摘 要:根據(jù)工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019 年我國在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模超過 226 萬架，用電量超過 1300億千瓦時，占全社會用電量約 2%，隨著國家對“新基建”的著重規(guī)劃，大 力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，數(shù)據(jù)中心整體用電量將進(jìn)一步提高。2020 年國家提出“碳中和”目標(biāo):“力爭2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取 2060年前實現(xiàn)碳中和。”是對全社會提出的碳中和要求，數(shù)據(jù)中心也不能例外，不論減排路徑與 方式如何區(qū)別，對于數(shù)據(jù)中心而言，第一步是計算出整體的能源消耗量和碳排放量，目前對 于數(shù)據(jù)中心能源消耗及溫室氣體排放核算方法的國家標(biāo)準(zhǔn)還未頒布，文章對此問題進(jìn)行了討 論，并依托國家規(guī)范、參照國內(nèi)外權(quán)威數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過公式推導(dǎo)、數(shù)據(jù)整理，得到數(shù)據(jù)中心全 年綜合能源使用量及其碳排放量核算方法，并對某數(shù)據(jù)中心項目分場景進(jìn)行核算、對比。
關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)中心;綜合能源;碳排放;碳核算;碳中和;碳達(dá)峰;燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組;三 聯(lián)供
引言
近年來,中國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)生了巨大的變化，國家實力不斷增長。按“國內(nèi)生產(chǎn)總值” 作為排名參數(shù)，中國已經(jīng)超過日本，成為次于美國的世界第二大經(jīng)濟(jì)體。然而之前我們走的 是一種拼資源、拼人力、高投入、高消耗、高排放的粗放式發(fā)展道路，透支了中國的環(huán)境和 資源。尤其令人驚訝的是，現(xiàn)在中國已經(jīng)超越美國成為最大的溫室氣體排放國。溫室氣體排 放引起全球氣候急劇變化，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化,是一個全球普遍關(guān)注的敏感問題。
2020年 9 月在聯(lián)合國大會上，領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)言表示:中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度， 力爭 2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，爭取 2060 年實現(xiàn)碳中和;同年 12 月，領(lǐng)導(dǎo)人在為紀(jì)念《巴黎協(xié)定》達(dá)成五周年舉辦的氣候雄心峰會上，進(jìn)一步宣布提高國家自主貢獻(xiàn)力 度的一系列新舉措。
據(jù)《中國“新基建”發(fā)展研究報告》稱，從全球來看，到2025 年，數(shù)據(jù)中心將占全球 能耗的最大份額，高達(dá) 33%。從我國國內(nèi)來看，全球數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)連續(xù)八年超過12%的增長速度。作為為數(shù)不多的能耗占社會總用電量比例持續(xù)增長的行業(yè)，數(shù)據(jù)中心積極 踐行碳中和意義十分重大。
碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體、項目或個人測算在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放 總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量。
不管減排路徑與方式如何區(qū)別，對于數(shù)據(jù)中心項目而言，繞不開的第一步是計算出整體 的碳排量，如何科學(xué)和正確計算出數(shù)據(jù)中心項目的碳排放量以及標(biāo)煤量就成為首先要解決的 問題，本文對此進(jìn)行分析和研究，與同行探討。
1、數(shù)據(jù)中心綜合能耗
