4月21日,一场别开生面的主题为“聚光·奔赴”的数据中心行业大会圆满落下帷幕。由中国通信工业协会数据中心委员会指导,中国IDC圈与世纪互联共同主办的“2022年第二届中国IDC行业Discovery大会”在线上成功召开。会议聚焦国家“双碳”目标、“东数西算”工程等议题,多位重量级嘉宾汇聚一堂,共同探讨IDC行业的发展蓝图。北京理工大学副教授王永真出席大会,并发表精彩演讲。

王永真

北京理工大学副教授王永真

以下为演讲实录:

各位来自数据中心行业,产业界和学术界的朋友们大家好,我是来自北京理工大学的王永真。我今天分享的题目是《三网协同赋能数据中心能效治理》,这里的三网协同就是电力网、算力网和热力网的协同。

到底什么是三网协同?首先把我的汇报分为两个篇章。第一章是要说明为什么我们要去做数据中心的能效治理,第二篇是我们要用什么样的方式实现新时代数据中心的能效治理。

上篇其实想阐述三个观点:第一个,现在的社会是数字化的时代,数字化为代表的科技革命加速推动了人类生活方式,生产方式和思维方式的变革。有句俗话说,现在谁有一个大数据的池子,谁有了大数据的算力,谁就能成为新科技革命的一个策源地。再来说,数字经济将推动人类经济形态由工业经济向信息经济的形态转变,就是数字的产业化和产业的数字化两个部分。从2018年的数据看,数字经济的规模已经占到我们GDP比重的35%左右,这些数字经济的GDP会将产生非常多海量的数据,这些数据需要传递、需要展示、需要计算和存储,需要数据中心承担越来越重要的底座作用。

数据中心现在在政府层面,已经站上了很大的风口,举个最显明的例子就是新基建。新基建,我们数据中心是七大领域之一。还有个东数西算,最近才开始的,全面启动国家的东数西算工程。再凝练一下,就是我们要把它当成一种生产要素,对于数据这种生产要素,数据中心更是一种新的生产力。但是我们发现了一些问题,就是能耗的问题。我们发现2018年数据中心的能耗已经相当于上海市能耗,甚至还要多一些。随着我们未来基架数量呈现指数级的增长,以及数字化技术的全面普及,数据中心的能耗占比占到全国能耗的比例,可能不难想象。实际上我们也算了一个简单的假设,区块链作为数字化技术的典型代表,我们不难发现,如果10%的数据按照以太坊的模式上链的话,为了安全,为了更扁平化、去中心化,数据中心的总能耗在2023年将占到全社会电力消费总量的8.8%,实际上是非常可怕的,关系到我们碳中和的实现。

最后再来一个小小的总结,我们不难发现数据中心已经悄悄地成为了一个无烟囱的“电老虎”,它比很多电厂,比很多工厂的电耗会更大。它其实也成为了我国现阶段高效低碳转型的典型场景,关系到我们未来碳达峰和碳中和愿景的实现。

既然如此,我们一般做研究的,来自于高校的一般会做自下而上的研究,关于数据中心的研究。从全球范围看,我们发现数据中心研究的热点、研究文章,关于能效方面的比例已经在近十年超过了50%,而且呈现了一个连续不断提升过程。我们再看其中数据中心的研究热点,包括了绿色计算、能源利用、云计算以及能效等关键词。实际上我作为数据中心能效的研究者之一,我们倡导的理念与方法非常多,作为能效治理,我这里想分享三点:第一个就是能量守恒的一个观点,去做一个产销型的数据中心;第二点就是梯级利用的方式构建这种分布式综合能源系统、数据中心的新模式。还有最后一点就是通过我们三网协同的理念,打造一个源网荷时空互动的数据中心的新愿景。

先分享第一点,我们知道凡事都遵循能量守恒第一定律、第二定律,我们的数据中心固然如此。在消耗电力的同时完成了有效的计算,完成了很多计算任务。同时根据这种能量守恒我们发现数据中心需要大量的制冷设备,去把它的散热排放出来,当然了散热设备就是靠电制冷机驱动的。电制冷机的运行成本,我们发现占到了数据中心40%左右的电耗运行成本。因此我们发现这种散热,如果不是直接排到了外界,而是能够加以利用。比如说这些散热有多大的温度,有多少量?我们发现微处理器、逆变器、存储器等,它的余热散热温度达到了80、85摄氏度,甚至更高的一些比例。随着液冷技术的应用和普及温度会更高,当然它的比例也是更高的,当然也有一些更低温度的,比如说二三十度的散热,这些温度到底能不能被利用,其实答案是有的。

在我们的能源动力领域,中低品位这个词他们就属于中低品位的能源,这种回收利用技术,比如说高效的发热器,还有高效的热泵,甚至我们未来用这些电能去驱动吸收制冷,驱动余热发电都是有可能的。我们举一个简单的例子,在北欧这些国家他们很早就用了一个数据中心,用热泵来回收数据中心的余热,当然回收的技术路线各有差异,我们天津也做了一些应用示范。实际上我们来推算的话,如果这种余热方式在我国的北方加以大面积的推广,可以实现三亿平米左右的建筑供暖,它节约的供暖费和节省的碳排放是非常可观的。

同时还有一个非常有趣的事情,就是大家都在讲PUE值,实际上通过电能量的PUE我们发现永远是大于一的,但是如果我们把余热回收的效益算进去,这个PUE值从经济上讲,有可能在某时某刻,通过技术手段PUE值竟然能小于1,所以未来PUE值也是值得探讨的非常重要的观点。实际上我们想倡导的就是在传统视角下,数据中心就是一个电力能源的电老虎,是消费者,但是我们新的视角,系统视角,如果利用这些余热回收技术,低品位的余热回收技术,我们打造了一个什么样的视角呢?就是能源互联网现在经常谈的产销者的视角。产销者的视角不仅仅是上面的一些技术和应用场景,还涉及到非常多的能量调控、电工况运行、设备之间热电调比的很多事情,我们也继续解决这些科学问题,实现更好的能效回收。

