與挑戰(zhàn)（2020—2035）》中的數(shù)據(jù)，2021年數(shù)據(jù)中心碳排放量高達14746萬t，相當(dāng)于3億輛汽車每年在城市中行程達到2萬km的碳排放[3]。

以1500個機柜、每柜8kW、平均負(fù)載率75%、PUE 1.5[4]的數(shù)據(jù)中心模型計算，其十年期碳排量約82.9萬t，其中用電碳排占比97%；具體構(gòu)成如表1所示：

表1 數(shù)據(jù)中心碳排計算模型Table 1 Carbon emission calculation model of data center

2 零碳數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)路徑

2.1 碳中和路徑

簡單來說，碳中和路徑就是減少排放、增加吸收。從前端來看，就是要進行能源替代，用低碳替代高碳、用可再生能源替代化石能源，實現(xiàn)能源生產(chǎn)綠色化、能源消費電氣化。從中端來看，就是要進行節(jié)能，開展提效和減量，在能源利用上要轉(zhuǎn)換高效、存儲高效、利用高效，實現(xiàn)鋼鐵、石化、化工等高耗能行業(yè)轉(zhuǎn)型，加快新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，利用數(shù)字化技術(shù)研發(fā)低碳技術(shù)，推動資源高效利用、提升新基建能效水平，配套完善綠色金融等低碳發(fā)展機制，實現(xiàn)節(jié)約用能、減少浪費。從后端來看，要開展碳捕集、碳封存，利用植物固定、土壤固定，實現(xiàn)再生資源回收循環(huán)利用，通過森林培育及生態(tài)修復(fù)增強固碳能力。

圖1 碳中和路徑圖Figure 1 Carbon neutralization path diagram

總之，碳中和達成的手段，生產(chǎn)和消費端能源替代、高效用能節(jié)能是關(guān)鍵，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、低碳技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展、形成低碳機制是目標(biāo)。

2.2 零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)路徑

零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)按規(guī)劃、選址、設(shè)計、采購、建設(shè)、運行維護、拆除和回收利用全生命周期，概括起來多從以下方面實現(xiàn)零碳排放。

清潔能源使用：采用光伏、水電、風(fēng)能等清潔能源；對于無法完全采用清潔能源的，可采用綠電交易[5]、購買綠證等方式，減少碳排放。提倡布置屋頂、墻面分布式光伏系統(tǒng)，并合理配置儲能，增強清潔能源消納能力。

電能及水利用效率：新建大型、超大型零碳數(shù)據(jù)中心電能利用效率應(yīng)滿足：嚴(yán)寒地區(qū) PUE≤1.2；寒冷地區(qū) PUE≤1.25；其他地區(qū) PUE≤1.3；水利用效率滿足：WUE≤1.1kg/kWh。

工藝優(yōu)化和管理：在設(shè)計、施工、運維階段采用BIM（建筑信息技術(shù)）[6]等技術(shù)，進行過程優(yōu)化，減少人為失誤，縮短施工周期，節(jié)省施工材料，提高設(shè)備運行使用效率，降低能耗。

設(shè)計與施工：充分利用閑置或廢棄的隧道、洞室、涵洞、倉庫、安裝間等設(shè)施，減少土建過程的碳排放。要采用回收率高的設(shè)計方案，數(shù)據(jù)中心建筑材料的回收率大于70%；要結(jié)合圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱和遮陽措施，降低建筑的用能需求；主機房區(qū)域采用無窗密閉圍護，避免和減少進入室內(nèi)的太陽輻射以及窗或透明幕墻的溫差傳熱；辦公區(qū)域及公用區(qū)域應(yīng)充分利用天然光源；要充分搞好園區(qū)綠化，合理設(shè)置停車位、充電樁等，鼓勵新能源汽車的使用。施工應(yīng)制定合理的施工計劃，避免返工，縮短施工周期；施工過程中要求采用預(yù)拌混凝土，預(yù)拌砂漿，以減少現(xiàn)場揚塵和碳排放。施工現(xiàn)場工程用車要求采用清潔能源車。施工現(xiàn)場使用的泵、電機等機械宜采用高效直流變頻驅(qū)動。

