王永真：三網(wǎng)協(xié)同賦能數據中心能效治理

4月21日，一場(chǎng)別開(kāi)生面的主題為“聚光·奔赴”的數據中心行業(yè)大會(huì )圓滿(mǎn)落下帷幕。由中國通信工業(yè)協(xié)會(huì )數據中心委員會(huì )指導，中國IDC圈與世紀互聯(lián)共同主辦的“2022年第二屆中國IDC行業(yè)Discovery大會(huì )”在線(xiàn)上成功召開(kāi)。會(huì )議聚焦國家“雙碳”目標、“東數西算”工程等議題，多位重量級嘉賓匯聚一堂，共同探討IDC行業(yè)的發(fā)展藍圖。北京理工大學(xué)副教授王永真出席大會(huì )，并發(fā)表精彩演講。

北京理工大學(xué)副教授王永真

以下為演講實(shí)錄：

各位來(lái)自數據中心行業(yè)，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的朋友們大家好，我是來(lái)自北京理工大學(xué)的王永真。我今天分享的題目是《三網(wǎng)協(xié)同賦能數據中心能效治理》，這里的三網(wǎng)協(xié)同就是電力網(wǎng)、算力網(wǎng)和熱力網(wǎng)的協(xié)同。

到底什么是三網(wǎng)協(xié)同？首先把我的匯報分為兩個(gè)篇章。第一章是要說(shuō)明為什么我們要去做數據中心的能效治理，第二篇是我們要用什么樣的方式實(shí)現新時(shí)代數據中心的能效治理。

上篇其實(shí)想闡述三個(gè)觀(guān)點(diǎn)：第一個(gè)，現在的社會(huì )是數字化的時(shí)代，數字化為代表的科技革命加速推動(dòng)了人類(lèi)生活方式，生產(chǎn)方式和思維方式的變革。有句俗話(huà)說(shuō)，現在誰(shuí)有一個(gè)大數據的池子，誰(shuí)有了大數據的算力，誰(shuí)就能成為新科技革命的一個(gè)策源地。再來(lái)說(shuō)，數字經(jīng)濟將推動(dòng)人類(lèi)經(jīng)濟形態(tài)由工業(yè)經(jīng)濟向信息經(jīng)濟的形態(tài)轉變，就是數字的產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)的數字化兩個(gè)部分。從2018年的數據看，數字經(jīng)濟的規模已經(jīng)占到我們GDP比重的35%左右，這些數字經(jīng)濟的GDP會(huì )將產(chǎn)生非常多海量的數據，這些數據需要傳遞、需要展示、需要計算和存儲，需要數據中心承擔越來(lái)越重要的底座作用。

數據中心現在在政府層面，已經(jīng)站上了很大的風(fēng)口，舉個(gè)最顯明的例子就是新基建。新基建，我們數據中心是七大領(lǐng)域之一。還有個(gè)東數西算，最近才開(kāi)始的，全面啟動(dòng)國家的東數西算工程。再凝練一下，就是我們要把它當成一種生產(chǎn)要素，對于數據這種生產(chǎn)要素，數據中心更是一種新的生產(chǎn)力。但是我們發(fā)現了一些問(wèn)題，就是能耗的問(wèn)題。我們發(fā)現2018年數據中心的能耗已經(jīng)相當于上海市能耗，甚至還要多一些。隨著(zhù)我們未來(lái)基架數量呈現指數級的增長(cháng)，以及數字化技術(shù)的全面普及，數據中心的能耗占比占到全國能耗的比例，可能不難想象。實(shí)際上我們也算了一個(gè)簡(jiǎn)單的假設，區塊鏈作為數字化技術(shù)的典型代表，我們不難發(fā)現，如果10%的數據按照以太坊的模式上鏈的話(huà)，為了安全，為了更扁平化、去中心化，數據中心的總能耗在2023年將占到全社會(huì )電力消費總量的8.8%，實(shí)際上是非?？膳碌?，關(guān)系到我們碳中和的實(shí)現。

