上海市互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心能效狀況研究

張浩 秦宏波 侯震寰

上海市能效中心

0 引言

作為新基建領(lǐng)域重要一環(huán)的數(shù)據(jù)中心近年來(lái)受到社會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注，數(shù)據(jù)中心逐年增長(zhǎng)的能耗也是對(duì)上海實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的一大挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)2019年91家數(shù)據(jù)中心填報(bào)的《上海市數(shù)據(jù)中心能源利用狀況報(bào)告表》數(shù)據(jù)的梳理，展現(xiàn)了上海市互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心用電狀況概貌，從而為相關(guān)政策的制定提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

為加強(qiáng)行業(yè)管理、規(guī)范行業(yè)發(fā)展、提升行業(yè)能效，在上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)和上海市統(tǒng)計(jì)局的指導(dǎo)下，上海市能效中心（上海市產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展促進(jìn)中心）（以下簡(jiǎn)稱“能效中心”）設(shè)計(jì)了《上海市數(shù)據(jù)中心能源利用狀況報(bào)告表》，通過(guò)企業(yè)填報(bào)表格掌握上海市互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心行業(yè)能源利用情況。整個(gè)工作分階段進(jìn)行，具體流程如下：

1）設(shè)計(jì)調(diào)查表式（2019年7-8月）；

2）編制數(shù)據(jù)中心能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表調(diào)查方案（2019年10月）；

3）確定填報(bào)單位并開展培訓(xùn)（2019年12月）；

4）企業(yè)填報(bào)（2020年1-4月）；

5）匯總結(jié)果（2020年6月）。

2 調(diào)查表設(shè)計(jì)

《上海市數(shù)據(jù)中心能源利用狀況報(bào)告表》主體分為三部分，設(shè)計(jì)思路如下。

2.1 基本情況

這一部分主要是了解數(shù)據(jù)中心所處位置、從屬關(guān)系、業(yè)務(wù)情況等信息（詳見表1）。數(shù)據(jù)中心行業(yè)特點(diǎn)之一是所屬法人、運(yùn)營(yíng)方、能源消費(fèi)結(jié)算方甚至承租方等幾個(gè)法人主體關(guān)系復(fù)雜，還有重疊情況，需要逐一厘清，是這部分主要工作。在此我們明確，數(shù)據(jù)中心所屬法人為該數(shù)據(jù)中心《增值電信業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)許可證》（業(yè)務(wù)種類含有“互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心”或者“因特網(wǎng)數(shù)據(jù)中心”）上登記的法人實(shí)體。

表1 能源利用狀況報(bào)告表之基本情況

2.2 能源消費(fèi)情況

這一部分為報(bào)表的主要信息部分，根據(jù)調(diào)研，數(shù)據(jù)中心的能源消耗主要包含電力、柴油、天然氣和汽油等，資源主要是水。電力可以進(jìn)一步細(xì)分為數(shù)據(jù)中心用電和非數(shù)據(jù)中心用電，數(shù)據(jù)中心用電又包含IT設(shè)備負(fù)載用電。統(tǒng)計(jì)周期上，可以以年為單位，亦可以以月為單位，從而體現(xiàn)能源管理的精細(xì)度（詳見表2）。

表2 能源利用狀況報(bào)告表之能源消費(fèi)情況

2.3 數(shù)據(jù)中心補(bǔ)充指標(biāo)

這一部分主要了解數(shù)據(jù)中心與用能關(guān)系密切的機(jī)架情況，包括設(shè)計(jì)總數(shù)、已建成數(shù)、上電在用數(shù)和已出租數(shù)等，從而可以計(jì)算出數(shù)據(jù)中心的上架率等指標(biāo)，對(duì)于計(jì)算負(fù)荷使用率也是必要的（詳見表3）。

表3 能源利用狀況報(bào)告表之?dāng)?shù)據(jù)中心補(bǔ)充指標(biāo)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 所有者和投運(yùn)時(shí)間分布分析

本次參與能源利用狀況報(bào)告填報(bào)的91家數(shù)據(jù)中心，占當(dāng)年上海市在冊(cè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心數(shù)量86.7%，2019年度總用電量28.81億kWh，設(shè)計(jì)機(jī)架總數(shù)為13.18萬(wàn)個(gè)。

91家數(shù)據(jù)中心中，電信、移動(dòng)、聯(lián)通三大運(yùn)營(yíng)商自有的為34家，占比37%；第三方數(shù)據(jù)中心57家，占比63%?？梢?，第三方數(shù)據(jù)中心已在上海市互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心行業(yè)中占主要地位（見圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)中心所屬法人對(duì)比

