数据中心能耗现状和能效水平分析
数据中心是中国实现信息化进程的重要载体，在云计算、5G、人工智能等领域发挥着重要的作用。随着信息化和工业化的加快融合，数据中心不仅可以服务于互联网，而且可以服务于传统行业数字化转型，有效推动地方优势产业转型升级和创新发展。
经济发展、社会需求和技术变革推动中国数据中心飞速发展。“十三五”期间，全国数据中心机架数量增长超两倍，机架数量有望突破300万架，数据中心数量超过7.4万家。受规模提升的影响，全国数据中心耗电量增长率连续八年超过12%，远高于其他用能行业。数据中心的节能减排降耗工作显得尤为必要。
在国家部委的政策引领下，在领头企业的探索中，中国数据中心正在逐渐向规模化、低能耗、绿色可持续发展的方向迈进，数据中心节能工作亦不断取得新突破。本章主要介绍中国数据中心发展现状、能耗情况，以及数据中心节能成效和存在的主要问题。
1.数据中心发展现状
1.1规模不断扩大
数据中心是中国信息化基础设施建设的重要内容，近年来，中国数据中心迎来蓬勃发展的历史机遇。据互联网数据中心发布的《2020~2021年中国IDC产业发展研究报告》显示，2020年中国数据中心业务市场总规模为2238.7亿元，同比增长43.3%。
图1 2015~2020中国数据中心市场规模（单位：亿元）
2020年，以5G、大数据、物联网、人工智能等新技术、新应用为代表的新基建，在推进疫情防控和疫后经济复苏上发挥了重要作用，推动国内数据中心需求的激增。有机构预测，2021年中国数据中心市场规模将超过2700亿元，比2019年提高一倍。
业务需求的持续扩大推动数据中心的迅速发展。“十三五”期间，中国数字中心的机架规模与占有面积实现双高速增长。其中，数据中心机架数量从124万架增长到288万架，保有面积从1503万平方米增加到超过3000万平方米。
2019年，中国在建数据中心机架规模约185万架，同比增长30%。随着在建数据中心的陆续投产，预计“十三五”期末，中国数据中心机架保有量将突破300万架。
图2 2016~2020全国数据中心机架规模及增速（单位：万架）
1.2结构持续优化
根据工信部对数据中心的分类，按照机架数量，国内数据中心可分为三类：中小型数据中心、大型数据中心以及超大型数据中心。
中小型数据中心曾在中国数据中心中占绝主力，其数量一直占70%以上。原因是中国数据中心早期多由企业或机构自建，服务于企业数据运算、存储和交换，为企业、客户及合作伙伴提供数据处理、数据访问等信息，比如银行、保险、政府、科研院所、医疗机构等。
图3 2014~2020年全国各类型数据中心占比的变化
2018年以来，随着国内移动互联的兴起和云计算的快速发展，阿里、腾讯、百度等大型互联网企业对海量数据的存储、处理等业务需求增大，大型和超大型的互联网数据中心激增，数量逐渐超过中小型数据中心。
从国内三类数据中心占比变化情况看，2019年前后，中小型数据中心占比呈现断崖式下降，由2018年的50%迅速下降到26%。而超大型数据中心占比则由2018年的17%，提高到37%。
无论从优化数据中心布局的宏观需求出发，还是从节能和提高能效的现实需要出发，大型化和集群化均是数据中心发展的大趋势。预计2020年，中国大型和超大型数据中心合计占比将超过80%，其中，超大型数据中心占比将达到43%，中小型数据中心占比将进一步压缩到17%左右。
1.3布局发生调整
早期国内数据中心的布局主要受经济发展水平的影响。从存量上看，国内数据中心主要分布在环渤海、长三角、珠三角等经济发达地区。2019年，北京拥有数据中心机架14.1万架、上海拥有34.8万架，广东拥有34.3万架，北上广三大城市的在用机架数占全国的31.3%。
从服务对象上看，环渤海的数据中心主要为支撑云计算、软件业以及天津的制造业、物流产业等需求；长三角地区数据中心主要用于支撑科研单位、金融机构、信息产业和现代服务业的计算需求；珠三角地区以支撑现代通信与互联网产业为主。
图4 2019年北上广机架数量及占全国比例