空氣調(diào)節(jié)與氣流組織：優(yōu)先選用間接蒸發(fā)、水側(cè)自然冷等利用自然冷源的方式降低PUE。有條件的應(yīng)采用江河湖海水等作為冷源[7]。對于單機柜功率20kW以上的超高密數(shù)據(jù)中心，采用板式液冷或浸沒式液冷提高制冷效率。當(dāng)建設(shè)地周邊存在連續(xù)穩(wěn)定、可以利用的廢熱和工業(yè)余熱，且技術(shù)經(jīng)濟合理時，可采用吸收式冷水機組。技術(shù)經(jīng)濟合理時，數(shù)據(jù)中心需供暖區(qū)域可利用主機房余熱供暖。在滿足機房運行環(huán)境要求時，應(yīng)盡量提高數(shù)據(jù)中心冷凍水供水溫度，冷凍水供回水溫度差不宜小于5℃。宜采用人工智能等智能化的方式進行能效優(yōu)化，根據(jù)IT負(fù)載和室外溫濕度調(diào)節(jié)冷機、水泵、冷塔、閥門、空調(diào)末端等，實現(xiàn)PUE尋優(yōu)。主機房的空調(diào)形式應(yīng)與氣流組織匹配，對于無法采用間接蒸發(fā)冷卻的場景，宜采用近端冷卻設(shè)備，減少輸配能耗。對于單機柜功率密度6kW以上的高功率密度區(qū)域，宜采用通道封閉技術(shù)。當(dāng)滿足信息設(shè)備運行環(huán)境要求時，空調(diào)系統(tǒng)宜加大送回風(fēng)溫差，送回風(fēng)溫差宜大于10℃。主機房采用地板下送風(fēng)時，地板宜做保溫處理，地板下不宜布置管、線、槽等障礙物，如果有障礙物，架空地板高度不宜低于600mm。

供配電與照明：建議采用第三路市電或其他類型的低碳穩(wěn)定電源作為備用電源，取消柴油發(fā)電機減少一次化石能源產(chǎn)生的碳排放。低壓配電系統(tǒng)可采用融合、預(yù)制化方式，節(jié)約占地、提高供電鏈路效率。在滿足負(fù)載運行要求的前提下，UPS[8]可運行在超級旁路模式或智能在線模式。宜采用高密、環(huán)保的備電方案，降低對數(shù)據(jù)中心承重和空間的要求，減少傳統(tǒng)鉛酸方案帶來的環(huán)境污染和碳排放。照明系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“照明功率密度”限制值（LPD）中的目標(biāo)值，應(yīng)合理利用天然采光，采用導(dǎo)光和反光裝置將天然光引入室內(nèi)進行照明，應(yīng)選用智能照明系統(tǒng)，對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)自動熄燈來節(jié)能。

給排水：零碳數(shù)據(jù)中心的冷卻用水、生活用水、公用系統(tǒng)用水等的排水，要按水質(zhì)進行收集，重復(fù)或多次應(yīng)用。應(yīng)結(jié)合場地具體情況制定合理的雨水利用方案，降低場地徑流總量，加大雨水入滲、調(diào)蓄和回用。給水排水管網(wǎng)應(yīng)采取有效措施避免管網(wǎng)漏損，用水器具應(yīng)采用二級及以上節(jié)水器具。生活用熱水的熱源，選用數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的余熱、太陽能、熱泵等多種熱源后回用。

