何承堯
當(dāng)今,信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異,迅猛異常,以“云計算”和“大數(shù)據(jù)”為概念特征引領(lǐng)信息產(chǎn)業(yè)向廣度、深度不斷擴展,"信息爆炸"所產(chǎn)生的海量,甚至天量數(shù)據(jù),通過互聯(lián)網(wǎng)交換,其存儲和流通需求,催生了互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center)的建設(shè)和蓬勃發(fā)展。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料顯示:2008年至2013年6年間,我國數(shù)據(jù)中心的市場規(guī)模增長了5.4倍,年均增長率超過30%,預(yù)計至2016年,仍將保持年均30%的增長率。目前,我國的數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器共約500萬臺。就上海而言,按“四個中心”:國際經(jīng)濟中心、國際金融中心、國際貿(mào)易中心、國際航運中心及“科技創(chuàng)新中心”、智慧城市等功能要求,據(jù)測算將需要建設(shè)一批數(shù)據(jù)中心,安裝大約2000萬臺服務(wù)器。
數(shù)據(jù)中心雖是IT行業(yè)的“寵兒”,卻是不折不扣、名副其實的耗能大戶。以擬建的某數(shù)據(jù)中心為例:本期建設(shè)服務(wù)器機架9500個,裝機功率43 450 kW。取數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)PUE=1.5,年用電量為4億kWh。該數(shù)據(jù)中心規(guī)劃最終建設(shè)規(guī)模為30 000個機架,全部建成運行后,按以上數(shù)據(jù)推算年用電量為12.63億kWh,約為上海市“一產(chǎn)”用電量的1.7倍,全市用電量的0.9%。換言之,一個數(shù)據(jù)中心的用電量約為全市用電量的1%。
若按上海全部數(shù)據(jù)中心安裝2 000萬臺服務(wù)器估算,全部設(shè)備的裝機功率為450萬kW,年用電量將達283.8億kWh,約為2013年全市用電量的20%。這意味著要為這2 000萬臺服務(wù)器增建一個大型發(fā)電基地,大量增加發(fā)電設(shè)備的容量,而且,按上海市供電煤耗0.3 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh計,則每年要消耗85萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,將對全市實現(xiàn)能耗總量控制目標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
從萬元產(chǎn)值能耗指標(biāo)來看:上述數(shù)據(jù)中心本期項目年綜合能耗為12.06萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,年產(chǎn)值為65 846萬元,萬元產(chǎn)值能耗為1.832 t標(biāo)準(zhǔn)煤,為2013年上海市萬元產(chǎn)值能耗0.545 t標(biāo)準(zhǔn)煤的3.36倍。這清楚表明:數(shù)據(jù)中心的建設(shè)將嚴(yán)重影響上海萬元產(chǎn)值能耗下降目標(biāo)的完成。
綜上所述,無論從全市能源消費量的總量控制目標(biāo),或是從萬元產(chǎn)值能耗下降的目標(biāo)看,數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模的建設(shè)將帶來能耗上升較大的負面影響,促使我們能源工作者進行深入的思考,另辟蹊徑,探討數(shù)據(jù)中心的發(fā)展策略,爭取在發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)的同時,兼顧節(jié)能減排,收到“魚和熊掌兼得”的效果。
為了降低和控制數(shù)據(jù)中心的能源消耗,就必須認(rèn)真、深入地分析數(shù)據(jù)中心的用能特點:
以每臺服務(wù)器機架4.5 kW計,數(shù)據(jù)中心如安裝10 000個機架,則裝機功率為4.5萬kW,加上輔助設(shè)備功率,總裝機功率可達6.75萬kW(取PUE=1.5)。如安裝30 000個機架,則總裝機功率達20.25萬kW,而且數(shù)據(jù)中心全年不間斷運行,負荷峰谷差較小,呈剛性,這就要求有強勁的電網(wǎng)為它供電,以策安全。
