東數(shù)西算：如何強化東西部能源聯(lián)動，降低數(shù)據(jù)中心用電成本？
2022年2月16日，國家發(fā)展改革委等四大部門聯(lián)合印發(fā)通知，同意在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝、內(nèi)蒙古、貴州、甘肅、寧夏等 8 地啟動建設(shè)國家算力樞紐節(jié)點，并規(guī)劃了 10 個國家數(shù)據(jù)中心集群。全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系完成總體布局設(shè)計，“東數(shù)西算”工程正式全面啟動。
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1、“東數(shù)西算”工程啟動，IDC行業(yè)有哪些投資機遇？.pdf
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3、“東數(shù)西算”平衡供需，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)迎拐點.pdf?
4、新基建流量應(yīng)用向“東”，穩(wěn)增長元宇宙組網(wǎng)計算向“西”.pdf
5、元宇宙商業(yè)化助力IP變現(xiàn)，關(guān)注“東數(shù)西算”機遇.pdf"?
6、“東數(shù)西算”工程正式啟動，有望提升新能源消納規(guī)模.pdf?
7、“東數(shù)西算”啟動 IDC產(chǎn)業(yè)鏈有望受益.pdf?
8、“東數(shù)西算”啟動將拉動IDC產(chǎn)業(yè)鏈增長.pdf
“東數(shù)西算”中的“數(shù)”指數(shù)據(jù)，“算”是算力，即對數(shù)據(jù)的處理能力，“東數(shù)西算”是通過構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、云計算、大數(shù)據(jù)一體化的新型算力網(wǎng)絡(luò)體系，將東部算力需求有序引導(dǎo)到西部，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局，促進東西部協(xié)同聯(lián)動；與南水北調(diào)、西電東送、西氣東輸屬于同系列工程，都是全國范圍內(nèi)的資源調(diào)配。
2020 年我國數(shù)據(jù)中心規(guī)模已達 428.6 萬標(biāo)準(zhǔn)機架，CAGR=36.35%，預(yù)計每年算力需求仍將以 20%以上的速度快速增長。算力如同農(nóng)業(yè)時代的水利、工業(yè)時代的電力，已成為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的核心生產(chǎn)力，是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。截至目前，我國數(shù)據(jù)中心算力達到 130EFLOPS（每秒一萬三千億億次浮點運算）。隨著數(shù)字技術(shù)向經(jīng)濟社會各領(lǐng)域全面持續(xù)滲透，全社會對算力需求仍十分迫切，國家發(fā)改委預(yù)計算力每年仍將以 20%以上的增速快速增長。
數(shù)據(jù)中心能耗高，而我國數(shù)據(jù)中心主要分布在東部發(fā)達地區(qū)（2019 年我國在用數(shù)據(jù)中心機架 63%分布在北上廣及其周邊地區(qū)），在土地、能源等資源緊張的形勢下，在東部大規(guī)模發(fā)展數(shù)據(jù)中心難以為繼。而我國西部地區(qū)資源充裕，可再生能源豐富，電力成本、土地成本相對東部更低，具備發(fā)展數(shù)據(jù)中心、承接?xùn)|部算力需求的潛力。
從具體布局來看，“東數(shù)西算”在當(dāng)前起步階段共設(shè)立了 8 個算力樞紐，并在其中規(guī)劃設(shè)立了 10 個數(shù)據(jù)中心集群，同時劃定了物理邊界。其中，西部數(shù)據(jù)中心負責(zé)處理后臺加工、離線分析、存儲設(shè)備等對網(wǎng)絡(luò)要求不高的業(yè)務(wù)，東部樞紐處理工業(yè)互聯(lián)、金融證券、人工智能等對網(wǎng)絡(luò)要求較高的業(yè)務(wù)。