如今，云時代蓬勃發(fā)展，新基建加速落地，在全社會深入推進(jìn)節(jié)能減排的背景下，節(jié)能 降耗成為政府和數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的共同目標(biāo)，數(shù)據(jù)中心對能源的使用是多方面的，不僅存在于 外購電力、備用柴油發(fā)電機(jī)運行燃燒柴油產(chǎn)生的二氧化碳、生活用水、空調(diào)補(bǔ)水所消耗的工 作質(zhì)-水也需要計算到綜合能源消耗及碳排放中。
目前我國著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向，堅持 發(fā)展非化石能源與化石能源高效清潔利用并舉，逐步降低煤炭消費比重，提高天然氣消費比 重，大幅減少能源消費排放。由于發(fā)電過程的熱損耗，目前我國常規(guī)火力發(fā)電廠的熱效率往 往低于40% 。而發(fā)展熱能梯級利用技術(shù)，能顯著提高能源利用率，例如燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán) 熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)，統(tǒng)籌考慮用電、制冷、熱水等負(fù)荷需求，實現(xiàn)生產(chǎn)電能、熱能和制冷的 聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，綜合用能效率可高達(dá) 90%;位于北京市昌平區(qū)的某科技園區(qū)數(shù)據(jù)中心項目已經(jīng) 采用燃?xì)馊?lián)供機(jī)組，燃燒天然氣發(fā)電，并利用余熱經(jīng)過溴化鋰機(jī)組制冷來替代一路市電， 以降低二氧化碳排放量，隨著碳中和政策的落實，未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)方式很可能以燃?xì)夤?yīng) 來替代外購電力，天然氣的消耗量也應(yīng)考慮在數(shù)據(jù)中心的綜合能源消耗范圍內(nèi)。
1.1外購電力消耗量
根據(jù)數(shù)據(jù)中心項目產(chǎn)出機(jī)柜數(shù)、單機(jī)柜功率、年平均PUE 值可求得數(shù)據(jù)中心年耗電量， 計算公式如下:
1.2耗能工質(zhì)-水消耗量
數(shù)據(jù)中心水資源消耗量，包含空調(diào)系統(tǒng)補(bǔ)水消耗量以及辦公生活用水消耗量兩部分，空 調(diào)補(bǔ)水消耗量可按每機(jī)柜每天消耗0.3m3水估算，辦公生活用水可按每人每天 40L 估算，計 算公式如下:
1.3柴油消耗量
數(shù)據(jù)中心多采用10kV 基本功率為 2000kW 柴油發(fā)電機(jī)組，根據(jù)經(jīng)驗值每臺機(jī)組每小時 消耗柴油 500升，按每月每臺柴油發(fā)電機(jī)保養(yǎng)檢修運行 30 分鐘估算，每臺柴油發(fā)電機(jī)每年 運行 6 小時，由此可求出數(shù)據(jù)中心每年柴油消耗量，計算公式如下:
1.4天然氣消耗量
按市場主流燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)品，每1m3天然氣可發(fā) 4kWh 電，同時回收 4kW 冷量估算天 然氣使用量，公式如下:
1.5綜合能耗計算
按市場主流燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)品，每1m3天然氣可發(fā) 4kWh 電，同時回收 4kW 冷量估算天 然氣使用量，公式如下:
數(shù)據(jù)中心綜合能耗計算主要基于GB/T2589-2020《綜合能耗計算通則》內(nèi)的要求，計算 公式為:
標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)可參照GB/T2589-2020《綜合能耗計算通則》附錄 A 及附錄 B 內(nèi)參數(shù)，根據(jù)不同能源消耗的總量及其相應(yīng)的折標(biāo)煤系數(shù)就可求得數(shù)據(jù)中心的綜合能耗總量。
常用折標(biāo)煤系數(shù)見表1:
表1 常用折標(biāo)煤系數(shù)
2數(shù)據(jù)中心碳排放核算
目前數(shù)據(jù)中心碳排放核算并無相關(guān)認(rèn)證評價標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)減排責(zé)任 劃分可分為三個范疇:范疇一最為直接，主要是指直接排放;范疇二主要包括企業(yè)用電和用 蒸汽產(chǎn)生的排放，因為用電或用熱需要從公共事業(yè)單位購買，而這個過程中的碳排放并不發(fā) 生在企業(yè)的物理邊界內(nèi)，所以屬于間接排放;范疇三主要是指與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營有關(guān)的其他排 放，其邊界并不是很清晰，涉及到產(chǎn)業(yè)鏈，包括向上游購買到產(chǎn)品以及向下游銷售的產(chǎn)品等。一般而言，數(shù)據(jù)中心考慮碳排放時只考慮范疇一和范疇二的排放。