近年来，由于经济发达地区的土地、电力等资源逾加紧张，在国家政策引导下，中国的数据中心建设逐渐向中西部地区转移。一方面，中西部地区电力资源相对丰富，环境冷量充沛利于降低数据中心冷却能耗；另一方面中西部地区为承接数据中心转移开出了大量优惠条件，如内蒙古乌兰察布市的数据中心享受0.28元/千瓦时的超低电价，远低于北京市0.8~1.2元/千瓦时的电价水平。
多种因素综合作用下，数据中心在中西部地区快速发展，建设规模不断扩大。如百度公司在山西阳泉市建设了6000台机架的超大型数据中心，中国移动公司在内蒙古呼和浩特市建设了10280台机架的超大型数据中心，中国联通在贵州省贵安新区建设了30800台机架的超大型数据中心。此外，在新疆、青海、陕西等地，也有新的数据中心布局。
图5 中国数据中心新增规划项目分布热力图
2.数据中心能源消费情况
对于国内数据中心能源消费总量，目前尚无官方统计。但被大家普遍接受的观点是：数据中心能耗高、能耗增长快，占全国能源消费比重逐年提高。同时，数据中心的能耗消费较为集中，除了IT设备外，制冷系统等辅助设施能耗比例高。
2.1总用电量约占全国的1-2%
由于在电力统计中，数据中心的实际耗电量常常被混合计入不同的行业范畴，因此，数据中心能耗统计困难，目前尚无得到权威认定的官方数据。
中国电子学会在《中国绿色数据中心发展报告（2020）》中通过机柜样本调查的方法，测算中国数据中心2019年总用电量为600~700亿千瓦时，约占全社会用电总量的1.0%。2020年受疫情影响，中国数据中心总用电量规模持续扩大，据预测，数据中心电耗占全社会用电量比重将突破1.5%。
LEED数据中心顾问(中国)委员会在《中国数据中心能源使用报告（2019）》中通过统计中国各级别服务器数量、比例、PUE的方法，测算中国数据中心2018年总用电量为613亿千瓦时，约占全社会用电量的1%。
据《绿色数据中心白皮书》称，2018年中国三峡发电量、上海市用电量、数据中心总用电量分别为1016亿、1567亿、1609亿千瓦时，数据中心总用电量已超过上海市，相当于1.6个三峡发电站。
绿色和平与华北电力大学联合发布的《点亮绿色云端：中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》认为，2018年中国数据中心电力消费总量达到1608亿千瓦时，约占当年全社会用电量的2.3%。
中国电子节能技术协会数据显示，目前中国数据中心的耗电量已连续八年以超过12%的速度增长，预计2020年总耗电量将达到2023亿千瓦时，占2020年全社会用电量的2.7%。甚至有机构大胆预测，由于受到疫情影响，2020年中国数据中心耗电量将突破2200亿千瓦时，占全国用电量的比重将超过3%。
图6 2010~2020中国数据中心耗电量及增速8
虽然不同的行业协会和研究机构对于国内数据中心能耗总量存在一定争议，但不可否认的是，数据中心能耗高、能源密度大、增速快，是节能重点领域。
2.2能源消费较为集中
数据中心包括IT设备和软件以及配套的辅助基础设施，辅助设施包括制冷系统、供配电系统等。从能耗构成看，数据中心能耗集中在这三大领域，其中，IT设备和软件耗电量最大，其次是制冷系统，电气系统能耗占比较小。
图7 2019年中国数据中心分系统能耗占比
（1）IT设备和软件能耗
IT设备承担数据计算、存储和交换等任务，运行时间长，耗电量最大，能耗占比约42%。IT系统主要包括CPU、存储器等，影响IT系统能耗的主要因素有电源输入模块与设备专业组件。大量的服务器、存储设备、交换机以及千亿级别的芯片在运行过程中消耗大量能源。
目前，国内主流的机柜功率以4-6kW为主，6kW及以上的机柜占比为32%。国内拥有超过3000个机架，总功率1.5万kW的大型数据中心超过300个，华为、阿里等通信和互联网巨头的超大型数据中心机架数甚至超过1万个，运行能耗惊人。
（2）制冷系统能耗
由于IT系统运行电阻的存在，计算过程中能源消耗大部分以热的形式耗散到环境中，需要建设高效制冷系统对IT设备进行散热。同时，为保障IT设备稳定运行，数据中心对环境温度和湿度要求较高，往往依赖空调、冷水机等设备来降温，这是数据中心制冷系统大量存在和能耗高的原因。