最后再來(lái)一個(gè)小小的總結，我們不難發(fā)現數據中心已經(jīng)悄悄地成為了一個(gè)無(wú)煙囪的“電老虎”，它比很多電廠(chǎng)，比很多工廠(chǎng)的電耗會(huì )更大。它其實(shí)也成為了我國現階段高效低碳轉型的典型場(chǎng)景，關(guān)系到我們未來(lái)碳達峰和碳中和愿景的實(shí)現。

既然如此，我們一般做研究的，來(lái)自于高校的一般會(huì )做自下而上的研究，關(guān)于數據中心的研究。從全球范圍看，我們發(fā)現數據中心研究的熱點(diǎn)、研究文章，關(guān)于能效方面的比例已經(jīng)在近十年超過(guò)了50%，而且呈現了一個(gè)連續不斷提升過(guò)程。我們再看其中數據中心的研究熱點(diǎn)，包括了綠色計算、能源利用、云計算以及能效等關(guān)鍵詞。實(shí)際上我作為數據中心能效的研究者之一，我們倡導的理念與方法非常多，作為能效治理，我這里想分享三點(diǎn)：第一個(gè)就是能量守恒的一個(gè)觀(guān)點(diǎn)，去做一個(gè)產(chǎn)銷(xiāo)型的數據中心；第二點(diǎn)就是梯級利用的方式構建這種分布式綜合能源系統、數據中心的新模式。還有最后一點(diǎn)就是通過(guò)我們三網(wǎng)協(xié)同的理念，打造一個(gè)源網(wǎng)荷時(shí)空互動(dòng)的數據中心的新愿景。

先分享第一點(diǎn)，我們知道凡事都遵循能量守恒第一定律、第二定律，我們的數據中心固然如此。在消耗電力的同時(shí)完成了有效的計算，完成了很多計算任務(wù)。同時(shí)根據這種能量守恒我們發(fā)現數據中心需要大量的制冷設備，去把它的散熱排放出來(lái)，當然了散熱設備就是靠電制冷機驅動(dòng)的。電制冷機的運行成本，我們發(fā)現占到了數據中心40%左右的電耗運行成本。因此我們發(fā)現這種散熱，如果不是直接排到了外界，而是能夠加以利用。比如說(shuō)這些散熱有多大的溫度，有多少量？我們發(fā)現微處理器、逆變器、存儲器等，它的余熱散熱溫度達到了80、85攝氏度，甚至更高的一些比例。隨著(zhù)液冷技術(shù)的應用和普及溫度會(huì )更高，當然它的比例也是更高的，當然也有一些更低溫度的，比如說(shuō)二三十度的散熱，這些溫度到底能不能被利用，其實(shí)答案是有的。

在我們的能源動(dòng)力領(lǐng)域，中低品位這個(gè)詞他們就屬于中低品位的能源，這種回收利用技術(shù)，比如說(shuō)高效的發(fā)熱器，還有高效的熱泵，甚至我們未來(lái)用這些電能去驅動(dòng)吸收制冷，驅動(dòng)余熱發(fā)電都是有可能的。我們舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在北歐這些國家他們很早就用了一個(gè)數據中心，用熱泵來(lái)回收數據中心的余熱，當然回收的技術(shù)路線(xiàn)各有差異，我們天津也做了一些應用示范。實(shí)際上我們來(lái)推算的話(huà)，如果這種余熱方式在我國的北方加以大面積的推廣，可以實(shí)現三億平米左右的建筑供暖，它節約的供暖費和節省的碳排放是非?？捎^(guān)的。

同時(shí)還有一個(gè)非常有趣的事情，就是大家都在講PUE值，實(shí)際上通過(guò)電能量的PUE我們發(fā)現永遠是大于一的，但是如果我們把余熱回收的效益算進(jìn)去，這個(gè)PUE值從經(jīng)濟上講，有可能在某時(shí)某刻，通過(guò)技術(shù)手段PUE值竟然能小于1，所以未來(lái)PUE值也是值得探討的非常重要的觀(guān)點(diǎn)。實(shí)際上我們想倡導的就是在傳統視角下，數據中心就是一個(gè)電力能源的電老虎，是消費者，但是我們新的視角，系統視角，如果利用這些余熱回收技術(shù)，低品位的余熱回收技術(shù)，我們打造了一個(gè)什么樣的視角呢？就是能源互聯(lián)網(wǎng)現在經(jīng)常談的產(chǎn)銷(xiāo)者的視角。產(chǎn)銷(xiāo)者的視角不僅僅是上面的一些技術(shù)和應用場(chǎng)景，還涉及到非常多的能量調控、電工況運行、設備之間熱電調比的很多事情，我們也繼續解決這些科學(xué)問(wèn)題，實(shí)現更好的能效回收。

