盘点 | 海外大型数据中心用水策略研究

随着物联网、云计算、大数据、AI技术的迅速发展，数据 存储及网络数据通信量爆发式增长，数据中心耗水量过大问题日益凸显。联合国环境规划署发布的《2030年可持续发展议程》 目标之一是“到2030年，实现人人普遍平等地获得安全和负担得起的饮用水”。为达到该目标，国外大型互联网公司分别确立了相应的数据中心用水策略。本文通过对国外大型数据中心的用水指标及其用水策略研究，提出我国数据中心在建设和运维中的水资源利用发展方向。

1 数据中心用水量

数据中心用水量影响因素包括制冷设施规模、制冷系统类型以及室外环境温湿度等。一般情况下，用水量与制冷设施规模成正比，水冷系统的用水量远大于风冷系统，夏季用水量明显多于冬季。室外环境温度对用水量的影响最为直接，即室外环境温度升高，推升机房制冷需求，制冷系统增大耗水量来满足机房环境制冷要求。

大型数据中心的用户以云服务供应商和大型互联网公司为主。这一类数据中心的特点是配置超过十兆瓦扥电力容量、 超过十万平方米建筑面积以及大量用水。以谷歌为例，2021年旗下数据中心的平均每天用水量达到170万升，相当于每年消 耗6.22亿升的水。

普通规模数据中心以数据机柜租赁用户为主，建筑面积通常在1万到2.5万平方米之间，相应的耗水量也远低于大型数据中心。以2021年美国北弗吉尼亚州Prince William County地区的25个租赁运营数据中心的用水量为例，其中用水量最大的数据中心平均每天用水量约为333,100升，约为大型数据中心全年用水量的20%。

2 用水效率指标

Green Grid联盟于2007年提出了PUE（Power Usage Effectiveness）指标来评价数据中心能源使用效率，该指标数值为数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比。从能源利用的综合角度来看，单纯地靠PUE指标难以全面准确地评估数据中心的能耗水平，为全面合理地评价数据中心能耗， Green Grid联盟提出了用水效率指标WUE（water usage effectiveness）。WUE数值为数据中心年用水量（单位为升） 与IT设备能耗（单位为千瓦时）的比值，单位为升每千瓦时（L/kWh）。

3 国外超大规模数据中心的用水策略

3.1 亚马逊

亚马逊AWS（以下简称“AWS”）公布的用水目标是：2030年旗下数据中心向所在地区和外部环境的补水量要超过直接消耗的用水量。AWS旗下的租赁、自有和托管三类数据中心均适用于此目标，按照数据中心所在运营大区为单位进行用水指标考核。

AWS数据中心主要采用直接蒸发冷却模式（direct evaporative cooling）。这种制冷模式通过水的蒸发来降低室外空气温度，冷却后的室外空气经过过滤输入到机房中进行制冷。 为了减少该模式的用水量，AWS采用了自然空气冷却策略（free-air cooling）。在自然空气冷却策略下，制冷系统通过传感器跟踪室外环境温度和湿度等参数的变化，当室外环境温度降低到一定程度时，制冷系统自动关闭直接蒸发冷却系统，开启自然空气冷却系统，室外冷空气经过滤后进入机房进行服务器制冷，这一过程不再需要消耗额外水资源。

AWS采用“水资源正效益（AWS Water Positive%）”指标来量化数据中心的用水目标。水资源正效益值越高代表实际耗水量越少。当水资源正效益值高于100%时，表示AWS向社区和外部环境供水量超过其直接耗水量，代表AWS用水积极；当水资源正效益值低于100%时，代表AWS数据中心未达到承诺的节水目标。

水资源正效益=（循环用水量+补充水源用水量）/（总排水量-可持续水源供水量）

AWS为实现预期的水资源正效益指标，提出了四项用水策略：

1）提高数据中心运维过程中的用水效率；

2）使用可持续水源供水；

3）将处理后的循环水在社区内再利用；

4）支持数据中心开发园区外的补充水源项目。

3.2 微软

微软承诺到2030年实现水资源正效益，即该公司数据中心在全球范围内的总补水量超过总耗水量，并承诺在2024年将数据中心蒸发冷却用水量减少95%（约57亿升水）。微软数据中心采用的是绝热冷却（adiabatic cooling）制冷模式，当室外温度低于29.4℃时，直接使用外部环境空气进行机房环境制冷。该模式依据数据中心所在地区气候条件不同而有所差异， 微软在瑞典的数据中心能够全年使用该模式制冷，在美国亚利桑那州的数据中心只有全年三分之二时间可以使用该模式。 微软为达到2030年水资源正效益指标，提出了两项用水策略：