數(shù)據(jù)中心的能耗主要包括:
——IT設(shè)備的能耗(主機能耗)
——其他設(shè)備的能耗(包括:電氣、空調(diào)、照明、通風(fēng)、動力等設(shè)備)的能耗(輔機能耗)
其中,空調(diào)能耗占了輔機能耗的絕大部分,而空調(diào)能耗中,主要是排放內(nèi)熱源所散發(fā)出來的熱量,IT設(shè)備運行中散發(fā)出來的熱量占了大部分,電氣設(shè)備運行中散發(fā)出來的熱量次之,照明設(shè)備散發(fā)出來的熱量再次之。由于機房基本無人值守、辦公,因此,由新風(fēng)帶進室內(nèi)的熱量有限。外熱源主要是由太陽光的輻射從廠房圍護結(jié)構(gòu)(包括屋頂和四面墻壁,門窗等)帶進室內(nèi)的熱量。由于廠房圍護結(jié)構(gòu)的窗墻比可以控制得較小,屋頂和墻壁如能達到熱工性能標(biāo)準(zhǔn),則由外熱源所產(chǎn)生的空調(diào)負荷相對比較小,僅略高于照明設(shè)備發(fā)熱所產(chǎn)生的空調(diào)負荷,而且低于電氣設(shè)備發(fā)熱而產(chǎn)生的空調(diào)負荷。而機房全年不間斷運行,年運行小時為8 760 h,因而,由內(nèi)熱源所產(chǎn)生的空調(diào)負荷是基本穩(wěn)定的,季節(jié)性負荷差異較小。
數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,為互聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的存儲和流通提供服務(wù),而互聯(lián)網(wǎng)是由光纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),光的傳輸速度高達30萬km/s,即使兩地相隔遙遠,信號傳輸是轉(zhuǎn)瞬即到。因此,數(shù)據(jù)中心的布局可不受地理位置的限制,不必完全布局在中心城市。按照數(shù)據(jù)中心電力負荷集中,強度大的用能特點,應(yīng)將它布置在靠近能源基地(如:大型水電站,火電站,大型煤礦坑口電站等),同時由于數(shù)據(jù)中心的空調(diào)負荷大,可將它布置在高緯度地區(qū)。由于,上海處于夏熱冬冷地區(qū),又是能源凈輸入地、西電東送目的地,針對上海的具體情況,特提出如下建議:
數(shù)據(jù)中心配置自備電廠,其所發(fā)之電可就近供應(yīng)數(shù)據(jù)中心使用,并將網(wǎng)電作為備用,既減輕了電網(wǎng)的供電壓力,又減少了輸電線損。以上海市某擬建數(shù)據(jù)中心為例:數(shù)據(jù)中心選用以天然氣為燃料的兩臺9E級燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,單臺發(fā)電功率20萬kW,一臺運行即可滿足數(shù)據(jù)中心用電負荷的需求;另一臺作為備用,網(wǎng)電作為再備用,雙重保險。同時自備電廠兼有調(diào)峰功能,用電高峰時,啟動備用機組,可提供20萬kW調(diào)峰容量。這種設(shè)計的好處是:
(1)對數(shù)據(jù)中心而言,可節(jié)省百余臺備用柴油機組(按100%容量備用,且N+1冗余,備用柴油機總裝機功率為22萬kW。)及相關(guān)設(shè)備的投資和運行、維護費用。
(2) 提高了數(shù)據(jù)中心供電的安全可靠性.由原來兩路網(wǎng)電供電,柴油發(fā)電機備用,改為兩臺燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組一用一備,再加上兩路網(wǎng)電備用,相當(dāng)于再增加一道保險,提高了供電的安全可靠性.
(3)數(shù)據(jù)中心采用自備電廠所發(fā)的電較購買網(wǎng)電價格便宜,可降低數(shù)據(jù)中心運行成本,提高經(jīng)濟效益。
(4)兼顧調(diào)峰功能,為電網(wǎng)減少峰谷差作貢獻。由于數(shù)據(jù)中心的用電負荷是剛性的,用電高峰時,數(shù)據(jù)中心采用自備電廠所發(fā)的電,相當(dāng)于減輕了電網(wǎng)的負擔(dān),并可啟動備用燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電上網(wǎng),提供20萬kW頂峰容量,有利于減少電網(wǎng)峰谷差。
