數(shù)據(jù)中心的提質(zhì)增效，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)特征下國(guó)家治理的新要求。當(dāng)前，以數(shù)字化為代表的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，正推動(dòng)著人類生活方式、生產(chǎn)方式、思維方式的根本性變革。
數(shù)字作為社會(huì)生活的一個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)要素，在“云大物移智鏈”和5G為代表的數(shù)字化技術(shù)的加速下，正向各個(gè)行業(yè)全面滲透。如今，海量的數(shù)據(jù)需要感知、存儲(chǔ)、加密、傳輸、調(diào)用、計(jì)算以及交易。進(jìn)而，作為數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的重要載體，數(shù)據(jù)中心的“規(guī)模”將不斷擴(kuò)大、“算力”將不斷提高，相應(yīng)地，數(shù)據(jù)中心的“能耗”及“運(yùn)行成本”也很可能隨之不斷攀升。比如2018年，我國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量已占到我國(guó)全社會(huì)總用電量的2.4%。同時(shí)，全球來看，我國(guó)數(shù)據(jù)量在全球的占比，將從2018年的23.4%提升到2025年的27.8%。
圖1 數(shù)據(jù)中心支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展
因此，數(shù)據(jù)中心的能效治理，關(guān)系著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)能源系統(tǒng)高效低碳轉(zhuǎn)型的典型場(chǎng)景，是新趨勢(shì)下國(guó)家治理的新要求。
一、我國(guó)數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)與能效治理面臨的主要問題
數(shù)據(jù)中心作為一個(gè)典型的能源消費(fèi)大戶，需要可靠的電力以及巨量的冷能，以保障數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。當(dāng)前，我國(guó)數(shù)據(jù)中心在能源供應(yīng)與能效治理方面存在以下幾個(gè)主要問題。
（一）從數(shù)據(jù)中心的能源消費(fèi)側(cè)看，數(shù)據(jù)中心在消費(fèi)巨量電能量的同時(shí)，數(shù)據(jù)中心排放了大量未被利用的中低品位余熱。如此，造成能源浪費(fèi)的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致“城市熱島”問題。如果這些余熱能得以有效利用（余熱溫度在30℃~85℃、散熱量占到數(shù)據(jù)中心能源消費(fèi)的40%左右），那么，數(shù)據(jù)中心又可以看作是一個(gè)巨大的中低品位熱源，可以用于滿足周邊用戶的供暖、熱水等需求。比如丹麥、瑞士等國(guó)家，已有采用熱泵技術(shù)回收數(shù)據(jù)中心余熱，用于周邊建筑的采暖、生活熱水或游泳池伴熱的案例，并展現(xiàn)了良好的熱經(jīng)濟(jì)效益。再如，按現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心規(guī)模，我國(guó)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(fèi)額外能源，便可實(shí)現(xiàn)3億㎡左右建筑的供暖，并可節(jié)省約70億元/年供暖費(fèi)，以及實(shí)現(xiàn)CO2減排約1000萬噸。
（二）從數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)側(cè)看，我國(guó)數(shù)據(jù)中心供能模式單一，數(shù)據(jù)中心的能源供應(yīng)以火電為主，綠電和其它能源的供應(yīng)占比較低。2018年，全國(guó)數(shù)據(jù)中心火電使用所引起的CO2排放近1億噸，我國(guó)數(shù)據(jù)中心可再生能源的電力消費(fèi)占比不足23%，如將這一數(shù)據(jù)提高至30%，將避免火電使用近200億kWh，這意味著將避免10個(gè)左右600MW大型火電廠的建設(shè)。同時(shí)，利用高品位火電去滿足數(shù)據(jù)中心散熱的低品位需求，存在數(shù)據(jù)中心供能側(cè)與用能側(cè)能量能級(jí)的不匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)能量損失大、能耗高。而熱（冷）電聯(lián)供系統(tǒng)的供能特性，恰與數(shù)據(jù)中心冷電負(fù)荷特性存在著良好的匹配性，即供能和用能的熱電比接近、冷電負(fù)荷穩(wěn)定。如數(shù)據(jù)中心天然氣聯(lián)供系統(tǒng)的能源利用率可高達(dá)90%以上，1m?天然氣可等效4~10kWh的電力，理論上具有良好的熱經(jīng)濟(jì)性。如上海騰訊青浦?jǐn)?shù)據(jù)中心的天然氣聯(lián)供系統(tǒng)的供電量，已占到整個(gè)數(shù)據(jù)中心供電量的39%，制冷量占到30%。但是，現(xiàn)有一些天然氣聯(lián)供在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用案例，存在系統(tǒng)多能供應(yīng)認(rèn)識(shí)與設(shè)計(jì)不足、多能互動(dòng)的不協(xié)調(diào)，以及氣源和氣價(jià)等問題，引起數(shù)據(jù)中心天然氣聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備利用率低、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差的問題。
