数据中心绿色设计白皮书-2023.07-37页-WN7.pdf
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1、1数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001编号 ODCC-2023-02001数据中心绿色设计白皮书开放数据中心标准推进委员会2023-06 发布I数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001版版权权声声明明ODCC(开放数据中心委员会)发布的各项成果,受著作权法保护,编制单位共同享有著作权。转载、摘编或利用其它方式使用 ODCC成果中的文字或者观点的,应注明来源:“开放数据中心委员会 ODCC”。对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为,ODCC及有关单位将追究其法律责任,感谢各单位的配合与支持。II数据中心绿色设计白皮书OD
2、CC-2023-02001编编制制说说明明本报告由开放数据中心委员会 ODCC牵头撰写,并在撰写过程中得到了多家单位的大力支持,在此特别感谢以下参编单位:参编单位(排名不分先后):中国信息通信研究院、深圳市腾讯计算机系统有限公司、维谛技术有限公司、深圳绿色云图科技有限公司、华为技术有限公司、阿里云计算有限公司、浪潮集团有限公司、曙光信息产业股份有限公司项目经理:张一星 杨硕 III数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001前前言言随着新一代信息技术的蓬勃发展与广泛应用,数字产业的赋能作用进一步凸显,数据中心作为数字经济“底座”,在经济社会发展中扮演着至关重要的角色。截至 2022 年
3、底,我国在用数据中心机架总规模超过 650 万架,能耗总量达 1300 亿千瓦时。在“碳达峰碳中和”大背景下,我国正积极推动引导数据中心均衡布局、高效节能发展,工信部、发改委等部门发布新型数据中心发展三年行动计划、贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和 5G 等新型基础设施绿色高质量发展实施方案等多项政策,提出到 2025 年,全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到 1.3 以下,国家枢纽节点进一步降到 1.25 以下,绿色低碳等级达到 4A 级以上。绿色设计对于从源头上构建数据中心绿色产业生态,引导数据中心产业绿色发展方向具有重大意义。本白皮书梳理了全球及我国数据中心机架规模和
4、 PUE 水平,从国家和地方层面分析了数据中心绿色节能政策和已发布的数据中心能效标准,指出了数据中心绿色发展面临的诸多挑战。本白皮书详细阐述了数据中心绿色设计的理念和基本要素,总结了数据中心 IT 设备、供电系统、制冷系统、监控系统的绿色设计先进技术和方案,并给出了数据中心绿色设计优秀案例。相关技术和方案将为数据中心在建设、运行、改造的全生命周期采用绿色设计提供参考,促进数据中心产业整体绿色低碳高质量发展。由于时间仓促,水平所限,错误和不足之处在所难免,欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系 。IV数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001内内容容概概览览1.全球新增数据中心规模
5、稳定,伴随数据中心节能改造建设的边际效益递减和数据中心能效改善效果不佳,全球数据中心 PUE 呈现小幅波动总体缓慢下降趋势。国内外互联网巨头持续探索数据中心绿色节能技术,部分超大型数据中心 PUE 接近极限值。2.我国数据中心总体规模持续增长,大型规模及以上数据中心成为增长主力,数据中心能耗总量与碳排放规模体量不容忽视。我国高度重视数据中心绿色发展,国家和地方层面均出台了一系列指导意见和工作方案,引导数据中心布局均衡和绿色低碳发展。3.我国数据中心产业在能耗方面面临诸多挑战,如老旧小数据中心能效管理水平低、新建数据中心绿色节能技术应用不佳、现有数据中心能耗监测系统不健全等,且当前针对数据中心节
6、能新技术的相关标准仍不完善。为帮助数据中心产业从源头上构建绿色生态,白皮书给出了数据中心绿色设计的定义与内涵,引导数据中心在设计阶段综合考虑各类资源能效指标,达到资源支出成本最低、碳排放量最少、对环境影响最小。4.数据中心绿色设计包含单系统绿色设计、环境与能源耦合绿色设计、风火水电与 IT 系统耦合绿色设计三个层次,针对 IT 设备、供电系统、制冷系统、监控系统等不同维度的多样化绿色设计先进技术方案,可有效帮助数据中心实现全生命周期节能降耗和绿色低碳。5.PUE 值是当前评价数据中心绿色设计方案是否先进有效的核心指标,为促进产业各方实践应用绿色设计方案,用低 PUE 创造高效算力,白皮书给出了