智能化系統(tǒng)：要求采用人工智能等先進智能化輔助手段，提高數(shù)據(jù)中心能源效率、運維效率，降低能耗。系統(tǒng)應(yīng)具備碳排放量計算和統(tǒng)計功能，能收集和分析數(shù)據(jù)中心碳排放量、綠電使用率、碳匯交易量等。要能通過人工智能等智能化手段進行能效優(yōu)化。要具備替代或減少人員巡檢工作的功能，減少運維過程碳排放。要與相關(guān)管理信息系統(tǒng)互聯(lián)互通，能接入政府能效監(jiān)測管理平臺等數(shù)字化平臺，實現(xiàn)對總能耗、總耗水、IT總耗電、可再生能源使用量、蓄電量、蓄冷量及數(shù)據(jù)中心碳排放量等監(jiān)測和控制。

3 實踐案例

3.1 三峽集團新基建

作為全球最大水電開發(fā)運營企業(yè)和我國最大清潔能源集團，中國三峽集團在為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系履行使命責(zé)任的同時，積極進行數(shù)字產(chǎn)業(yè)化，積極探索由提供清潔能源到提供綠色算力，通過“新基建”加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型，融合清潔能源高效配電技術(shù)與IDC運營技術(shù)[9][10]，從提供綠色電力輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色算力輸出，從度電能源價值轉(zhuǎn)變?yōu)槎入娝懔r值。

圖2 從提供綠色電力輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色算力輸出Figure 2 From providing green power output to green computing power output

“十四五”期間三峽集團計劃在宜昌區(qū)域打造華中地區(qū)最大的數(shù)據(jù)中心集群，布局在三峽壩區(qū)和葛洲壩壩區(qū)兩個區(qū)域，充分利用水電工程建設(shè)后形成的清潔水電、土地資源、江水冷源等優(yōu)勢建設(shè)同城多活的數(shù)據(jù)中心集群，構(gòu)建算力樞紐節(jié)點，為區(qū)域數(shù)字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供保障。

3.2 東岳廟零碳數(shù)據(jù)中心

三峽東岳廟數(shù)據(jù)中心位于宜昌市三峽壩區(qū)東岳廟，與三峽大壩直線距離僅3.8公里，屬于三峽大壩保護區(qū)內(nèi)，是安保等級極高的數(shù)據(jù)中心。規(guī)劃建設(shè)26400個單機柜額定功率6kW的機柜，總投資約為55億元，占地面積超過166畝，分三期建設(shè)，計劃建設(shè)5棟數(shù)據(jù)中心大樓、一棟通信指揮樓和一棟變電站兼電力保障綜合樓，建成之后將會成為我國華中地區(qū)規(guī)模最大的零碳數(shù)據(jù)中心集群。

東岳廟數(shù)據(jù)中心一期建設(shè)4400個機柜，包含一棟數(shù)據(jù)中心機房樓、一棟通信指揮樓和電力保障綜合樓，建筑面積分別為30538m2、4802m2和2187m2，總投資約8.45億元。于2020年12月28日奠基，2021年2月20日正式開工建設(shè)，2021年7月13日主體建筑封頂，2021年11月30日實現(xiàn)首批機柜交付投產(chǎn)，2022年3月29日竣工驗收。三峽集團配合湖北省發(fā)展改革委正在以東岳廟數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)按“以建促批”積極申報“東數(shù)西算”國家第九大算力樞紐節(jié)點。以東岳廟零碳、高安保和區(qū)位條件，積極爭當(dāng)國家數(shù)據(jù)“保管員”、綠色零碳“引領(lǐng)員”、東數(shù)西算“調(diào)度員”。

圖3 東岳廟數(shù)據(jù)中心一期建設(shè)Figure 3 Dongyuemiao Data Center PhaseⅠConstruction output

2022年5月27日東岳廟一期項目獲得中國質(zhì)量認(rèn)證中心（CQC）頒發(fā)的A級機房等級證書，PUE值≤1.3。入選國家工信部發(fā)布的《國家新型數(shù)據(jù)中心典型案例名單（2021年）公示》，被評為綠色低碳方向的大型數(shù)據(jù)中心典型案例。形成《零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》團體標(biāo)準(zhǔn)、《IDC數(shù)字化交付規(guī)范》和《IDC工程數(shù)字化運行管理規(guī)范》等一批數(shù)字化管理規(guī)范、IDC知識庫等智力資產(chǎn)。