（三）從數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維的角度看，我國(guó)數(shù)據(jù)中心帶寬資源的分配現(xiàn)狀，加之各省對(duì)新基建的需求和響應(yīng)，我國(guó)數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)性過剩與業(yè)務(wù)量不均衡問題或?qū)⒏鼮閲?yán)重。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心為保證“算力”的高可靠性，其能源系統(tǒng)多采用冗余的設(shè)計(jì)及運(yùn)行策略，對(duì)供能系統(tǒng)運(yùn)行與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量缺乏精細(xì)監(jiān)控與協(xié)同聯(lián)動(dòng)。再次，當(dāng)前我國(guó)數(shù)據(jù)中心的能效評(píng)價(jià)及運(yùn)維存在局部、粗放等問題，如多基于能量的“數(shù)量”層次，而忽略了能量“品位”的影響。以上現(xiàn)象，共同導(dǎo)致我國(guó)數(shù)據(jù)中心的資源利用率不高的問題，以及IT設(shè)備的低負(fù)載、高能耗運(yùn)行以及制冷系統(tǒng)的過大設(shè)計(jì)，由此帶來能源的極大浪費(fèi)及運(yùn)行成本增加。如我國(guó)大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的電能利用效率在1.5以上，甚至有的超過2.0還多，我國(guó)數(shù)據(jù)中心的能耗成本占到數(shù)據(jù)中心運(yùn)維總成本的70%左右，而空調(diào)所用電費(fèi)約占其中的40%。遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)據(jù)中心能耗水平。最后，我國(guó)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)主體、運(yùn)營(yíng)模式及市場(chǎng)機(jī)制均還比較單一，數(shù)據(jù)中心的提質(zhì)增效存在著很大的潛力空間。
二、相關(guān)建議
因此，基于以上我國(guó)數(shù)據(jù)中心能效治理的現(xiàn)狀、存在的問題以及重大需求，筆者基于能源互聯(lián)網(wǎng)的視角，從關(guān)鍵技術(shù)和宏觀機(jī)制出發(fā)，以能源互聯(lián)網(wǎng)的典型方法論——“產(chǎn)消者”、“綜合能源系統(tǒng)”、“多目標(biāo)優(yōu)化”及“頂層規(guī)劃”為手段，提出我國(guó)數(shù)據(jù)中心提質(zhì)增效的幾點(diǎn)建議。
（一）探索基于余熱回收的產(chǎn)消型數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的能源消費(fèi)與供應(yīng)路徑。深入洞悉不同氣候區(qū)及不同性能數(shù)據(jù)中心的能耗及能效特征，鼓勵(lì)壓縮式熱泵、高效換熱、吸收/吸附式制冷、相變蓄能與水蓄能等中低品位熱能高效回收與利用技術(shù)在數(shù)據(jù)中心余熱回收（供暖、加熱、甚至制冷等）上的應(yīng)用推廣，并探索其低成本、規(guī)模化推廣的技術(shù)路線及商業(yè)模式。有條件的地區(qū)，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)以及能源稟賦不足地區(qū)，應(yīng)系統(tǒng)考慮數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)上下游用戶的能源供應(yīng)與消費(fèi)的時(shí)空互補(bǔ)特性，積極構(gòu)建及培育“產(chǎn)消型”數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)及模式（產(chǎn)消型：能源生產(chǎn)與消費(fèi)的有機(jī)結(jié)合）。非常有必要將產(chǎn)消型數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的規(guī)劃納入所在區(qū)域及園區(qū)的冷熱電氣等能源系統(tǒng)的規(guī)劃，統(tǒng)一施策，做好數(shù)據(jù)中心及其周邊園區(qū)能源供應(yīng)與消費(fèi)的統(tǒng)籌規(guī)劃和共建共贏。
圖2 基于天然氣聯(lián)供的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)供能示意
