“双碳”背景下 数据中心规划设计的新趋势及展望

2021年，工业和信息化部发布了《新数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》能效水平稳步提高，电能利用效率（PUE）可再生能源利用率逐渐提高。到2023年底，全国数据中心将建设大型及以上数据中心PUE降低到1.在3以下，努力将寒冷和寒冷地区降至1.25以下。
此外，继南水北调、西电东送、西气东输等工程之后，我国还发布了东数西算战略规划。2021年5月26日，国家发改委、中央网络信息办公室、工业和信息化部、国家能源局明确布局国家计算网络枢纽节点，启动东西计算项目，将在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、贵州、内蒙古、甘肃、宁夏建设国家计算网络枢纽节点，优化东部计算资源短缺、西部计算需求不平衡。因此，从政策层面来看，未来很长一段时间，除了热点地区必须建设数据中心和边缘数据中心，国家鼓励大型数据中心规划建设到国家八个枢纽节点，将有利于大规模实施节能降耗措施，促进数据中心行业更早实现碳中和绿色节能目标。

从公共数据的角度来看，数据中心的大规模趋势是显而易见的。许多地方出台的数据中心政策都要求申请数据中心的规模。数据中心的密集和大规模发展有利于新型节能技术的大规模应用，提高机柜利用率，降低能耗。
从能源优化利用的角度来看，国家收紧数据中心能效政策必然会引导数据中心向集约化、大规模发展，从而提高能效水平，节能减排。

作为传统数据中心的有益补充，新数据中心呈增长趋势。海底数据中心、洞穴数据中心、矿山数据中心等新数据中心将满足不同地理和气候环境的实际需求。

微软已经建立了世界上第一个自用海底数据中心。中国还在海南三亚规划了第一个商业海底数据中心示范项目。
海底数据中心主要分为海底和岸基两部分。服务器安装在密封的压力容器中，用海底复合电缆供电，数据返回互联网。采用模块化设计，施工周期短，成本低；主要利用海底面积，对陆地土地资源低。
海底数据中心利用海水的巨大流量冷却服务器产生的热量，无需淡水冷却、制冷设备和压缩机运行，有效节约淡水资源。公共数据显示，海底数据中心的建设和运营成本约为15-20%，其故障率仅为陆地数据中心的八分之一，既经济又可靠。
中国大陆海岸线长达1800多公里，中国经济发达地区多为沿海省份。同时，这些地区也是对数据中心或计算能力需求旺盛的地区。因此，在沿海省份规划建设海底数据中心具有良好的优势和前景。

挪威利用橄榄矿废弃矿山道路建设矿山数据中心，充分利用可再生能源建设PUE低于1.绿色数据中心15。
在中国，腾讯在贵州省建立了中国第一个洞穴数据中心——腾讯贵安七星数据中心。洞穴面积超过3万平方米，是整个数据中心IT所有设备、电力和其他设备都将放置在其中。该数据中心具有高度安全、高隐蔽、高保护的特点，用于存储腾讯业务的核心业务数据。
中国有许多山地省份，大部分位于中西部地区，中西部地区能源丰富通过建设数据中心可以更好地消耗绿色能源。中国土地资源短缺，洞穴数据中心的出现是解决上述问题的有益尝试。

目前，我国一些省份已经开展了以矿山为数据中心的示范工作。在矿产和煤炭资源领域，资源枯竭后，废弃矿山的综合利用是矿区生态恢复的重大课题。在矿山中安排数据中心是解决废弃矿山综合利用的可能解决方案。
新数据中心可以是边缘数据中心，也可以规划成大型数据中心。规划建设面临的突出问题是现阶段缺乏相关规范指导，有些问题甚至需要突破现行规范才能解决。相信随着新数据中心的不断发展，相关规范和政策会逐步完善，促进行业发展。

在工业和信息化部发布的《新数据中心发展三年行动计划(2021-2023年)》中，明确指出要加快数据中心的转型升级。分类分批存量老小散数据中心转型升级。旧数据中心加快高密度、高效应用IT加快设备和基础设施系统的迁移和集成，提高数据中心的能源利用效率和计算能力供应能力，更好地满足当地边缘计算应用的需要。
我国库存数据中心数量庞大，建成时间长，设计标准低，设备老化，能耗高PUE较高等问题，随着“双碳”目标推进，节能政策必然逐渐收紧，高能耗数据中心将受到运营成本高昂、政策挤压等多重影响，面临严峻的生存危机，改造意愿强烈。因此，为了适应节能政策的要求和自身运维成本的实际需求，预测库存数据中心节能改造项目近期将快速增长。