第二个想分享的方法就是梯级利用,实际上我们可以再看数据中心能效的特点,它实际上有四个特点。第一个,我们知道数据中心能效强度实际上比常规的办公大楼等等高到数十倍甚至百倍以上。第二个,它的制冷负荷是非常大的,能效也非常高。第三个,是两个推出来的,我们讲热电比,我们发现数据中心的制冷负荷和它的电负荷全年相对来说是比较稳定的。第四个,数据中心我们需要高可靠性、安全性的能源供应,去保证。

基于上述的特点我们发现数据中心负荷的特性,和能源利用领域的分布式能源系统,特别是分布式的总能系统的理念是非常匹配的,所以我们称之为天生一对,一个供一个用,它俩是最匹配的。怎么讲?我们想构建的是利用氢能、天然气以及其他风光能源,按照能量梯级利用的原则,按照我们温度对口、按需供应的原则,去构建一个考虑数据中心电能、冷量以及周边用户的一个冷热电联供的设备,这种设备、这种系统同时也是分布式的综合能源系统,这种综合能源系统有什么好处呢?第一个它的能量效率会更高,第二个经济设备效益会更好,但是要实现这种经济效益和能量的综合能源率更高,首先面临的第一个问题就是如何实现这么多设备1+1>2,真正的1+1>2需要充分挖掘设备的能效运行潜力等,所以我们通过混合整数非线性规划的方法去解决了一些,开发了一些算法,去解决了一些问题,我们首先能得到哪种设备在规划阶段它的配置容量对于数据中心来说是最合适的。

其实除了这个之后我们还想得到另外一个观点,就是这些设备在全年每时刻供冷、供热、供电,甚至电热藕荷运行在什么负荷率下会更经济,同时还要考虑它的启停,还要考虑能源价格,以及负荷的波动,甚至我们未来的负荷响应,这是未来有待研究的。

所以说总结一下,这种通过分布式的综合能源系统去打造一个上游、中游和下游能够互动的,三方互动的、积极去中心的能源系统,最后能实现双赢的,但双赢确实建立在很多条件之下,当然也是一种方法。

最后想分享的是三网协同的一个数据最新的新愿景,怎么讲?我们知道数据中心的负荷一般分为即时的交互负荷,同时还有大量的不即时交付的,我们称之为非实时的负荷或叫延时负荷,这种批处理的负荷实际上我们有一定的时间差,这种时间差我们就可以根据我们电力的价格,能源的价格以及风光的波动性,甚至我们用户时间的差,我们去做三个事情。

第一个,我们把批处理的负荷通过时间转移在同一个处理器上。第二个,我们把不同处理器能耗的曲线拿出来,我们去做空间转移。第三个,我们还可以做时空的转移,就是说时间和空间上大面积的,如果是云计算中心可以转移的话,我们是可以转移的,实际上就从系统的观点可以得到一个系统的最优。

因此为了搞清楚这个符合转移的一个空间和影响,我们做了一点小研究,就是说我们以数据中心的运行费用最小为目标,我们看了在供暖期、非供暖期的一个复合转移对设备运行工况以及效益的影响,我们发现有几个重要的因素:第一个就是计算任务的截止时间,以及到达数据中心的任务类别的构成,还有风光机组的出力以及能源价格等等这些因素,对于数据中心的负荷转移会产生较大的影响。因此我们在想数据中心既然是一个载体,载体周边实际上是要靠电力来输送的,有一个电力网络,那么我们的电力网络周边其实有很多热力网络,伴随着算力的网络,不是一台数据中心或者一台服务器,那么三层网络的架构,上中下三层,我们的电力网、算力网和热力网在符合转移的思路下能不能耦合在一起,形成一种三网协同的新型的能源系统?

这种能源系统中电力网、热力网和算力网的时间常数是不一样的,自身的惯性以及等价模型也是不一样的。因此我们经常使用物理驱动和数据驱动方法实现这种新型的能源系统,电力、热力和算力应该在规划的时候是什么样?调度的时候是什么样?怎么来协同?因此我们的未来的研究,也想在以下三个方面去做尝试:第一个如何去架构一种更新型的、更适合的能量转换系统,适合数据中心的三网协同。

第二个如何去评价三网协同的数据中心能源系统,它的尺度可以是一个国家层面的,也可以是一个局域层面的,它的能量经济和环境的效益,以前经常谈的PUE现在不谈了,现在该谈什么呢?是不是一个可持续的能值理论呢?数据中心服务于我们的能源经济建设,最后我们要把这种问题量化求解出来,甚至基于优化的求解。我们要考虑一个高可靠性的、考虑设备启停的一个双层的规划,去应对未来风光大力供应数据中心能源系统时候的不确定性。

最关键的问题就是刚才说的我们电力和算热力的一个等值模型的建立。三网协同是一个非常大的愿景和挑战,需要很多技术去融合。最后我有几句话想凝练一下,三网融合实际上倡导理念就是跨界创新,这种跨界创新如果再聚焦一下,就是数字化的精神和思维协同起来,共享起来,共同去支撑数字经济的可持续发展。

本次大会的主题是聚光奔赴,我的理解是汇聚世纪之源,共创互联之光,那么最后预祝大会圆满举办,谢谢。

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