（二）打造基于多能互補(bǔ)的數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)的多元融合模式。因地制宜，因時(shí)制宜，研究和推廣自建綠電、直購(gòu)綠電、采購(gòu)綠色電力證書以及電力現(xiàn)貨市場(chǎng)化交易等方式在數(shù)據(jù)中心供能上的應(yīng)用。積極倡導(dǎo)高壓直流供電技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的推廣示范，提高綠電供應(yīng)的可靠性、降低綠電供應(yīng)的投資運(yùn)維成本，全方位培育綠電在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用路徑。架構(gòu)基于能量綜合梯級(jí)利用的聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)體系，特別是電力緊張區(qū)域，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心天然氣的市場(chǎng)供應(yīng)價(jià)格及天然氣管道配氣費(fèi)，合理設(shè)計(jì)天然氣聯(lián)供系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的容量占比及運(yùn)行策略。應(yīng)充分結(jié)合自然或免費(fèi)冷源，因地制宜，鼓勵(lì)利用LNG汽化吸熱過程、山區(qū)溶洞低溫空氣、江河湖海低溫水源等用于滿足數(shù)據(jù)中心散熱需求的應(yīng)用及示范。應(yīng)立足數(shù)據(jù)中心當(dāng)?shù)刭Y源稟賦及負(fù)荷特性，構(gòu)建綠色電力、天然氣聯(lián)供、自然冷源以及光熱、儲(chǔ)能等技術(shù)的數(shù)據(jù)中心多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)，推動(dòng)綠電與其他能源在數(shù)據(jù)中心供能上的多元互動(dòng)的潛力及方式。
圖3基于天然氣聯(lián)供的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)供能示意
（三）抓好數(shù)據(jù)中心“算力”、“排放”、“能效”與“成本”的頂層規(guī)劃與同步優(yōu)化。積極統(tǒng)籌、合理規(guī)劃各省市數(shù)據(jù)中心的建設(shè)數(shù)量和規(guī)模，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心可承載的帶寬和資源，堅(jiān)持集中式與分布式數(shù)據(jù)中心協(xié)調(diào)發(fā)展原則，提高我國(guó)數(shù)據(jù)中心整體的資源利用率。探究數(shù)據(jù)中心“算力”、“能效”、“成本”的系統(tǒng)性同步優(yōu)化手段，研究人工智能在數(shù)據(jù)中心能耗監(jiān)控與動(dòng)態(tài)控制方面的應(yīng)用，健全數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的完善度評(píng)價(jià)模型、指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，更全、更深、更精細(xì)地挖掘數(shù)據(jù)中心能耗的各個(gè)環(huán)節(jié)以及細(xì)節(jié)。提倡基于地理分布的數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)性布局，包括5G邊緣數(shù)據(jù)中心與大數(shù)據(jù)中心的融合，以匹配區(qū)域電價(jià)、計(jì)算能力和帶寬的差異。探究數(shù)據(jù)中心與變電站、儲(chǔ)能站、充換電站等集于一體的“多站融合”建設(shè)與運(yùn)營(yíng)模式，打造多行業(yè)數(shù)據(jù)中心融合發(fā)展與共享共贏的健康生態(tài)。
圖4 數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)優(yōu)化與頂層規(guī)劃
數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的提質(zhì)增效在數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的趨勢(shì)下已經(jīng)越顯至關(guān)重要，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)背景下我國(guó)國(guó)家治理的新要求。因此，應(yīng)前瞻性地做好數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的提質(zhì)增效，探索基于余熱回收的產(chǎn)消型數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)的能源消費(fèi)與供應(yīng)路徑，打造基于多能互補(bǔ)的數(shù)據(jù)中心能源供應(yīng)的多元融合模式，抓好數(shù)據(jù)中心“算力”、“排放”、“能效”與“成本”的頂層規(guī)劃與同步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供能的高效化、低成本和清潔化，定能打好數(shù)字經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展的堅(jiān)實(shí)底座，這也是國(guó)家國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目（編號(hào)19ZDA081）：面向國(guó)家能源安全的智慧能源創(chuàng)新模式與政策協(xié)同機(jī)制研究的一個(gè)重要內(nèi)容。
