黃緒剛 趙 輝 楊 旭

一、引言

早在上世紀九十年代，全世界多數國家就已經意識到了溫室氣體會給人類生活造成氣候變暖、冰川融化和海平面升高等自然災害。聯合國大會在1992 年5 月9 日通過了《聯合國氣候變化框架公約》，旨在將大氣溫室氣體濃度維持在一個相對穩(wěn)定的水平。聯合國本著服務于全人類的思想不斷對相關協定進行補充及修訂，其中較具有代表性和約束力的國際協議有《京都議定書》和《巴黎協定》，二者都聚焦于溫室氣體排放等熱點問題。2020 年，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話設立了“30·60”碳達峰碳中和總體發(fā)展目標，為中國實現碳中和的“40 年長征”拉開序幕。

實現碳中和的基本路徑之一是減少溫室氣體排放。溫室氣體是指二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等氣體的統稱，由于二氧化碳對全球升溫的貢獻百分比較大，因此研究者通常采用同等二氧化碳排放當量來衡量溫室氣體的排放水平。近年來，國內外環(huán)保領域對二氧化碳等溫室氣體的排放評估標準總體一致，但根據不同國家基本國情和經濟發(fā)展等因素作出相應調整和修正。聯合國政府間氣候變化專門委員會通過的《2019 年精細化2006IPCC 國家溫室氣體清單指南》（簡稱《IPCC 指南》）取得國際上廣泛的認可，指引世界多數國家建立溫室氣體核算體系。其采用國家和區(qū)域層面統一的排放因子和活動數據促使各國制定透明、可比較的計算方法，盡可能降低誤差。在中國，國家發(fā)改委于2013 年出臺首批10 個行業(yè)的企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（下文簡稱《行業(yè)指南》），并在隨后兩年相繼發(fā)布14 個《行業(yè)指南》。隨著國家、地方、企業(yè)三級溫室氣體排放核算工作體系的持續(xù)構建，中國溫室氣體排放數據衡量制度逐步建立且排放計算標準逐漸完善。

二、數據中心溫室氣體排放量計算標準

2022 年中國信息通信研究院發(fā)布的《數據中心白皮書》認為，“數據中心是算力的物理承載，是數字化發(fā)展的關鍵基礎設施”。近年來，國家高度重視數據中心的產業(yè)發(fā)展，先后出臺多種政策鼓勵數據中心產業(yè)由高速發(fā)展向高質量發(fā)展全面演進，推動數據中心發(fā)展面向大型化、智能化、綠色化。

隨著“東數西算”工程的實施和多樣化的數據中心算力需求增加，數據中心的市場規(guī)模持續(xù)增長及其建設數目逐漸增多提升了以數據中心為代表的信息通信業(yè)溫室氣體排放貢獻比，大量數據中心的開發(fā)與建設帶來的溫室氣體排放增多問題日益顯現。目前，全國碳市場已納入發(fā)電、石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙和民航等8 個高能耗行業(yè)，但僅北京、深圳將信息通信行業(yè)納入試點碳市場，國家層面對數據中心納入碳市場的政策尚不明確。2022 年7 月廣東省人民政府辦公廳發(fā)布的《廣東省發(fā)展綠色金融支持碳達峰行動實施方案》提出將逐步把交通運輸業(yè)、數據中心、陶瓷生產、紡織業(yè)等高碳排放領域與超高超限超能耗公共建筑納入碳排放交易試點，這種“試點先行”的方案實施釋放出數據中心即將納入碳市場的重要信號。因此，數據中心應及早部署碳排放核算工作，為信息通信行業(yè)全面納入碳市場做出準備。

依照國家發(fā)改委發(fā)布的《行業(yè)指南》，國家層面暫未對數據中心溫室氣體的排放量衡量標準有明確的界定，目前可供參考且較具權威性的數據中心溫室氣體核算方法是由中國電子協會發(fā)布的《數據中心溫室氣體排放核算指南（2021 年版）》。該技術文件從詞語定義、核算邊界、核算方法、數據質量管理和報告編制等多方面提供了一套較為科學的數據中心溫室氣體衡量標準。本文依托南方區(qū)域某數據中心項目，收集分析大量數據并采用上述技術文件提供的溫室氣體核算方法對該項目中的數據中心年度溫室氣體排放量進行估算，為項目業(yè)主完成碳配額履約提供指導性建議。

