云大物移智链：用能源互联网的提质增效

2023-07-22

以“云、大物、智链”为代表的互联网技术在助推数字经济快速发展的同时，将会有海量的数据需要感知、存储、加密、传输、调用、计算和交易。 此外，作为数字基础设施的重要载体，新型基础设施——数据中心的存储、计算和运营的“算力”将不断增强。

但随着“算力”的提升，数据中心的能耗和运营成本也将面临上涨的可能。 例如，在发达国家数据中心集约化发展的趋势下，2019年我国数据中心数量约为7.4万个，约占全球数据中心总数的23%，数据中心机架规模将达到227万个，并有增长趋势。

因此，如果没有全国数据中心集约化发展的顶层规划，以及先进供能技术和节能服务器的大规模应用，在我国数字经济和新基建快速发展的背景下，可以预见，数据中心能耗占比将高于全球平均水平。 因此，我国乃至全球数据中心的节能减排、降低运营成本都面临着巨大的挑战。

此外，“什么样的能源及其适应方法来满足数据中心的能耗”将成为数据中心乃至数字经济可持续发展面临的重要问题。 作为能源互联网的实践者，除了关注“云大物智链”等信息技术对能源系统提质增效的提升外，还需要运用能源互联网视角的方法论，关注未来“云大物智链”大规模应用后数据中心“提质增效”的能源问题。 数据中心能源系统作为能源系统的典型形态，也与能源系统未来业态能源互联网的发展趋势相辅相成。 这样，数据中心能源系统质量和效率的提升也可以用能源互联网的方法论和视角来解释和优化，旨在让数据中心更健康、更可持续地发展。

可再生能源——数据中心能源供应的必然趋势

能源互联网的一个重要标签就是推动可再生能源的大规模利用，而数据中心作为能源消耗大户，对可再生能源的利用有着主动和被动的推动力。

随着风电、光伏、水电等可再生能源发电技术的成熟和成本的下降，输电通道和电力预测控制技术的不断发展，以及我国电力市场化交易机制的不断完善，可再生能源为数据中心供电的技术路线将不断成熟。

从全球范围来看，利用可再生能源为数据中心供电的方式有多种，包括自建可再生能源发电项目、向发电公司直接购买绿色电力、购买绿色电力证书以及电力现货市场交易等。 但我国以煤炭为主的能源电力结构限制了数据中心可再生能源的使用。 据测算，2018年，我国数据中心可再生能源供电占数据中心总用电量的22.95%，小于同期可再生能源用电量占全国总用电量的比重。

我分布在可再生能源占全社会用电量比重较低的省市，如北京、广东、浙江、江苏等地。 为了提高数据中心清洁能源应用比例，2019年，工信部等三部委联合发布了《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》，明确提出鼓励数据中心直接与可再生能源发电公司进行电力交易，购买可再生能源绿色电力证书，提高数据中心清洁能源应用比例。

又如我国贵州近年来“数字经济”的快速发展，离不开其“凉水多”的生态环境和能源资源优势，为数据中心的布局创造了天然的优越条件。 首先，贵州全年气温适中，夏季相对凉爽，可以降低数据中心空调的能耗和成本。 其次，丰富的水资源以及比其他省份便宜一半以上的水电费优势，降低了大数据及相关企业发展的运营成本。

内蒙古拥有国家省级独立电网——蒙西电网，以及丰富的风能、太阳能资源。 其输配电价可以直接在电力市场上交易。 在内蒙古，数据中心和大数据企业可享受0.26元/千瓦时的优惠电价，可大大节省数据中心的运营成本。

此外，为吸引数据中心落地，助推数字经济新动能发展，多地还对数据中心用电提供补贴。 例如，2019年山东省数据中心补贴后电价为0.33元/千瓦时，河南省正在实施补贴细则。 建议数据中心电耗可降至0.33元/千瓦时。