2.1外購電力碳排放量
一般情況下，數(shù)據(jù)中心的電力供應(yīng)都來自于市政電網(wǎng)(外購電力)，是碳排放的關(guān)鍵項 指標(biāo)，對于數(shù)據(jù)中心的碳排放計算，由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32151《溫室氣體排放核算與報告 要求》中并不包含數(shù)據(jù)中心行業(yè)， 因此根據(jù) ISO14064-1:2018《溫室氣體-第 1 部:組織層 面上溫室氣體排放與清楚量化及報告規(guī)范》內(nèi)的要求，和 GB/T 32151.1- 2015《溫室氣體排 放核算與報告要求第 1 部分:發(fā)電企業(yè)》中的5.2.4“購入的電力產(chǎn)生的排放”的計算方法來 進(jìn)行計算。同時這也是比較常規(guī)的，對我國企業(yè)的企業(yè)社會責(zé)任報告(ESG)碳排放量核算 的通用方法，計算方法如下:
2.2二氧化碳排放因子
根據(jù)式(6)可知，當(dāng)知道能源消耗總量乘以對應(yīng)的排放因子即得所排放的二氧化碳排 放量，參考 GB/T 32151.1- 2015《溫室氣體排放核算與報告要求 第 1 部分:發(fā)電企業(yè)》，第5.2.2.3 節(jié)“排放因子數(shù)據(jù)獲取”計算公式為 :
3計算實例
以廣東省某數(shù)據(jù)中心項目情況作為基礎(chǔ)，分別對此項目采用外購電力方案以及天氣發(fā)電方案進(jìn)行綜合能源消耗計算及碳排放核算，項目基本信息如下:
3.1對采用外購電力方案進(jìn)行核算
根據(jù)公式 1 至公式 7 對該項目進(jìn)行綜合能源消耗計算及碳排放核算，計算結(jié)果如下:
表4 項目綜合能源消耗計算及碳排放核算(市電供電)
當(dāng)此項目采用外購電力供電時，根據(jù)計算每年需消耗19980 噸標(biāo)準(zhǔn)煤，對外排放 55381噸二氧化碳。
3.2對采用天燃?xì)獍l(fā)電方案進(jìn)行核算
若此項目改用燃?xì)馊?lián)供機(jī)組，燃燒天然氣發(fā)電，并利用余熱經(jīng)過溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)中 心制冷，按市場主流燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)品，每1m3天然氣可發(fā) 4kWh 電，同時回收 4kW 冷量， 由于采用溴化鋰制冷機(jī)組替代電制冷機(jī)組，保守估計 PUE 由 1.35 降低至 1.30，則該項目的 綜合能源消耗及碳排放計算如下:
表5 項目綜合能源消耗計算及碳排放核算(天然氣發(fā)電)
當(dāng)此項目采用天然氣機(jī)組發(fā)電并利用溴化鋰機(jī)組制冷時，根據(jù)計算每年需消耗19178噸標(biāo)準(zhǔn)煤，對外排放 33442 噸二氧化碳。
3.3兩種方案的對比分析
圖1 兩種方案的對比分析
根據(jù)計算兩種方案綜合能源消費量基本相當(dāng);碳排放方面，天然氣發(fā)電方案比外購電力方案降低約40%，可見天然氣發(fā)電方案更有利于降低數(shù)據(jù)中心二氧化碳排放量。
4 總結(jié)與展望
如文中計算結(jié)果所示，數(shù)據(jù)中心每年的能源消耗、二氧化碳排放量十分巨大;在碳中和、 碳達(dá)峰的大背景下，未來數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計必定需要考慮能源的綜合利用以及二氧化碳排 放量等因素，根據(jù)文章計算，采用天然氣機(jī)組發(fā)電并利用余熱經(jīng)過溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)中心制 冷的方式可比傳統(tǒng)外購市電的方式，每年二氧化碳排放量降低約40%左右，具有較大的潛力， 但仍需在方案設(shè)計階段考慮天然氣的持續(xù)供應(yīng)、天然氣的存儲等問題。
節(jié)能減排、綠色低碳將是數(shù)據(jù)中心未來發(fā)展的重要課題，作為用能大戶，更要積極響應(yīng) 國家號召，在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計、運維管理方面不斷探索實踐，助力“碳達(dá)峰”、“碳中和” 目標(biāo)的實現(xiàn)。