三、數據中心的碳排放核算方法及步驟

（一）核算步驟

數據中心溫室氣體排放核算和報告的完整工作流程包括以下步驟：1）確定核算邊界；2）識別排放源；3）收集活動水平數據；4）選擇和獲取排放因子數據；5）分別計算化石燃料燃燒排放量、凈購入的電力和熱力產生的排放量、廢水厭氧處理的排放量；6）匯總計算數據中心溫室氣體排放量。

（二）核算邊界

1.組織邊界

以法人數據中心或視同法人的獨立核算數據中心為核算邊界，在運營控制權下對所有生產場所和生產設施產生的溫室氣體排放進行核算。設施范圍包括直接生產系統、輔助生產系統和附屬生產系統。其中，直接生產系統是指一些生產工藝裝置，例如IT 設備；輔助生產系統則包括廠區(qū)內的供水、供電、制冷、采暖等；附屬生產系統包括廠部以及廠區(qū)內為生產服務的職工食堂、車間浴室等部門和單位。

2.排放源和溫室氣體種類

數據中心需要核算的排放源和溫室氣體種類包括但不限于：

1）化石燃料燃燒CO2排放。主要指數據中心用于動力或熱力供應的化石燃料（天然氣等）、移動源車輛使用的化石燃料（柴油、汽油等）、食堂消耗的化石燃料（天然氣、液化石油氣等）等燃燒過程產生的CO2排放。

2）凈購入電力和熱力產生的CO2排放。這部分排放由數據中心主體的消費活動引起，需要計入主體名下，但實際排放是發(fā)生在生產這些電力和熱力的企業(yè)。

3）工業(yè)廢水厭氧處理生產的CH4排放。指數據中心通過厭氧工藝處理工業(yè)廢水產生的CH4排放。

（三）核算方法

1.匯總公式

數據中心的溫室氣體排放總量等于核算邊界內所有產生系統的化石燃料燃燒排放量、凈購入的電力和熱力產生的排放量、廢水厭氧處理排放量、以及制冷劑逸散產生的排放量之和，其公式如式（1）所示。

式（1）中，E表示CO2排放總量；E燃燒表示化石燃料燃燒產生的CO2排放總量；E電熱表示凈購入使用電力和熱力消費產生的CO2排放總量；E廢水表示廢水厭氧處理產生的CO2排放量（計算時將CH4排放量折算為同等CO2排放當量）；E逸散表示制冷設備造成的溫室氣體逸散排放量。它們的單位均為tCO2e（噸二氧化碳當量）。

2.化石燃料燃燒排放E燃燒

E燃燒的計算是將數據中心在報告年度內各種化石燃料燃燒產生的CO2排放量進行求和加總，其公式如式（2）所示。

式（2）中，i表示第i種化石燃料類型，共有n種；ADi表示第i種化石燃料的活動水平，單位為GJ（百萬千焦）；EFi表示第i種化石燃料的CO2排放因子，單位為tCO2/GJ。

1）活動水平數據獲取ADi

化石燃料燃燒水平是各種化石燃料的消耗量與平均低位發(fā)熱量的乘積，按式（3）計算。

式（3）中，FCi表示第i種燃料的凈消耗量；NCVi表示第i種燃料的平均低位發(fā)熱量。

2）排放因子數據獲取EFi

排放因子計算公式如式（4）所示。

式（4）中，CCi表示第i種燃料的單位熱值含碳量，單位為tC/GJ（噸碳/百萬千焦）；OFi表示第i種燃料的碳氧化率，單位為%。

3.凈購入電力和熱力產生的排放E電熱

E電熱可拆分為凈購入電力產生的排放E電和凈購入熱力產生的排放E熱，其公式如式（5）所示。

其中，E電和E熱的計算公式分別如式（6）式（7）所示。

式（6）式（7）中，AD電表示凈購入電量，單位為MWh（兆瓦時）；AD熱表示凈購入熱力，單位為GJ（百萬千焦）；EF電表示區(qū)域電網年平均供電排放因子，單位為tCO2/MWh（噸二氧化碳/兆瓦時）；EF熱表示年平均供熱排放因子，單位為tCO2/GJ（噸二氧化碳/百萬千焦）。