然而，数据中心电源的绿色化并不意味着数据中心的能耗低。 对于绿色能源的使用，虽然可以降低数据中心服务商的成本，但也有利于绿色数据中心的建设。 但从节能角度来看，数据中心的能耗和能效并未发生实质性变化。 甚至，对于计算节点来说，由于过度使用绿色能源，也可能导致供能系统的冗余设计及其随之而来的高能耗，并降低部分计算节点的可靠性。 因此，在保证数据中心最大限度地利用绿色能源的同时，供能系统的能效优化和节点的可靠性也是数据中心设计和调度策略必须考虑的因素之一。 另一方面，100%利用可再生能源的初期投资和运行维护成本较大。

因此，数据中心使用可再生能源需要考虑多种能源的协同组合。 这也是未来可再生能源应用于数据中心的重要挑战。 另外，数据中心的终端设备多采用直流供电。 随着我国直流输配电技术的发展和直流电力设备的成熟，直流数据中心的模式将对数据中心的能源效率产生积极的影响，也将有利于站点内外可再生能源的利用。

天然气——数据中心电源的备用补充

能源互联网的定义是以电为核心，整合冷、热、电、气等多种能源，提高系统整体能源效率。 那么，数据中心的能源供应应该因地制宜，也应该以提高能源系统的整体效率为目标。

为了贴近用户、提高服务质量，以及带宽资源的限制，部分数据中心仍需建设在经济发达地区。 但如前所述，经济发达地区往往不具备本地可再生能源资源，而经济发达地区的城市相对成熟，往往电力资源紧张，电网增长有限，如粤港澳大湾区、长三角地区、新兴经济带等。 因此，需要一些替代能源来缓解数据中心供电紧张的情况。

天然气分布式能源系统能源综合利用率高，系统输出的热电比与数据中心末端需求的冷电比负载特性相匹配，从而优化联合供能系统的设备利用率和数据中心的系统能效。

事实上，在国家能源局2017年发布的《关于加快天然气利用的意见》中，就提出鼓励在工业园区、交通枢纽、医院和数据中心等领域应用天然气。 同时，由于节能环保的要求，非居民用天然气价格下降，国内正在建设或已建成一批天然气分布式能源与数据中心相结合的项目，如北京21世纪互联数据中心、廊坊经济技术开发区数据中心、上海腾讯青浦数据中心、中国联通德清数据中心、广州超级计算中心等。其中，上海腾讯青浦数据中心天然气分布式能源系统供电已整个数据中心的供电量占到了39%，制冷量也占到了30%。

但由于气价波动、供气不足、运行设计和系统规划等问题，加之对天然气分布式能源系统性能评价认识不足（例如，对于天然气冷热电联供系统，1m3天然气可相当于4~10kWh的电，具体需要根据联合发电系统的具体形式确定，这将对联合发电系统的热经济评价产生重大影响），一些项目的实际运行效益也受到了一些争议。 例如，在数据中心，由于燃气价格波动规划不合理，导致设备利用率低，系统经济效益不好。

因此，天然气热电联产系统的设计需要根据数据中心的负荷特点，避免因“大马拉大车”等不合理的设计问题而造成设备利用率低、经济效益差等问题。 我国天然气对外依存度较高。 从国际天然气市场和南海可燃冰开发情况来看，天然气资源供应仍存在较大不确定性。 因此，需要因地制宜、因时制宜，结合当地资源禀赋和负荷特点，合理构建以天然气并供和优质电力为基础的数据中心多能互补综合能源系统，实现数据中心高效、低成本、清洁的能源供应。

产消者视角——构建融合数据中心的综合能源系统

除了能源梯次利用外，能源互联网还为能源商业化提供了广阔的舞台。 在消耗能量的同时，它也具有供给能量的能力。 那么，数据中心是什么样的产消者呢？

对于有条件的地区，应从“产消者”的角度进行数据中心综合能源系统的顶层设计。 数据中心可以被视为具有能源生产和消费双重身份的“产消者”。 一方面，作为能源消耗者，数据中心节能降耗的首要任务是减少负载侧的能耗。 具体措施包括采用更节能的机架、服务器和运营策略，优化配电系统和空调系统，甚至使用自然或免费冷却源等。