7、腾讯、维谛、网宿&绿色云图、华为等企业的优秀数据中心 PUE 设计方案,对推进数据中心产业整体绿色高质量发展提供有益借鉴。V数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001目目录录版权声明.I编制说明.II前言.III内容概览.IV图 目 录.1表 目 录.1一、数据中心绿色设计发展背景.21.数据中心能耗现状.22.数据中心能耗政策标准分析.53.数据中心绿色发展面临的挑战.9二、数据中心绿色设计的理念和基本要素.111.数据中心绿色设计.112.绿色设计理念.123.绿色设计原则.124.绿色设计目标.12三、数据中心绿色设计先进技术和方案.131.IT 设备.132.供电系统.173
8、.制冷系统.204.监控系统.26VI数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001四、数据中心绿色设计优秀案例.271.腾讯仪征数据中心设计 PUE 方案.272.维谛广州数据中心设计 PUE 方案.273.网宿&绿色云图上海数据中心设计 PUE 方案.284.华为贵州数据中心设计 PUE 方案.281数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001图图 目目 录录图 1 全球服务器年增加量(兆瓦).2图 2 全球互联网巨头数据中心运行 PUE 水平接近极限值.3图 3 我国数据中心机架规模.4图 4 我国超大型、大型数据中心能效情况.4图 5 我国数据中心耗电量(亿千瓦时).5图
9、 6 CPU 冷板和 GPU 冷板.14图 7 IT 机柜的演进.17表表 目目 录录表 1 数据中心能效等级指标.9表 2 风冷、水冷、蒸发冷却、新型氟泵系统、液冷系统对比.242数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001一一、数数据据中中心心绿绿色色设设计计发发展展背背景景1 1.数数据据中中心心能能耗耗现现状状1 1)全全球球发发展展现现状状全球数据中心新增相对稳定。按照全球服务器年增加量统计,2015 年-2021 年全球年新增投入使用服务器规模相对稳定,净增加值也相对稳定,预计未来几年数据中心规模仍将保持平稳增长,具体见图 1。来源:Gartner、中国信息通信研究院图 1
10、 全球服务器年增加量(兆瓦)2006 年开始,随着互联网快速发展,全球数据中心规模高速增长,数据中心能耗与日俱增。封闭冷热通道、提高出风温度、优化供配电设备效率、充分利用自然冷源等绿色节能技术不断推广应用,数据中心能效管理从粗犷发展进入精细管理,全球数据中心总体能效水平快速提高,平均 PUE 从 2.7 降低到2013 年的 1.8 左右,呈现快速下降趋势。2014 年以来,全球数据中心 PUE 呈现小幅波动总体缓慢下降的趋势,一方面数据中心节能改造与建设的边际效益逐步降低,进一步提高能效需要投入更多成本,另一方面,部分传统数据中心负载率不高、绿色管理不到位等造成数据中心能效改善效果不明显,2
11、021 年全球数据中心平均 PUE 约 1.57。3数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001互联网巨头仍坚持探索数据中心绿色节能新技术,新建数据中心 PUE 基本在 1.4 以下,部分超大型数据中心接近极限 PUE,Facebook 美国 Prineville 数据中心 PUE 低于 1.08,谷歌 Berkeley 数据中心年均 PUE 达到 1.111,百度云计算(阳泉)中心 1#模组 PUE 达 1.08,阿里巴巴浙江云计算仁和数据中心 PUE 达1.09。未来随着中小数据中心整合改造和大型化数据中心建设趋势,全球数据中心平均 PUE 预计将进一步降低。同时,谷歌、苹果等公司
12、已通过购买可再生能源证书(Renewable Energy Certificate)的方式实现所有数据中心采用100%可再生能源,进一步降低了数据中心碳排放。来源:互联网资料整理、开放数据中心委员会 ODCC图 2 全球互联网巨头数据中心运行 PUE 水平接近极限值2 2)国国内内发发展展情情况况根据信通院最新统计数据,我国数据中心机架规模平稳增长,大型以上数据中心成为增长主力。据统计,2013 年以来,我国数据中心总体规模快速增长,截至到 2022 年底,我国在用数据中心机架总规模超过 650 万架,近 5 年年均复合增速超过 30%,算力总规模为 180EFLOPS(FP32),算力规模排
13、名全球第二。1数据来源:企业官网 https:/ https:/4数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001其中,大型以上数据中心机架规模增长较快,按照标准机架 2.5kW 统计,机架规模超 540 万架,占比超 80%。来源:中国信息通信研究院图 3 我国数据中心机架规模截至 2022 年底,全国在用超大型数据中心平均 PUE 为 1.36,大型数据中心平均 PUE 为 1.42,最优水平达到 1.02。全国规划在建数据中心平均设计 PUE为 1.32 左右,超大型、大型数据中心的平均设计 PUE 分别为 1.28、1.29。来源:中国信息通信研究院图 4 我国超大型、大型数据中心