1）提高用水效率指标（WUE），即降低每千瓦时的耗水量；

2）在水资源紧张地区开发补水项目。

3.3 谷歌

谷歌公布的用水目标是在2030年数据中心总补充水量超过总耗水量，即2030年的总补水量达到总耗水量的1.2倍，并要求补水质量符合数据中心所在地区的用水安全要求。谷歌的耗水量数据中心冷却用水为主，额外少部分耗水量用于数据中心硬件设备制造。2021年谷歌在全球的数据中心耗水总量为164 亿升，其中用水量为209亿升，排水量为45亿升。谷歌数据中心耗水量主要发生在美国本土地区，2021年美国本地共消耗127亿升水，其他国家地区共消耗36.8亿升水，前者占到了谷歌全球数据中心总耗水量的78%。

谷歌为达到2030年制定的用水目标，提出了三项用水策略：

1）强化用水责任，加强谷歌办公园区和数据中心的水资源管理；

2）保护地区水资源，平衡耗水量与补水量关系，改善地区水流域的生态健康，支持水资源紧张地区的生态系统修复项目；

3）发展相关水资源的技术应用，向公众开放用于水资源预测、预防和恢复的相关产品和技术。

3.4 Meta

Meta承诺到2030年实现水资源正效益，即该公司在全球范围内的总补水量超过总耗水量，并承诺在高水压地区的补水量是其耗水量的2倍，在中水压地区的补水量与耗水量相同。

Meta的耗水量主要来自数据中心冷却用水，超过99%的数据中心用水来自市政供水。2021年Meta数据中心总耗水量为24.1亿升，其中用水量为34.2亿升，排水量为10.1亿升。 2021年Meta数据中心对外部环境的总补水量为23.4亿升，到2030年全年总补水量将达到37.9亿升。Meta数据中心在2018年至2021年期间的用水效率指标（WUE）分别为0.27L/kWh （2018年）、0.27L/kWh（2019年）、0.30L/kWh（2020年） 和0.26L/kWh（2021年）。2021年用水效率提升的原因为Meta数据中心采用了一种称之为State Point Liquid Cooling System （SPLC）制冷模式，该模式的WUE数值比普通制冷模式提高80%。

Meta 为达到2030年水资源正效益目标，提出了三项用水策略：

1）强化用水责任；

2）提高数据中心的用水效率（WUE）； 

3）发展数据中心所在地区的补水项目。

4 总结

综上所述，随着“东数西算”大型工程的启动、《新型数据 中心发展三年行动计划（2021-2023年）》等国家政策的发布， 数据中心的绿色低碳发展日益受到鼓励和重视。本文结合国内行业发展现状，从鼓励中国互联网企业出海的角度出发，认为应从政策和技术两方面提出针对大型数据中心的用水策略。

4.1 政策引导

从中央到地方，相关数据中心的用水政策正在逐步出台并落地。2022年至2023年发改委联合各相关部委相继印发了 《“十四五”节水型社会建设规划》与《“十四五”水安全保障规 划》，要求坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力” 的治水思路。2022年10月内蒙古乌兰察布市出台了《关于禁 止集宁区大数据企业使用地下水冷却降温的通知》，要求“辖区内大数据企业一律禁止使用地下水冷却降温”。

除上述政策外，还可以在以下三个方面进行政策引导：

1）制定更严格的WUE标准和目标，并对达标或超标的数据中心给予奖励或惩罚；

2）建立用水定额和计价制度，使数据中心的用水成本与其用水量成正比；

3）鼓励数据中心与其他行业和部门进行用水协同和共享，例如利用农业、工业、生活等领域的中水或废水来满足数据中心的用水需求；同时将数据中心的冷却水或废热用于温室种植、渔业养殖、供暖供热等用途。

4.2 技术驱动

通过以下技术途径降低数据中心的用水需求和损耗：

1、循环水再利用，即循环水排污水去除金属离子、酸根离子、胶体、 悬浮物、细菌、微生物等污染物且pH值呈弱碱性时，其水质 与循环水系统的运行水质基本相同，可进行再次循环冷却使用； 

2、采用更先进的冷却系统和设备，如在沙漠地区的数据中心采用浸没式液冷技术，沿海地区数据中心发展水下数据中心等； 

3、采用智能化和数字化管理系统来监测和优化数据中心的运行状态，提高运维过程中的用水效率。

来源：网络安全技术与应用