另一方面，数据中心作为能源生产者，也可以提供能源。 事实上，数据中心的微处理器、内存、逆变器、主板、风扇的散热温度在85℃到30℃之间，高性能数据中心的散热强度甚至可以高达1/㎡能耗管理系统供应商，即数据中心散热的废热可占数据中心总功耗的40%以上。 因此，从热能工程的角度来看，如果余热能够得到有效利用，无疑将是一个巨大的低品位热源。

近年来，随着压缩热泵、高效换热器（翅片换热器、热管）、相变储能、水储能等中低品位热能高效回收利用技术的发展，数据中心余热回收已成为可能。 例如，在一些北欧国家，已应用热泵技术，回收数据中心低品位热源的大量余热，用于周边建筑供暖、生活热水或游泳池水温加热。 再比如，按照现有数据中心的规模，我国北方数据中心的可回收余热总量约为10GW，这意味着在不消耗额外能源的情况下，可以为约3亿平方米的建筑供暖，可减少二氧化碳排放约1000万吨。

但作为“产消者”数据中心，不仅要考虑自身能源效率的提升，还要考虑上下游能源的供需情况，如上游能源电力和价格波动的特点、可使用能源的种类和数量等； 下游必须考虑负荷类型、波动、能源成本和可靠性、社会和环境效益等，其节能减排措施将变得复杂。 但从全局优化的角度来看，产消者视角下的数据中心综合能源系统效率将大幅提升，运营成本也将得到优化。

因此，建议有条件的地区，将数据中心能源系统规划提前纳入园区基础设施综合建设规划或城市建设、供热规划，实行统一政策。 这不仅有利于提供更好的综合能源和服务，解决数据中心能耗高、能效低的问题，而且对促进城市建设和发展投资起到积极作用。

完善评价体系——构建数据中心能源体系的指导原则

数据中心作为典型的能源系统，与能源互联网一样。 更加精细化、综合化的能源系统的多目标优化和评估，是“能源不可能三角”约束下提高数据中心质量和效率的应有之义。

在数据中心综合能源系统的综合评价方面，电力利用效率（PUE）、电能利用效率（EEUE）或基础设施效率（DCiE）是数据中心能耗水平的主要评价指标，但它们仅停留在热力学第一定律的角度，并没有从熵的角度对数据中心能源系统的能源效率进行分析和挖掘。 而且，PUE衡量的只是IT设备的能耗输入与数据中心总输入能耗之间的关系，并不能全面比较数据中心能源系统的有效输出与系统总输入之间的关系。 同时，数据中心的PUE评估并未考虑数据中心的碳排放，而新制定的CUE标准仅考虑碳排放，并未涉及数据中心的能源效率。 此外，/瓦特或/瓦特指标分别评估数据中心单位能耗所提供的性能和效益。

同时，数据中心应在考虑高效、经济运行的同时，尽力实现绿色运营。 这样，不同属性评价和优化指标之间就会出现权衡问题。 例如，数据中心的能耗优化目标一般包括：最大化可再生能源利用率、最小化能源成本、最小化碳排放，而这三者之间往往存在一定的相关性和矛盾。 此外，“数据中心绿色等级认证”虽然从能效、节能技术、绿色管理等维度对数据中心进行综合评价，但仍难以清晰揭示数据中心能源系统的能流分布以及系统的综合优化情况。

另外，我国数据中心经过几十年的发展，已经逐渐形成了数据中心的标准体系。 现有数据中心能效相关标准包括：数据中心能源管理效果评价导则、数据中心能源利用计量与评价规定、云计算数据中心能效评价方法、数据中心能源管理体系实施指南、数据中心能效限值、能效与排放技术要求及评价方法、数据中心制冷与空调设计标准、数据中心资源利用第3部分：电气能效要求及测量方法、电信互联网数据中心（IDC）能耗评价方法、绿色数据中心评价标准等。