14、能效情况5数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-020012021 年我国数据中心能耗总量为 1116 亿千瓦时,碳排放量超过 7000 万吨。2022 年我国数据中心能耗总量 1300 亿千瓦时,同比增长 16%,预计到 2030 年,能耗总量将达到约 3800 亿千瓦时。若不使用绿色能源,碳排放总量将突破 2 亿吨,约占全国总碳排放量的 2%。来源:中国信息通信研究院图 5 我国数据中心耗电量(亿千瓦时)2 2.数数据据中中心心能能耗耗政政策策标标准准分分析析1 1)政政策策分分析析我国积极推动引导数据中心布局均衡、绿色低碳发展,从国家到地方发布了一系列关于数据中心高效节能的政策文件。
15、(1 1)国国家家层层面面政政策策国家层面高度重视数据中心行业绿色发展,近十年来发布了一系列相关指导意见和工作方案。2013 年,工信部等发布关于数据中心建设布局的指导意6数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001见,引导大型、超大型数据中心优先在中西部等一类、二类地区建设。2017年,工信部发布关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见,提出到十三五末期,新建大型、超大型数据中心的 PUE 值达到 1.4 以下。工信部联合国管局、国家能源局于 2019 年 2 月发布关于加强绿色数据中心建设的指导意见,再次提出到 2022 年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型
16、、超大型数据中心的 PUE 达到 1.4 以下。为落实国务院“十三五”节能减排综合工作方案,推动数据中心的节能减排,国家发改委联合工信部等七部委于 2019 年 6 月发布绿色高效制冷行动方案,提出“加快制定数据中心能效标准,实施数据中心制冷系统能效提升工程”。2020 年 7 月,工信部等六部门联合组织开展国家绿色数据中心推荐,选择一批能效水平高、技术先进、管理完善、代表性强的数据中心进行推荐,引导数据中心完善 PUE、WUE 的监测与管理,加大绿色技术、绿色产品、清洁能源的使用,进一步提高能源资源利用效率。近年来,为贯彻落实网络强国、数字中国、国家大数据和碳达峰碳中和战略,国家不断强调数据
17、中心绿色高质量发展的重要性。2020 年 12 月,国家发展改革委等四部委联合发布关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见,提出加强全国一体化大数据中心顶层设计,再次要求“加快制定数据中心能源效率国家标准”,提出“到 2025 年,大型、超大型数据中心运行电能利用效率降到 1.3 以下”。2021 年,“十四五”规划和 2035 远景目标中指出“推动 5G、大数据中心等新兴领域能效提升”。2021 年 5 月,国家发展改革委等四部委发布全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案,提出“在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝,以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等地布局建设全国一体化算
18、力网络国家枢纽节点,发展数据中心集群,引导数据中心集约化、规模化、绿色化发展”。2021 年 11 月,国家发改委等四部门发布贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和 5G 等新型基础设施绿色高质量发展实施方案提出“到 2025 年,数据中心和 5G 基本形成绿色集约的一体化运行格局。数据中心运行电能利用效率和可再生能源利用率明显提升,全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到 1.3 以下,国家枢纽节点进一步降到 1.25 以下,绿色低碳等级达到 4A 级以上。”7数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001(2 2)地地方方层层面面政政策策热点地区筑高建设门槛控新增,强化技