传统的模块化设计一般理解为模块化机房建筑和模块化机房，便于分期施工和标准化运维。系统级模块化、微模块化、配电模块化、制冷模块化、全预制数据中心模块化等模块化理念将进一步扩展。通过模块化、标准化、工厂预制、产品化，实现快速部署、弹性扩容、操作维护简单、高效节能，促进绿色数据中心的实现，提高能效。

在数据中心PUE因子中，除IT设备外，空调占有很大的比重。因此现阶段数据中心能效提升的关键是空调系统架构的优化及变革。
中国东西南北地理跨度大，气候差异大。因此，空调系统结构的选择必须结合当地气候条件，难以实现全国一致。
间接蒸发冷却技术和液冷技术的出现已成为解决数据中心空调系统能耗问题的理念。
传统水冷系统技术成熟，普遍性好，能效一般，施工周期长。近年来发展起来的间接蒸发冷却技术具有节能性高、投资适中、施工周期短、节水性高的优点。缺点是产品定制性强，对建筑布局要求高，不易实现连续制冷。
液冷技术主要分为冷板式和浸没式。液冷技术的优点是节能性高，易于实现连续制冷；其缺点主要体现在初始投资高、服务器定制强等方面。我国大型数据中心采用上述液冷技术，在高密度机柜制冷方面取得了良好的节能效果。

数据中心通过空调散热系统排出服务器产生的大量余热，能耗巨大。据统计，数据中心消耗的近90%的电能将转化为热能。目前，大多数数据中心基本上没有使用这种热量。如果我们能充分利用这些余热，我们可以成为一种非常有价值的资源，从更大范围内降低碳排放水平。
目前，国内数据中心开展余热回收利用的场景，主要集中利用数据中心余热为相关办公区或周边居民区供暖。国外也已经开展了余热回收利用的不同尝试，比如游泳池的加热、植物种植园的采暖、生产用水的预热等等。余热回收利用的场景还需要进一步拓展，和数据中心巨量的余热相配合，才能产生更大的效益，更节能。

经过多年的发展，数据中心电气系统已经非常成熟，但在节能方面仍有挖潜的空间。

空调、水泵、冷机、冷塔、风机等数据中心动力系统是数据中心的除外IT在过去，变频装置在设备外的大型用电量应用差异很大，能耗仍然很高。在新建节能改造项目中使用变频装置，利用其节能优势对降低数据中心的整体能耗有很大帮助。

新能源可分为太阳能、风能、生物质能、氢能、地热能、海洋能、小水电、化工能(如醚基燃料)、核能等可再生能源。
绿色电力是指二氧化碳排放量为零或接近零，与其他方式（如火力发电）相比，对环境影响较低。绿色电力的主要来源是太阳能、风力、生质能、地热等，我国主要是太阳能和风力。
目前，数据中心的能源结构主要依靠电能，国发电最主要的途径是火电，产生了大量的碳排放。新能源和绿电的大力推广利用，对数据中心这个耗能大户来说具有极为重要的意义。

飞轮储能实质是无电池技术。该技术是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量储存的介质，损耗低，效率高。在市电正常时，磁悬浮飞轮储能装置相当于一台电动机，将电能转化为飞轮转动的动能（机械能）储存起来。在市电异常和停电的情况下，磁悬浮飞轮储能装置相当于一台发电机，将飞轮转动的动能转化为电能。
飞轮储能技术可以和UPS结合应用，称为动态UPS；也可与柴油发电机结合，衍生出柴油耦合动态UPS。因为无需电池，极大的降低了维护成本和运营成本，为IT设备节省的空间增加了运营效益。飞轮储能技术尚处于市场开发和推广的阶段。

数据中心UPS系统使用的蓄电池目前仍然以阀控铅酸蓄电池为主。铅酸蓄电池有很多优点，如技术成熟，性能稳定可靠，成本低、报废回收利用率较高等优点，也存在着对环境温度要求较高、体积较大、重量较重、存在污染等问题。对于数据中心业主来讲，出柜率是永恒的话题，如何在基础设施尽可能少占地的情况下，最大化的多出机柜，也是设计师需要重点考虑的问题。
新型电池的出现为以上需求提供了可能的解决方案。
新型电池主要有锂电池、镍锌电池（NiZn）、铅碳电池、燃料电池等类型。电池技术的研发处于战国时代，其中磷酸铁锂电池技术较为成熟，是较有可能成为替代铅酸电池的电池类型。
电池技术的进步将对数据中心规划设计带来重大影响。

数据中心作为新型基础设施，已经被纳入到国家整体发展规划中，如何在“双碳”政策背景下规划建设好绿色、低碳或零碳数据中心，是摆在数据中心科技工作者面前的课题。