東岳廟零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)實踐，貫穿“水流—電流—數(shù)據(jù)流”綠色能源轉(zhuǎn)化為綠色算力脈絡(luò)，傳遞三峽集團將瓦特變比特的數(shù)字產(chǎn)業(yè)化理念，實現(xiàn)了“零”碳排放的生命周期。主要表現(xiàn)在以下五個方面：

一是在能源供應(yīng)方面，實現(xiàn)了零碳。東岳廟數(shù)據(jù)中心供電全部采用三峽電站的水電，通過三路供電保障，取消了柴油發(fā)電后備電源。

二是在工程建設(shè)方面，全生命周期節(jié)約碳排放1.45萬t。采用鋼結(jié)構(gòu)、工程產(chǎn)品化及部件模塊化等一系列綠色施工方法，極大減少了建筑垃圾、廢水及二氧化碳的排放。減排情況如表2所示。

表2 鋼混與預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)建筑碳排對比Table 2 Carbon emission comparison between steel concrete and prefabricated steel structure buildings

三是在動環(huán)方面，利用AI和江水冷源，實現(xiàn)了高效配電、高效制冷和遠(yuǎn)程運維。供配電全鏈融合+AI管理，系統(tǒng)效率達到95.5%，UPS（不間斷電源）采用模塊化，低負(fù)載輪巡技術(shù)，效率高達97%。利用三峽水庫冷水源，按照高溫冷凍水+自然冷卻方案，AI實時自動調(diào)節(jié)尋優(yōu)，PUE實時保持最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)PUE降低8%～15%，全生命周期可減少碳排放30萬t。搭建DCIM動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程運維系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)中心空調(diào)、機柜和UPS實時運行數(shù)據(jù)建模分析，實現(xiàn)提前預(yù)警和調(diào)優(yōu)，確保數(shù)據(jù)中心能夠安全穩(wěn)定運行。

四是在環(huán)境建設(shè)方面，實現(xiàn)了綠色園區(qū)。通過選擇合理綠化方式，科學(xué)配置綠化植物，形成園區(qū)森林。采用節(jié)灌溉水方式，搭配高效的雨水回收系統(tǒng)和生態(tài)道路，減緩地表徑流，降低熱島效應(yīng)，滋養(yǎng)土壤，涵養(yǎng)地下水。開展屋頂、墻面光伏和園區(qū)小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)計，擬在二期進行實施。

五是全面應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)基于BIM的交付和運維。打造了三峽集團新基建數(shù)字化管控平臺，建立了IDC項目數(shù)字化工作模式和標(biāo)準(zhǔn)體系，實現(xiàn)TGPMS（三峽工程管理信息系統(tǒng)）與IOT、GIS、BIM、知識管理深度融合的數(shù)字化協(xié)同工作管理，形成面向數(shù)字孿生運營需求的東岳廟新基建IDC項目全生命周期數(shù)字資產(chǎn)。首次在IDC設(shè)計、施工、竣工中全過程應(yīng)用BIM技術(shù)，進行全過程優(yōu)化，減少人為失誤，縮短施工周期，節(jié)省施工材料，降低能耗，減少碳排放。將空間資產(chǎn)、設(shè)備資產(chǎn)、交付檔案數(shù)據(jù)借助BIM技術(shù)實現(xiàn)可視化管理，根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系進行穿透查詢，通過靈活的交互設(shè)計、成熟的引擎實現(xiàn)二維、三維的信息交互應(yīng)用，實現(xiàn)了資產(chǎn)數(shù)字化交付和運維。