第二個(gè)想分享的方法就是梯級利用，實(shí)際上我們可以再看數據中心能效的特點(diǎn)，它實(shí)際上有四個(gè)特點(diǎn)。第一個(gè)，我們知道數據中心能效強度實(shí)際上比常規的辦公大樓等等高到數十倍甚至百倍以上。第二個(gè)，它的制冷負荷是非常大的，能效也非常高。第三個(gè)，是兩個(gè)推出來(lái)的，我們講熱電比，我們發(fā)現數據中心的制冷負荷和它的電負荷全年相對來(lái)說(shuō)是比較穩定的。第四個(gè)，數據中心我們需要高可靠性、安全性的能源供應，去保證。

基于上述的特點(diǎn)我們發(fā)現數據中心負荷的特性，和能源利用領(lǐng)域的分布式能源系統，特別是分布式的總能系統的理念是非常匹配的，所以我們稱(chēng)之為天生一對，一個(gè)供一個(gè)用，它倆是最匹配的。怎么講？我們想構建的是利用氫能、天然氣以及其他風(fēng)光能源，按照能量梯級利用的原則，按照我們溫度對口、按需供應的原則，去構建一個(gè)考慮數據中心電能、冷量以及周邊用戶(hù)的一個(gè)冷熱電聯(lián)供的設備，這種設備、這種系統同時(shí)也是分布式的綜合能源系統，這種綜合能源系統有什么好處呢？第一個(gè)它的能量效率會(huì )更高，第二個(gè)經(jīng)濟設備效益會(huì )更好，但是要實(shí)現這種經(jīng)濟效益和能量的綜合能源率更高，首先面臨的第一個(gè)問(wèn)題就是如何實(shí)現這么多設備1 1>2，真正的1 1>2需要充分挖掘設備的能效運行潛力等，所以我們通過(guò)混合整數非線(xiàn)性規劃的方法去解決了一些，開(kāi)發(fā)了一些算法，去解決了一些問(wèn)題，我們首先能得到哪種設備在規劃階段它的配置容量對于數據中心來(lái)說(shuō)是最合適的。

其實(shí)除了這個(gè)之后我們還想得到另外一個(gè)觀(guān)點(diǎn)，就是這些設備在全年每時(shí)刻供冷、供熱、供電，甚至電熱藕荷運行在什么負荷率下會(huì )更經(jīng)濟，同時(shí)還要考慮它的啟停，還要考慮能源價(jià)格，以及負荷的波動(dòng)，甚至我們未來(lái)的負荷響應，這是未來(lái)有待研究的。

所以說(shuō)總結一下，這種通過(guò)分布式的綜合能源系統去打造一個(gè)上游、中游和下游能夠互動(dòng)的，三方互動(dòng)的、積極去中心的能源系統，最后能實(shí)現雙贏(yíng)的，但雙贏(yíng)確實(shí)建立在很多條件之下，當然也是一種方法。

最后想分享的是三網(wǎng)協(xié)同的一個(gè)數據最新的新愿景，怎么講？我們知道數據中心的負荷一般分為即時(shí)的交互負荷，同時(shí)還有大量的不即時(shí)交付的，我們稱(chēng)之為非實(shí)時(shí)的負荷或叫延時(shí)負荷，這種批處理的負荷實(shí)際上我們有一定的時(shí)間差，這種時(shí)間差我們就可以根據我們電力的價(jià)格，能源的價(jià)格以及風(fēng)光的波動(dòng)性，甚至我們用戶(hù)時(shí)間的差，我們去做三個(gè)事情。