國家氣候戰(zhàn)略中心2014 年發(fā)布了2012 年中國區(qū)域電網平均CO2排放因子，如表1 所示。電力消費的排放因子應根據數據中心所在地及目前的華北、東北、華東、華中、西北等區(qū)域劃分。熱力消費因子一般取值0.11tCO2/GJ。

表1 2012 年中國區(qū)域電網平均CO2 排放因子（tCO2/MWh）

4.廢水厭氧處理的排放E廢水

E廢水是數據中心在生產過程中產生的工業(yè)廢水經厭氧處理產生的溫室氣體排放量，其計算公式如式（8）所示。

式（8）中，ECH4-廢水表示廢水厭氧處理過程產生CH4排放量，單位為kg（千克）；GWPCH4為CH4的全球變暖潛勢值。

ECH4-廢水的計算公式如式（9）所示。

式（9）中，TOW表示廢水厭氧處理除去的有機物總量；S表示以污泥方式清除掉的有機物總量；EF表示CH4排放因子；R為CH4回收量。

廢水厭氧處理除去的有機物總量數據獲取TOW的計算公式如式（10）所示。

式（10）中，W表示厭氧處理過程產生的廢水量；CODin表示厭氧處理系統進口廢水中的化學需氧量濃度；CODout表示厭氧處理系統出口廢水中的化學需氧量濃度。

5.制冷劑逸散產生的排放E逸散

數據中心的制冷設備（空調）在運行、維護和報廢過程會造成氫氟碳化物等冷媒物質的逸散，由這些物質逸散所產生的溫室氣體排放量計算公式如式（11）所示。

式（11）中，

式（12）中，Bi表示第i種制冷劑加注質量，單位為t（噸）；GWPi表示第i種制冷劑的全球升溫潛勢。

式（11）中，

式（13）中，Mi表示制冷設備報廢時，殘留的第i種制冷劑質量，單位為t；rec，i表示制冷設備報廢時，殘余的第i種制冷劑回收率。

四、實例驗證：南方區(qū)域某數據中心碳排放核算

（一）相關數據

表2 為2021 年南方區(qū)域某數據中心碳盤查相關數據，數據中心目前共有柴油發(fā)電機機組3 臺，每臺2000kW，年消耗柴油量110000L。此外，數據中心食堂年平均消耗液化石油氣0.536t，自有公務車年平均加汽油8470.59L。數據中心無廢水厭氧處理，全年外購電力用電量為20164.34MWh，空調制冷劑使用的是三氟甲烷，年平均加注量為5kg。

表2 2021 年南方區(qū)域某數據中心碳盤查相關數據

（二）計算過程

1.化石燃料燃燒排放計算

根據《2005 年中國溫室氣體清單研究》發(fā)布的數據，柴油的平均低位發(fā)熱量NCV1為43.33GJ/t；單位熱值含碳量CC1為20.20tC/GJ；碳氧化率OF1為98%。汽油的平均低位發(fā)熱量NCV2為44.8GJ/t；單位熱值含碳量CC2為18.90tC/GJ；碳氧化率OF2為98%。液化天然氣的平均低位發(fā)熱量NCV3為41.868GJ/t；單位熱值含碳量CC3為15.30tC/GJ；碳氧化率OF3為99%。

1）排放因子的確定

柴油排放因子EF1：

汽油排放因子EF2：

液化天然氣排放因子EF3：

2）活動水平的確定

柴油的密度為0.84kg/L，根據表2 的消耗量進行單位換算，可以得到緊急發(fā)電機組的柴油凈消耗量為：

92 號汽油密度為0.75kg/L，可得到自有車輛汽油的凈消耗量為：

食堂炊具液化石油氣的凈消耗量為FC3=0.536t。

由此，根據各燃料的平均低位發(fā)熱量以及凈消耗量，可以計算出各燃料的活動水平。

柴油的活動水平AD1：

汽油的活動水平AD2：

液化天然氣的活動水平AD3：

由式（14）—（16）以及式（19）—（21），化石燃料燃燒排放總量可匯總為：

2.凈購入電力產生的排放計算

由于數據中心位于我國南方地區(qū)，根據表1，選擇2012 年南方區(qū)域電網平均CO2排放因子EF電為0.5271tCO2/MWh。凈購入電量AD電為20164.34MWh，因此，凈購入電力產生的排放可計算如公式（23）。