但与数据中心的快速建设和信息通信技术的更新迭代速度相比，数据中心“能效”的标准还比较不足，特别是数据中心能效的国家和行业标准还比较缺乏，跟不上数据中心IT设备的更新速度。 因此，有必要建立健全数据中心能耗优化评价指标，以及不同等级、不同气候区域的数据中心能效评价标准。

顶层规划——提升数据中心质量和效率的必要环节

顶层规划不仅是能源互联网和综合能源体系的必要组成部分，也是新基建数据中心快速发展下提质增效的重要一环。 数据中心的顶层规划要与能源系统的顶层设计统筹考虑。

据统计，与发达国家相比，我国大部分数据中心的资源利用率较低。 主要原因可以归结为，为了追求高性能、保证服务质量和可靠性，数据中心通常采用冗余设计和运营策略。 因此，无论当前负载如何，大多数服务器都将处于冗余、备用运行状态。 再加上全国范围内数据中心发展建设不平衡，我国数据中心资源利用率低，导致资源巨大浪费，同时也会增加数据中心冷却系统、配电装置等配套设备的能耗。 因此，数据中心的能耗成本可达数据中心运营成本的50%左右。

因此，提高数据中心能源供应质量和效率，首先要解决数据中心利用率问题，而提高数据中心利用率的关键是做好全面合理的数据中心规划。

一方面，随着新基建的发展和落地，数据中心的建设势必在全国范围内快速启动。 因此，有必要做好数据中心建设的顶层规划。 在满足市场有效需求的前提下，积极协调、合理控制各地数据中心数量和规模，尽可能优化数据中心可承载的带宽和资源容量，尽可能避免数据中心结构性过剩和业务量不平衡，确保全国数据中心平均利用率的提高。

另一方面，要做好数据中心“算力”、“能效”、“成本”的同步优化。 过去，由于强调“算力”，数据中心的优化往往基于IT负载调度供电系统的优化，即局部单目标优化，很可能会降低其他子系统的性能。 例如，单纯对数据中心的计算系统进行优化，通常是在保证配套设备冗余的情况下，这无疑会导致冷却设备等配套设施设计过大，运营成本增加。

其次，数据中心的建设必须协调集中式和分布式并存。 随着全国数据服务请求的爆发式增长，特别是5G和边缘计算技术的发展，数据中心也正在从集中式向分布式转变。 基于地理分布的数据中心的结构布局，可以更好地匹配地区电价的时空差异、不同数据中心的算力和带宽差异以及服务请求的延迟差异等，可以为用户提供安全可靠的计算服务。 同时，通过未来数据中心“算力”的合理布局、需求侧响应调度机制的应用以及数据中心“算力”调峰、互联共享的市场化手段，可以从宏观上有效优化数据中心的计算能耗，提高数据中心的能效水平和利用率。

此外，国家电网公司倡导的社会服务“多站一体化”建设运营模式，也为数据中心全生命周期“提质增效”提供了新途径。

多站融合就是将变电站、充换电站、储能站、数据中心进行融合，实现共建、共享、共治、共赢。 随着分布式电网的建设和发展，变电站的功能将包括储能、电能转换等功能。 能源传输也从单向变为双向，电力调度变得非常复杂，需要采集的数据也急剧增加。 因此，在储能站的基础上，还可以配合数据中心的建设。 同时，数据中心不仅可以服务于电网本身的能源分配和控制，还可以作为数字经济的基础设施，实现其他行业的数据服务。

新华社济南8月24日电 题：天瑞重工：利用磁浮动力装备推动能源消费行业“革命”

新华社记者 陈国锋

磁悬浮乍一听起来离人们的生产生活很遥远，但位于山东潍坊的山东天瑞重工有限公司已经将磁悬浮技术产业化。 自主研发的磁悬浮鼓风机、真空泵、制冷压缩机等高效节能产品广泛应用于造纸、水泥、钢铁等高耗能行业，替代传统动力设备，节能效果达30%以上。