3.3 數(shù)據(jù)中心碳排計算方法

根據(jù)以上零碳數(shù)據(jù)中心路徑論述及中國三峽集團東岳廟零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)實踐，由中國三峽集團牽頭、邀請國內(nèi)行業(yè)相關(guān)單位參與編制了《零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（T/CA 301—2021），在中國通信工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)中心委員會的組織下，作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)于2021年12月1日開始實施。該標(biāo)準(zhǔn)對零碳數(shù)據(jù)中心進行了定義，當(dāng)被考察數(shù)據(jù)中心的碳排放總量 C總=0時，該數(shù)據(jù)中心為零碳數(shù)據(jù)中心。明確了數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃、選址、設(shè)計、采購、建設(shè)、 運行維護、拆除和回收利用等各環(huán)節(jié)的碳排放計算方法，其生命周期產(chǎn)生的碳排放總量計算公式如下[11]：

圖4 東岳廟數(shù)據(jù)中心BIM平臺截圖Figure 4 Screenshot of Dongyuemiao Data Center BIM Platform

式中：Cjc——建筑建材生產(chǎn)運輸階段的碳排放，應(yīng)為建材生產(chǎn)階段碳排放與建材運輸階段碳排放之和，該指標(biāo)應(yīng)在設(shè)計階段由設(shè)計、建設(shè)單位對材料清單進行計算。Cjc=∑MiFi，其中Mi為第i種主要建材的消耗量，F(xiàn)i為第i種主要建材的碳排放因子；

Cjs——數(shù)據(jù)中心建設(shè)階段的碳排放， 包括工程器械、工程車輛和施工人員活動產(chǎn)生的碳排放，應(yīng)由建設(shè)單位對建設(shè)階段的過程碳排進行，參考《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）中第 5.2.3節(jié)的能源計算公式，Cjs=∑Ejz·iEFi，其中Ejz·i為建筑建造階段第i種能源總用量，EFi為第i種能源的碳排放因子；

Csb——數(shù)據(jù)中心設(shè)備及材料生產(chǎn)運輸階段的碳排放，包括除建筑建材外的所有設(shè)備和材料在生產(chǎn)、運輸階段產(chǎn)生的碳排放，該參數(shù)在采購階段，由設(shè)備清單，按照材料質(zhì)量進行核算，對于無法細(xì)分的設(shè)備，按設(shè)備重量1.1倍的冷軋?zhí)间摪寰淼奶寂欧诺刃в嬎悖?/p>

Cyw——數(shù)據(jù)中心運行階段能源消耗產(chǎn)生的碳排放，能源消耗包括電力、燃?xì)?、燃油、市政熱力等，也包括運維人員活動、運維車輛行為帶來的碳排放，應(yīng)按照數(shù)據(jù)中心運行實際消耗的各類能源總量進行計算，其中電能的碳排放應(yīng)按照本區(qū)域電網(wǎng)的碳排放因子進行計算。Cyw=∑Ei×EFi×y，其中Ei、EFi、y參考《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）中第4.1.4節(jié)的參數(shù)定義；

Ccc——數(shù)據(jù)中心拆除階段產(chǎn)生的碳排放，參考《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366—2019）中第5.3.1節(jié)的相關(guān)規(guī)定；

Cp——數(shù)據(jù)中心生命周期通過植樹造林、二氧化碳捕集利用與封存等技術(shù)，以及通過碳交易抵消的碳排放，值為負(fù)數(shù)。

4 結(jié)語

本文通過對零碳數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)路徑研究，結(jié)合實踐案例，提出了數(shù)據(jù)中心全生命周期零碳排放的具體方法措施。通過介紹三峽集團東岳廟零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)實踐案例，與讀者分享零碳數(shù)據(jù)中心建設(shè)的實際操作經(jīng)驗。同時，從研究和實踐中得出了數(shù)據(jù)中心全生命周期碳排計算公式，為零碳數(shù)據(jù)中心評判提供依據(jù)。