3.制冷劑逸散產生的排放計算

三氟甲烷加注的質量為5×10-3t，其全球升溫潛勢為14800，那么

綜上所述，數據中心的溫室氣體排放總量為：

五、優(yōu)化建議

在開展該數據中心碳盤查過程中，對用電量進行歸類發(fā)現，IT 設備目前耗電量為13106.82MWh，占比約65%，導致目前實際PUE值高達1.54。經過進一步了解發(fā)現，目前該數據中心IT 設備上架率偏低，目前只占55%。柴油用量過高，主要原因為2021 年9 月至2021 年11月期間，政府部門對高耗能企業(yè)開展拉閘限電，導致停電多達65 天。針對目前該數據中心，提出如下優(yōu)化建議，可將PUE 值提升到1.27：

1）提升數據中心設備上架率。在后續(xù)項目建設過程中，應先提升已完成建設數據機房的設備上架率，再啟用新建的數據中心機房。據測算，如果該數據中心上架率能提升25%，PUE 值將可降低12%。

2）充分發(fā)揮智慧運維平臺（DCIM）優(yōu)勢，實現動力設備、空調系統智能聯動，能夠根據機房溫度自動啟?？照{風柜、空調主機，最大限度減少配套系統的耗電量，可優(yōu)化PUE 值5%。

3）引入光伏等新能源電力。據測算，該數據機房樓頂、停車棚、幕墻可按照光伏面積達1.2萬m2，可安裝光伏達1.5MW，每年可提供綠電約195 萬kWh。并通過申請綠證或CCER 認證，每年可抵扣二氧化碳排放638 噸。

4）降低柴油發(fā)電機使用頻率。該數據中心柴油發(fā)電機折算排放290627.86噸二氧化碳當量，約占碳排放總量的93.58%，在供電充足的條件下降低柴油發(fā)電機的使用頻率將是減少碳排放最有效的方法。

六、實用性延伸

本核算方法適用于中型及以上等級（設計最大用電負荷P≥5MVA），采用自然冷卻型、間接蒸發(fā)冷型、水冷型、液冷型等制冷場景的數據中心。在上述數據中心運用本核算方法，能夠計算數據中心年度碳排放總量。一方面可為政府部門下達碳排放配額提供參考依據，另一方面可為其他數據中心核算得出碳排放總量，并與政府部門下達碳配額指標對比，選擇最佳碳排放管理方案，以滿足政府部門的考核需求。

在數字化轉型熱潮下，數據中心采用數字化平臺來推行專業(yè)、智能的節(jié)能減排方式，通過動態(tài)精細的數字平臺管理實現低碳發(fā)展。傳統的數據中心碳排放源數據采集和核算方法普遍采用人工手法，在數據完整性和核算結果的準確性方面將會存在一定的誤差。因此，數據中心可以構建一個以數字化平臺為底座的碳管理平臺，從而提高碳排放原始數據和盤查數據的精確度及可信度，實現碳排放的動態(tài)實時監(jiān)測。將數據中心的碳排放核算方法開發(fā)為算法功能模塊，精確計算出結果后分析識別減排空間并制定相對應的減排政策，并在此基礎上對碳資產進行合理的分配、交易和管理等活動。

七、結論

數據中心全年不間斷運行的服務器以及其他輔助運行的制冷設備每年需要消耗大量的電能。作為高耗能行業(yè)，數據中心已逐步被各省納入碳排放交易試點，如何對數據中心溫室氣體排放量進行精確計算，是有效開展碳盤查所面臨的問題。本文根據中國電子協會發(fā)布的數據中心溫室氣體排放核算指南，依托南方區(qū)域某數據中心項目，確定數據中心排放邊界、排放源及溫室氣體種類，通過收集項目數據并加以計算，旨在幫助數據中心碳盤查工作者更好地理解和掌握溫室氣體計算方法，促進數據中心碳盤查工作更好地進行。