數(shù)據(jù)中心是“電老虎”。宏觀來看，據(jù)華北電力大學(xué)撰寫的《點亮綠色云端：中國數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》（下文均簡稱“《點亮綠色云端》”），2018 年中國數(shù)據(jù)中心總用電量約為 1609 億千瓦時（同期上海的全社會用電量為 1567 億千瓦時），其總用電量占中國全社會用電量的 2.35%，占第三產(chǎn)業(yè)用電量的 14.9%。微觀來看，數(shù)據(jù)中心電力成本占其運營成本的 56.7%，其中，占據(jù)能耗使用比重最大的為 IT 設(shè)備與制冷系統(tǒng)，兩者合計占據(jù)數(shù)據(jù)中心總能耗的80%。
雙碳背景下，數(shù)據(jù)中心減碳降排迫在眉睫。從電力使用結(jié)構(gòu)來看，火電是數(shù)據(jù)中心的核心用電品種。根據(jù)《點亮綠色云端》研究，2018 年中國數(shù)據(jù)中心火電用電量占其總用電量的 73%，造成的環(huán)境污染包括排放二氧化碳 9855 萬噸、煙塵0.47 萬噸、二氧化硫2.34 萬噸、氮氧化物2.23萬噸的排放。
數(shù)據(jù)中心高碳高排放主要是因為其可再生能源使用比例低。根據(jù)《點亮綠色云端》研究，2018 年中國數(shù)據(jù)中心可再生能源使用比例僅 23%，低于我國市電中可再生能源使用比例 26.5%。
若通過提高可再生能源上網(wǎng)消納以及數(shù)據(jù)中心企業(yè)更主動采購可再生能源等措施，將 2023 年數(shù)據(jù)中心行業(yè)可再生能源使用比例提高至 30%，新增用電量中火電量降至 583 億千瓦時（相比 23%的可再生能源使用比例情景減少 188 億千瓦時），相當(dāng)于避免二氧化碳排放 1583 萬噸。
大幅提升可再生能源使用比例將助力數(shù)據(jù)中心減碳降排，而我國西部可再生能源豐富價廉，其溫度相較東部低，加大數(shù)據(jù)中心在西部布局的傾斜力度，提高西部綠色能源消納比例，有利于降低數(shù)據(jù)中心的能耗水平，提高電源使用效率，降低其用電成本。
我國數(shù)據(jù)中心的能效水平不斷提升，2019 年，全國超大型數(shù)據(jù)中心平均 PUE 為1.46（衡量以空調(diào)為主的耗能基礎(chǔ)設(shè)施配置合理性的關(guān)鍵能效指標(biāo)，PUE=數(shù)據(jù)中心總耗電功率/IT 設(shè)備耗電功率），較 2013 年前的 1.7 大幅度提升；部分優(yōu)秀綠色數(shù)據(jù)中心已全球領(lǐng)先，PUE 可達 1.2-1.3。
但在“雙碳”目標(biāo)的要求下，數(shù)據(jù)中心的 PUE 仍有提升空間。良好的設(shè)計 PUE值將為降低實際運行能耗奠定基礎(chǔ)。根據(jù)此前發(fā)布的“東數(shù)西算”的《實施方案》， 到 2025 年，全國新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心平均電能利用效率（PUE）降到 1.3以下，國家樞紐節(jié)點進一步降到 1.25 以下，綠色低碳等級達到 4A 級以上。
具體來看，“東數(shù)西算”工程要求各數(shù)據(jù)中心集群 PUE 不高于 1.25：能源相對緊張的地區(qū)（東部四大集群、天府集群、重慶集群）的 PUE 水平要控制在 1.25 以 內(nèi)；可再生能源相對豐富的地區(qū)（和林格爾集群、貴安集群、中衛(wèi)集群、慶陽集群）的 PUE 水平要控制在 1.2 以下。
西部部分地區(qū)平均氣溫相對更低，有利于大幅降低設(shè)備制冷能耗。IT 設(shè)備和制冷設(shè)備能耗分別占數(shù)據(jù)中心總能耗的 40%，在不考慮技術(shù)的情況下，降低制冷設(shè)備能耗是降低數(shù)據(jù)中心用電成本、減少碳排放的重要舉措。即使采用相同技術(shù)，數(shù)據(jù)中心在各地的能耗也不相同，年平均氣溫較低區(qū)域，用于制冷系統(tǒng)的能耗大幅降低。
如內(nèi)蒙古烏蘭察布市是國內(nèi)重要的可再生能源發(fā)展區(qū)域，其年平均氣溫只有4.3℃。這意味著位于該地的數(shù)據(jù)中心每年有近 10 個月時間，可以利用自然環(huán)境實現(xiàn)冷卻。華為云數(shù)據(jù)中心就位于烏蘭察布，其采用諸如 AHU 直接通風(fēng)、液冷等技術(shù)，使得各服務(wù)器負荷均衡，提升資源使用效率比。在滿負荷運行的情況下，該數(shù)據(jù)中心 PUE 可低至 1.12，預(yù)計每年可節(jié)省電力 10.1 億度，減少碳排放 81萬噸。?