数据中心制冷系统包括空调压缩机、冷却水系统、冷冻水系统、冷却塔以及冷却工质等，能耗占比约40%。影响制冷系统能耗的因素有：各类设备的发热、建筑围护设备传热、新鲜空气系统传热、太阳辐射热、系统能效比、气流组织、空调运行时间等，可概括为设备因素与环境因素。
由于制冷系统是数据中心能耗最大的辅助设备，数据中心节能改造通常以提高制冷系统效率和减低冷量损耗为主，制冷系统能效提升对于数据中心节能意义重大。
（3）电气系统
电气系统是主要是为了保障IT设备和软件运行所需的电源和电压。电气系统能耗占比约18%，影响供配电系统耗电量的主要因素有：照明设置、不间断电源系统、变压器等。其中，不间断电源（UPS）能耗最高。
3.数据中心能效现状与问题
3.1能效提升显著但总体水平不高
表征数据中心能效的主要指标为PUE，PUE是数据中心总能耗/IT设备能耗的比值。PUE值越低，表明数据中心能源利用效率越高。
近年来，随着国内对数据中心节能工作的不断重视，节能改造和绿色数据中心建设，以及超大型数据中心带来的规模效应，共同促进了中国数据中心能效明显提升。从能效水平上看，从2016-2018年，大型数据中心PUE平均值从1.8下降到1.55左右，超大型数据中心PUE平均值从1.5下降到1.3左右。从结构上看，从2012年到2019年，PUE值大于2.0的数据中心占比从34.6%下降到2%，PUE小于1.5的数据中心占比从2.7%上升到了12.9%；
虽然近年来国内数据中心的PUE值下降明显，但与全球平均水平相比（目前全球数据中心PUE平均值为1.65），国内仍有大量的数据中心PUE值在1.6以上，能效水平仍然不高。特别是中小型数据中心，PUE值很多在2.0以上，仍有较大的节能改造空间。
图8 2016-2018年中国数据中心能效水平变化情况
3.2不同类型数据中心的能效差别显著
由于建设时间、功能等不同，国内数据中心发展水平和能效参差不齐。
首先，2018年后筹建的超大型互联网数据中心PUE值普遍较低。部分数据中心能效水平已经达到国际领先。如阿里巴巴杭州仁和数据中心采用的液冷自然冷源设计年均PUE达到1.12，为全球规模最大的全浸没式液冷数据中心；通过采用间接蒸发自然冷却技术，字节跳动的传统数据中心PUE由2018年的1.17、2019年的1.16，降低至2020年的1.14；腾讯、百度等企业亦通过应用先进制冷技术，数据中心能效能与国际互联网企业巨头谷歌、Facebook等看齐
与此同时，早期建设的中小数据中心PUE普遍偏高，且数量众多。目前中国中小型数据中心数量占到全部数据中心的26%以上，如果按照占比面积分类，则中小型数据中心占比接近40%。中小型数据中心PUE普遍偏高，有的甚至高达2.0以上。
3.3中小数据中心节能管理难度大
一直以来，国内的数据中心，特别是中小型数据中心节能管理遇到众多难题。
首先，从数据中心的运营方看，数据中心多为各企业和机构的内设部门运营，不对外提供服务，导致外部政府无法掌握其规模和数量，内部管理范围交错，难以界定运行边际；
其次，从数据中心作用看，大多数承载机构和企业的核心业务系统运行，出于商业和保密等原因，在运营成本和绿色化发展方面考虑较少，各项引导政策对其吸引力不足；
再次，数据中心的节能改造面临停机的问题，而企业管理人员对于数据中心的稳定性、安全性、持续性工作的侧重明显高于对节能方面的关注。因而对数据中心进行停机节能改造的难度大，而非停机改造仅仅适用于轻度改造，适用范围明显减弱；
最后，从管理主体的数量和布局看，其管理主体数量众多且分散，造成社会管理成本较高，政府无力对其全面严格管控。
因此，数据中心节能工作要实现在中小型数据中心方面的突破，需要加强中小型数据中心的运维管理，落实节能责任，同时加大节能管理人员培训，提高其节能意识。
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