（副标题）转型磁悬浮开辟新天地

走进天瑞重工，记者处处都能感受到蓬勃发展的势头：车间里，生产设备正在高速切割用于磁悬浮设备的三维流叶轮； 仓库里，一排排磁悬浮鼓风机和空压机整装待发； 在展厅内，近期每天都会迎来四五批前来洽谈业务的客户。

10年前的大胆转型造就了今天的磁浮“行业新贵”。

天瑞重工成立于2008年，创业之初专注于凿岩机械的研发和制造。 短短几年时间，已发展成为凿岩机械行业的龙头企业。 凿岩装备被工信部认定为单项冠军产品。

当你可以坚持自己的老本行时，为什么要开辟一个新世界呢？ “凿岩机市场这么大，还得开拓其他领域。” 天瑞重工董事长李永生深知，单一产品无法支撑公司未来的发展。

在节能减排的大趋势下，磁悬浮进入了天瑞重工的视线。 磁悬浮技术最大的特点是无接触摩擦，可以大大降低能耗。 业内人士认为，采用磁浮技术的电力设备具有广阔的应用前景，但只有少数国家掌握，国内还处于探索的初级阶段。

2012年，经过市场调研，天瑞重工决定研发磁浮动力装备，并集中全部研发力量开展技术攻关。 经过四年的努力，技术人员终于在2016年研发出了具有自主知识产权的磁悬浮鼓风机，造纸、水泥、化工等高耗能行业订单纷至沓来。

（副标题）高耗能行业的“节能神器”

一台传统罗茨鼓风机售价2万至3万元，一台磁悬浮鼓风机售价近30万元。 如何选择？ 如果是两年前，潍坊亚星新材料有限公司会毫不犹豫地选择前者，但现在不同了。

在亚星的生产线上，记者看到，9台磁浮鼓风机正在满负荷运转。 虽然环境有点吵，但并不影响记者与车间主任马立彬的交谈。 此前，旧生产线上的工人都不愿意靠近，因为机器噪音太大。

马立斌表示，2021年3月，亚星将对生产线进行改造，引进天瑞重工磁悬浮鼓风机，替代罗茨鼓风机。 一台设备一天可节省1000度电，一年节省购买设备的钱，而且机器的运行噪音也明显下降。 最近，他们增加了几台新的磁悬浮空气压缩机。

天瑞重工常务副总经理陈儒算了一笔“节能账”：以110千瓦磁悬浮鼓风机为例，替代传统鼓风机，一年可节省电费约35万度电，一年即可收回成本。 目前动力车间能耗管理系统，山东省已安装机组300多台，每年节电约1亿千瓦时。

据介绍，天瑞重工的磁悬浮鼓风机具有节能、降噪等优点，目前订单已排期3个月。 今年前7个月，磁浮鼓风机销量同比翻倍。 磁悬浮真空泵、空气压缩机、制冷机组作为首台（套）产品投放市场后，更受到市场追捧。

（副标题）着眼长远，专注研发

在天瑞重工，记者发现，营销人员统称为营销工程师，虽然是营销岗位，但都是技术人才。 天瑞重工总经理助理王秋晶表示，在天瑞重工，无论什么职位，技术都必须经过考验。

走进天瑞重工展厅，一面专利墙颇为壮观：墙上挂满了300多项专利证书，展示了公司的核心竞争力。 该企业60%以上的员工拥有本科以上学历。

“企业发展需要创新，我们要坚持做正确的事。” 李永生表示，他们咬紧牙关，持续加大研发投入，研究前沿技术，深入市场调研，加强与国内外高校、研究所的合作。

多年的研发投入，终于让天瑞重工进入了科研成果爆发期。 先后获批省级创新平台9个，获得省部级科技奖13项。 去年，天瑞重工获批成立国家磁浮动力技术基础与应用标准化工作组。 李永胜表示，这将促使他们加快建立磁浮技术标准体系，推动磁浮产业快速发展。 （超过）