(5)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的汽輪機可采用抽汽—背壓汽輪機或背壓式汽輪機,將燃氣輪機發(fā)電后的煙氣余熱,通過溴化鋰吸收式制冷機轉(zhuǎn)化成冷量向數(shù)據(jù)中心供冷,可大大提高綜合能源利用率。空調(diào)負荷的不足部分可用自發(fā)電驅(qū)動電制冷機予以補充,部分蒸汽還可提供必須的熱負荷,自備電廠也就成了數(shù)據(jù)中心電、冷、熱三聯(lián)供的能源中心。
目前,我國的數(shù)據(jù)中心的PUE大多處于2.2~3.0之間,少數(shù)采用先進技術(shù)的數(shù)據(jù)中心的PUE為1.6左右,而世界上最先進的數(shù)據(jù)中心,即Facebook建在北極圈的數(shù)據(jù)中心的PUE僅為1.07,它充分利用了北極寒冷的氣候環(huán)境和大量的冷水資源作為天然冷源,有效地降低了用于空調(diào)制冷的用電量。上海處于夏熱冬冷地區(qū),要降低數(shù)據(jù)中心的PUE值難度極大,但是,上海有其獨特的有利條件——建有液化天然氣接收站。當(dāng)液化天然氣氣化時,將釋放大量的冷量,1 t液化天然氣釋放的冷量為19.82萬kcal?,F(xiàn)在,液化天然氣的氣化廠是利用海水加熱氣化,或在頂峰時采用天然氣燃燒直接加熱使天然氣氣化,不僅讓大量的冷量被海水帶走,而且要消耗能源,對海洋環(huán)境也帶來一定的影響。
如果將數(shù)據(jù)中心建在液化天然氣接收站和氣化廠附近,則可將液化天然氣氣化時所釋放的冷量作為冷源,提供數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷,大大為減少空調(diào)制冷的用電量,從而有效地降低PUE值。此外,還可節(jié)省數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)(包括空調(diào)機組、冷卻水泵、冷卻塔等)的投資和運行費用。
上海的液化天然氣接收站一期規(guī)模為300萬t/年,液化天然氣氣化時所產(chǎn)生的冷量(包括液化天然氣氣化時釋放的潛熱和從液化氣儲存溫度升高至環(huán)境溫度的顯熱,按830 kj/kg,即198.25 kcal/kg計。)將近6 000億kcal/年,即使利用率為50%,則為3 000億kcal/年,能滿足上海市遠期全部數(shù)據(jù)中心的空調(diào)容量。
若再將為數(shù)據(jù)中心配套、以天然氣為燃料,采用燃氣——蒸氣聯(lián)合循環(huán)機組的自備電廠建在一起,則更有利于提高綜合能源利用率,如將燃氣--蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中的汽輪機改為抽汽—凝汽式汽輪機或凝汽式汽輪機,則可利用液化天然氣氣化冷量供空調(diào)制冷后排放的水的剩余冷量加入凝汽式汽輪機的凝汽器作循環(huán)冷卻水,由于此水的水溫仍低于環(huán)境中的海水水溫,便可提高凝汽器的真空度,使汽輪機發(fā)出更多的電量,提高發(fā)電效率。由此,數(shù)據(jù)中心的PUE值有望降低至1.1~1.2,大大減輕上海這類超大型城市的能源負擔(dān),也有利于數(shù)據(jù)中心的持續(xù)發(fā)展。
鑒于上海是能源凈輸入的特大城市,又處于夏熱冬冷地區(qū),節(jié)能減排的任務(wù)很重,大量的數(shù)據(jù)中心如建在本地,導(dǎo)致從數(shù)千里之外“西電東送”的電,相當(dāng)一部分又被數(shù)據(jù)中心消耗了,為此,可考慮將數(shù)據(jù)中心建在能源基地附近和高緯度地區(qū),通過互聯(lián)網(wǎng)光纜遠程交換和儲存數(shù)據(jù)信息,既完全不會影響使用功能,并能利用當(dāng)?shù)爻渥愕哪茉春蜌夂驐l件,可有效減輕上海的能源供應(yīng)壓力和降低遠程輸電的損耗。
如前所述,數(shù)據(jù)中心如建在上海,擬建在液化天然氣接收站和氣化廠附近,就近利用液化天然氣氣化時所產(chǎn)生的冷能,以降低數(shù)據(jù)中心的空調(diào)能耗,但空調(diào)能耗僅占數(shù)據(jù)中心總能耗三成左右,它仍然是一個超級能耗大戶,對上海實現(xiàn)能耗總量控制目標(biāo)相當(dāng)不利。同時,根據(jù)中心的萬元產(chǎn)值能耗高達1.832 t標(biāo)準(zhǔn)煤,勢必影響“十三五”期間以后萬元產(chǎn)值能耗下降目標(biāo)的完成。為此,筆者建議:對上海數(shù)據(jù)中心的建設(shè)應(yīng)及早規(guī)劃研究,在滿足上?!八膫€中心”、”科技創(chuàng)新中心“和”智慧城市”要求的前提下,合理,適當(dāng)?shù)乜刂茢?shù)據(jù)中心的發(fā)展規(guī)模,并對布局進行統(tǒng)籌配置。