19、术引导提能效。一线城市业务需求旺盛但电力资源紧张,受能耗指标、用地、用电审批限制,批复难、建设难、扩容难,供给不足、供不应求。各地相继出台政策以缓解供给侧的结构性矛盾,规避旺盛需求刺激下数据中心“粗制滥造”建设的风险。2018 年,北京市更新北京市新增产业的禁止和限制目录;2020 年 6 月,北京市发布关于加快培育壮大新业态新模式促进北京经济高质量发展的若干意见及北京市加快新型基础设施建设行动方案(2020-2022 年);2021年 4 月,北京市数据中心统筹发展实施方案(2021-2023 年)提出“新建云数据中心 PUE 不应高于 1.3”,并相继发布北京市发展和改革委员会关于进一步加
20、强数据中心项目节能审查的若干规定(征求意见稿)、北京市发展和改革委员会 北京市经济和信息化局关于印发北京市低效数据中心综合治理工作方案的通知,持续加强数据中心能效治理。上海市接连发布上海市推进新一代信息基础设施建设助力提升城市能级和核心竞争力三年行动计划(2018-2020 年)、关于加强上海互联网数据中心统筹建设的指导意见、上海市互联网数据中心建设导则(2019 版)、上海市互联网数据中心建设导则(2021 版);2020 年发布数据中心能源消耗限额强制性地方标准,对数据中心能耗提出限制要求;2022 年 6 月,上海市经济信息化委、上海市发展改革委联合发布关于推进本市数据中心健康有序发展的
21、实施意见,提出“加速升级改造小散老旧数据中心,加快数据中心绿色节能发展”;上海市通信管理局发布新型数据中心“算力浦江”行动计划(2022-2024 年)的通知,要求“新建大型及以上数据中心应达到绿色数据中心评估要求,绿色低碳等级达到 4A 级以上,提升绿色能源利用水平,加快“小散老旧”数据中心改造升级”。深圳市发布深圳市发展和改革委员会关于数据中心节能审查有关事项的通知,要求数据中心重点用能单位应建设能耗在线监测系统,按要求接入广东省重点用能单位能耗监测平台。广东省发布广东省 5G 基站和数据中心总体布局规划(2021-2025 年)。8数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001热点
22、周边地区谋划提升引需求,提高服务能力接外溢。为缓解热点地区数据中心供不应求的结构性问题,河北、天津、内蒙古、江苏、广东等热点周边地区纷纷出台政策激励数据中心快速发展,着力培育、提升承接热点地区外溢需求的能力。河北省 2020 年 3 月发布关于加强重大项目谋划储备的指导意见,围绕绿色循环低碳发展谋划项目为重要组成部分;2020 年 10 月发布关于支持数字经济加快发展的若干政策,提出“降低数字基础设施运营成本,优先支持数据中心参加电力直接交易,鼓励可再生能源电力和火电打捆与数据中心开展交易”;2021 年 12 月,河北省发布信息化与工业化深度融合发展“十四五”规划,提出“建设形成张家口、承德
23、两个低时延数据中心核心区和廊坊、保定等若干数据中心集聚区,推进雄安城市计算(超算云)中心建设。”。天津市 2019 年 10 月发布促进数字经济发展行动方案(20192023 年);2021年 8 月,天津市加快数字化发展三年行动方案(20212023 年)要求“统筹规划超大新型绿色数据中心建设”。内蒙古自治区 2020 年 1 月发布内蒙古自治区人民政府关于推进数字经济发展的意见。2021 年 11 月,内蒙古自治区人民政府办公厅关于印发自治区“十四五”工业和信息化发展规划的通知要求“到 2025 年,全区大型数据中心平均 PUE 值降至 1.3 以下,寒冷及极寒地区力争降到 1.25 以下
24、。”。江苏省 2020 年 5 月出台关于加快新型信息基础设施建设扩大信息消费若干政策措施的通知;2021 年 8 月,江苏省“十四五”数字经济发展规划要求“构建绿色高效的算力基础设施”。中西部地区鼓励找准定位促发展。西部地区能源充足、气候适宜,但距离热点地区用户较远,部分省份数据中心供大于求。青海省 2018 年 3 月出台关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的实施意见,指出要培育和打造立足本省、面向全国的云计算数据中心与灾备中心;2020 年 5 月,青海省人民政府办公厅关于加快推动 5G 产业发展的实施意见要求“推进区域数据中心建设”。甘肃省 2019 年 11 月出台关于支持丝
25、绸之路信息港建设的意见,提出建设物理分散、逻辑统一的信息港绿色云数据中心集群;2021 年 9 月,甘肃省“十四五”数字经济创新发展规9数据中心绿色设计白皮书ODCC-2023-02001划提出“引导传统数据中心升级改造,向规模化、集约化、智能化、绿色化方向布局发展”。湖北省 2020 年 4 月出台关于加快推进重大项目建设着力扩大有效投资的若干意见,鼓励投资谋划一批大数据中心;2021 年 11 月,湖北省数字经济发展“十四五”规划提出“推动大数据中心绿色化发展,加快新一代绿色数据中心节能技术应用”。江西省 2020 年 4 月出台数字经济发展三年行动计划(2020-2022 年),强调加快
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