提高西部地區(qū)綠色能源使用比例，降低用電成本，節(jié)能減排。我國西部地區(qū)可再生能源相對東部豐富且價廉，加大在西部建設(shè)數(shù)據(jù)中心力度，提高數(shù)據(jù)中心可再生能源使用比例，一方面有利于降低數(shù)據(jù)中心用電成本，節(jié)能減排，另一方面也有利于提高西部綠色能源消納比例。
在政策方面，數(shù)據(jù)中心建設(shè)有章法，用電更綠色。國家發(fā)展改革委也提出要堅決避免數(shù)據(jù)中心盲目發(fā)展，明確了新建數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能、上架率等發(fā)展目標(biāo)。比如，集群內(nèi)數(shù)據(jù)中心的平均上架率至少要達到 65%以上，可再生能源使用率要有顯著提升。
2020年，我國數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)機架數(shù)428.6萬架，根據(jù)國家發(fā)改委，若 2020-2025年數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)機架數(shù)增速與算力增速相等，均為 20%，則 2025 年，我國數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)機架數(shù)將達 1066.5 萬架，總能耗將達 9194 億千瓦時，占 2021 年全社會用電量的 11.1%，占 2021 年我國風(fēng)電和光伏發(fā)電總量的 94.0%。在“東數(shù)西算”工程的推動下，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)將大幅提升綠色能源的需求；若“十四五”期間我國數(shù)據(jù)中心均設(shè)立在西部，則將大幅提高西部地區(qū)的綠色能源消納水平。
1）機架數(shù)建設(shè)結(jié)構(gòu)：根據(jù)《點亮綠色云端：中國數(shù)據(jù)中心能耗與可再生能源使用潛力研究》，2018 年我國數(shù)據(jù)中心機架數(shù)大型及以上、大型以下數(shù)據(jù)中心機架數(shù)占比分別為 57%、43%；考慮到近幾年數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)趨向于大型化及集中化，假定 2021-2025 年數(shù)據(jù)中心機架數(shù)大型及以上、大型以下數(shù)據(jù)中心機架占比分別為 70%、30%。
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2）PUE：我國已開始限制高 PUE 的數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，假定 2021-2025 年數(shù)據(jù)中心行業(yè)新增大型及以上數(shù)據(jù)中心 PUE 為 1.2（參考“東數(shù)西算”工程對西部地區(qū)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)要求），新增大型以下數(shù)據(jù)中心 PUE 為1.25。
3）單機架功率：隨著上架率及使用率的提高，數(shù)據(jù)中心單機架的算力逐漸提升，致使單機架功率升高，假定 2021-2025 年新建數(shù)據(jù)中心大型及以上數(shù)據(jù)中心單機架功率為 9KW（2020 年平均單機架功率為 8.4KW），大型以下數(shù)據(jù)中心單機架功率為 6KW。
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