第一個(gè)，我們把批處理的負荷通過(guò)時(shí)間轉移在同一個(gè)處理器上。第二個(gè)，我們把不同處理器能耗的曲線(xiàn)拿出來(lái)，我們去做空間轉移。第三個(gè)，我們還可以做時(shí)空的轉移，就是說(shuō)時(shí)間和空間上大面積的，如果是云計算中心可以轉移的話(huà)，我們是可以轉移的，實(shí)際上就從系統的觀(guān)點(diǎn)可以得到一個(gè)系統的最優(yōu)。

因此為了搞清楚這個(gè)符合轉移的一個(gè)空間和影響，我們做了一點(diǎn)小研究，就是說(shuō)我們以數據中心的運行費用最小為目標，我們看了在供暖期、非供暖期的一個(gè)復合轉移對設備運行工況以及效益的影響，我們發(fā)現有幾個(gè)重要的因素：第一個(gè)就是計算任務(wù)的截止時(shí)間，以及到達數據中心的任務(wù)類(lèi)別的構成，還有風(fēng)光機組的出力以及能源價(jià)格等等這些因素，對于數據中心的負荷轉移會(huì )產(chǎn)生較大的影響。因此我們在想數據中心既然是一個(gè)載體，載體周邊實(shí)際上是要靠電力來(lái)輸送的，有一個(gè)電力網(wǎng)絡(luò )，那么我們的電力網(wǎng)絡(luò )周邊其實(shí)有很多熱力網(wǎng)絡(luò )，伴隨著(zhù)算力的網(wǎng)絡(luò )，不是一臺數據中心或者一臺服務(wù)器，那么三層網(wǎng)絡(luò )的架構，上中下三層，我們的電力網(wǎng)、算力網(wǎng)和熱力網(wǎng)在符合轉移的思路下能不能耦合在一起，形成一種三網(wǎng)協(xié)同的新型的能源系統？

這種能源系統中電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)和算力網(wǎng)的時(shí)間常數是不一樣的，自身的慣性以及等價(jià)模型也是不一樣的。因此我們經(jīng)常使用物理驅動(dòng)和數據驅動(dòng)方法實(shí)現這種新型的能源系統，電力、熱力和算力應該在規劃的時(shí)候是什么樣？調度的時(shí)候是什么樣？怎么來(lái)協(xié)同？因此我們的未來(lái)的研究，也想在以下三個(gè)方面去做嘗試：第一個(gè)如何去架構一種更新型的、更適合的能量轉換系統，適合數據中心的三網(wǎng)協(xié)同。

第二個(gè)如何去評價(jià)三網(wǎng)協(xié)同的數據中心能源系統，它的尺度可以是一個(gè)國家層面的，也可以是一個(gè)局域層面的，它的能量經(jīng)濟和環(huán)境的效益，以前經(jīng)常談的PUE現在不談了，現在該談什么呢？是不是一個(gè)可持續的能值理論呢？數據中心服務(wù)于我們的能源經(jīng)濟建設，最后我們要把這種問(wèn)題量化求解出來(lái)，甚至基于優(yōu)化的求解。我們要考慮一個(gè)高可靠性的、考慮設備啟停的一個(gè)雙層的規劃，去應對未來(lái)風(fēng)光大力供應數據中心能源系統時(shí)候的不確定性。

最關(guān)鍵的問(wèn)題就是剛才說(shuō)的我們電力和算熱力的一個(gè)等值模型的建立。三網(wǎng)協(xié)同是一個(gè)非常大的愿景和挑戰，需要很多技術(shù)去融合。最后我有幾句話(huà)想凝練一下，三網(wǎng)融合實(shí)際上倡導理念就是跨界創(chuàng )新，這種跨界創(chuàng )新如果再聚焦一下，就是數字化的精神和思維協(xié)同起來(lái)，共享起來(lái)，共同去支撐數字經(jīng)濟的可持續發(fā)展。

本次大會(huì )的主題是聚光奔赴，我的理解是匯聚世紀之源，共創(chuàng )互聯(lián)之光，那么最后預祝大會(huì )圓滿(mǎn)舉辦，謝謝。