91家數(shù)據(jù)中心中，投入運(yùn)行時(shí)間小于等于3年的有20家，占比22%；大于3年、小于等于10年的有51家，占比56%；大于10年的有20家，占比22%（見圖2），其中投運(yùn)時(shí)間最早的是1993年，至今已有28年歷史。整體來(lái)看，數(shù)據(jù)中心的投運(yùn)時(shí)間分布呈現(xiàn)“兩頭小中間大”的紡錘形。

圖2 數(shù)據(jù)中心投入運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

3.2 用電量分析

3.2.1 單體數(shù)據(jù)中心用電量分布

單體建筑年用電量最大的為1.55億kWh。91家數(shù)據(jù)中心2019年用電量平均值為3 156.04萬(wàn)kWh，中位數(shù)為1 712.90萬(wàn)kWh（見圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)中心年用電量分布（從少到多排列）

3.2.2 能耗對(duì)標(biāo)

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，上海市互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心約有一半達(dá)到了年能耗5 000 tce的重點(diǎn)用能企業(yè)的能耗水平，具體分布包括：年能耗小于等于2 000 tce的有30家，占比33%；大于2 000 tce、小于等于5 000 tce的有18家，占比20%；大于5 000 tce、小于等于10 000 tce的有16家，占比17%；大于10 000 tce的有27家，占比30%。如果按綜合能耗2 000 tce、10 000 tce兩檔來(lái)劃分，數(shù)據(jù)中心落在三個(gè)區(qū)間的數(shù)量大致差不多，約各占三分之一（見圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)中心綜合能耗分布

3.2.3 用電量與建設(shè)年代相關(guān)性

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)中心用電量分布，從頭部選取20家最少的數(shù)據(jù)中心，從尾部選取20家最多的數(shù)據(jù)中心，形成兩組數(shù)據(jù)中心。從投運(yùn)年份、單機(jī)架設(shè)計(jì)功率、折合6 kW標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)、IT設(shè)備負(fù)荷使用率、PUE等5個(gè)方面來(lái)對(duì)這兩組數(shù)據(jù)中心進(jìn)行比較。

從表4可以清晰地得出如下結(jié)論：用電量少的數(shù)據(jù)中心，投運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，單機(jī)架設(shè)計(jì)功率低，機(jī)架規(guī)模小，IT設(shè)備負(fù)荷使用率低，PUE高；用電量多的數(shù)據(jù)中心，投運(yùn)時(shí)間短，單機(jī)架設(shè)計(jì)功率高，機(jī)架規(guī)模大，IT設(shè)備負(fù)荷使用率高，PUE低。

表4 用電量最少與最多的兩組數(shù)據(jù)中心比較

3.3 能效分析

3.3.1 PUE分布

從圖5可以看出，數(shù)據(jù)中心PUE分布在1.28～4.64之間，其中位數(shù)為1.59，平均值為1.67，根據(jù)用電量的加權(quán)平均值為1.5。另外，如果把這91家數(shù)據(jù)中心看作一個(gè)整體，將數(shù)據(jù)中心用電之和與IT設(shè)備用電之和相除，其PUE為1.49。

圖5 數(shù)據(jù)中心PUE分布（從低到高排列）

3.3.2 PUE影響因素分析

下面我們分別從投運(yùn)年份、折合6 kW標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架數(shù)、IT設(shè)備負(fù)荷使用率和綜合能耗等四個(gè)方面來(lái)探討影響PUE高低的因素。具體做法是：先將91家數(shù)據(jù)中心按某一方面從小到大的順序排列，然后分成數(shù)量大致相等的三組，再分別計(jì)算每組根據(jù)用電量加權(quán)的平均PUE，尋找內(nèi)在的變化規(guī)律。經(jīng)分析呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：隨著投運(yùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，PUE逐漸變高；隨著機(jī)架規(guī)模的增大，PUE逐漸變低；隨著IT設(shè)備負(fù)荷使用率的提高，PUE逐漸變低；隨著綜合能耗的升高，PUE逐漸變低。具體如圖6所示。

圖6 PUE影響因素分析

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，對(duì)上海市的能耗考核將進(jìn)一步加強(qiáng)，對(duì)于屬于新基建范疇且用能正處于上升期的數(shù)據(jù)中心行業(yè)來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步強(qiáng)化監(jiān)管是大勢(shì)所趨。今后，對(duì)于《數(shù)據(jù)中心能源利用狀況報(bào)告表》的收集、統(tǒng)計(jì)與分析工作將進(jìn)一步細(xì)化與優(yōu)化，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是形成月報(bào)制度，顆粒度進(jìn)一步細(xì)分，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題；二是建立網(wǎng)上平臺(tái)統(tǒng)一填報(bào)，增強(qiáng)規(guī)范性與便捷性；三是與市級(jí)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)相結(jié)合，各數(shù)據(jù)中心能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)，提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性與實(shí)效性。