数据中心典型冷却设备能效等级提升的节能性与经济性分析

  本文以3种数据中心典型冷却设备（自然冷却风冷冷水机组、开式冷却塔、三相异步电动机）为例，分别介绍了对应的国家能效等级标准及相关节能政策，分析了自然冷却风冷冷水机组的产品特点及其在数据中心冷却架构中的特殊性，并结合实际应用场景对不同能效等级的冷却设备做了全寿命周期的节能性与经济性分析，最终给出了设备选型及能效等级考核的相关建议。

  近年来数据中心作为承载着国家和社会数字化、信息化加快速度进行发展的重要基础设施，在行业持续不断的发展的同时，其高能耗、高碳排放的特点也逐渐受到多方的关注与重视。据统计，2020年我们国家社会总用电量约75110亿kW·h，而数据中心总用电量约870亿kW·h，占比为1.16%；预计到2030年该数值将达到1.5%~2.0%，同时数据中心CO2排放总量预计将达到15000万t，约占全国排放总量的1.5%。

  数据中心的总耗电量是指维持数据中心运行的信息设备（IT）、冷却设备、供配电设备和其他辅助设施电能消耗的总和。其中冷却设备耗电量是除IT设备外最大的电能消耗部分，也被认为是数据中心提高电能利用率PUE（power usage effectiveness）最关键的环节之一。近年来，随着冷却架构的一直在优化，数据中心冷却设备的能耗占比持续减小，而冷却系统节能的根本途径是尽可能更直接、更充分、更长时间地利用自然冷源。例如，常见的冷水+板式换热器+冷却塔的水冷架构，通过逐步的提升供水温度，在明显提升制冷机组COP的同时也延长了自然冷却时长，在华北地区全年计算PUE可低至1.2；在我国北方地区常见的新风直接自然冷却架构，利用室外低温新风直接冷却IT设备，减少了间接换热过程，仅在极端天气时开启备用机械制冷设备，系统全年计算PUE可低至1.15；而阿里巴巴即将大规模部署的单相浸没式液冷技术，可进一步实现无气候区限制的全年自然冷却，全年平均计算PUE可低至1.1，已逼近理论极限值。

  除了采用更先进的冷却架构，提高冷却设备的能效水平也是逐步降低系统能耗的手段之一。近年来，在“双碳”的背景下，国家和地方政府相继出台了多项有关政策，对于数据中心冷却设备能效等级提出了更高的要求，众多项目的节能审查批复已要求相关冷却设备达到2级甚至1级能效等级。日趋严格的政策无疑对数据中心行业整体的节能降碳有着非消极作用，但在某些特定冷却架构下，部分冷却设备的全年能耗存在着一定的特殊性，而相关文献对设备能效等级提升的经济性也鲜有详细阐述。因此本文尝试针对数据中心典型冷却设备，结合产品能效等级标准、设备实际数据及系统运行逻辑等信息，对冷却设备能效等级提升的节能性与经济性进行定量分析，以期为行业内相关节能工作及设备选型提供理论参考。

  自然冷却风冷冷水机组是在水资源有限的地区、针对数据中心等有全年连续供冷需求应用场景所特殊设计的产品，其构成如图1所示，该设备在常规风冷冷水机组的基础上，集成了自然冷却模块，最重要的包含自然冷却盘管、自然冷却板式换热器，以及自然冷却乙二醇循环泵。

  该设备可以在过渡季及冬季充分的利用自然冷源，实现极高的制冷效率。此外，由于数据中心设计采用较高的冷水供回水温度，全年自然冷却工况时间比较久。表1以张北地区气象参数为例，结合厂家提供的产品数据，估算了不一样风冷冷水机组全年平均制冷性能系数，能够准确的看出，在风冷冷水冷却架构下，自然冷却风冷冷水机组可以高效且“零”水耗地为数据中心供应高温冷水。

  此外，自然冷却风冷冷水机组的另一主要使用在场景是作为新风直接自然冷却架构的辅助（备用）冷源，仅当室外空气温湿度或污染物浓度超标时，开启制冷机组以保证系统连续供冷。表2同样以张北地区为例，统计了常规新风直接自然冷却架构在不同运行工况下的有关数据，能够准确的看出张北地区全年仅有不足7.5%的时长需要开启辅助制冷设备，而随着今后机房设计温湿度上限的提高并采用针对性的新风过滤措施后，辅助制冷设备全年运行时长将进一步缩短。

  现行的风冷冷水机组的国家产品质量标准为GB/T 18430.1—2007《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组 第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》，而对应的能效等级判定标准为GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效等级》。由于2本标准实施时间较早，现已均在修订过程中，表3中对比了部分关键修订内容。

  可以看出，现行标准仅针对民用舒适性空调用冷水机组规定了测试名义工况及对应的能效等级考核指标，并未考虑数据中心专用冷水机组的应用场景；而修订版标准中补充了数据中心专用型机组一般性能测试的标准工况，提高了冷水供水温度，新增评价指标ACCOP，能更合理地衡量数据中心专用机组全年运行的能耗情况。以某典型自然冷却风冷冷水机组为例，新老标准不同名义工况下能效等级情况如表4所示。由于冷凝器侧增加了自然冷却盘管，风路阻力增大，风机功耗较高；且为了能够更好的保证在高出水温度工况下较高的制冷效率，压缩机有必要进行针对性优化，导致现行标准名义工况下的能效等级偏低（3级）；但由于可实现长时间的自然冷却，全年综合制冷性能系数较高，较GB/T 18430.1（送审稿）中的准入值有较大比例提升，待GB 19577完成修订后，能效等级预期可达到2级，甚至1级。

  此外，通过有关产品调研，当自然冷却风冷冷水机组采用变频压缩机时，由于压缩机存在一定功耗，虽然其ACCOP值较高，但对于数据中心常用的大冷量机型，受限于设备尺寸及运输问题，很难达到GB/T 18430.1（送审稿）中COPc不小于3.3的设备准入门槛；而当采用定频压缩机时，虽然部分机型能够完全满足COPc不小于3.3，但其ACCOP值却明显偏低。因此从降低全年总能耗的角度考虑，推荐对于自然冷却风冷冷水机组重点考核其ACCOP值，取消或降低COPc的准入门槛限值，避免造成该类型产品为满足准入指标，只能采用定频压缩机的现象。

  通过1.2节分析可知，现行标准对于自然冷却风冷冷水机组的能效等级判定是明显不适用的，但现阶段仅有GB/T 18430.1（送审稿）中给出了设备的市场准入值（以北京为典型城市），而新版GB 19577尚在参数调研及讨论中，1、2级能效等级的ACCOP限值尚未确定，因此本节将通过在ACCOP市场准入值的基础上提升百分比的方式，对假想的不同能效等级设备做全寿命周期的经济性评估，此外分别考虑了设备作为主用冷源和备用冷源的不同应用场景，分析过程及估算结果见表5。

  从表5能够准确的看出：当自然冷却风冷冷水机组（制冷量1 266 kW，冷水供/回水温度18 ℃/24 ℃）作为主用冷源时，选用高能效等级的设备能明显降低全年运行能耗，10 a总拥有成本（TCO，total cost of ownership）有明显优势，动态投资回收期不满2 a；但当该设备作为新风直接自然冷却架构的备用冷源时，由于全年运行时长有限，能效等级提升带来的节能收益不明显，10 a的TCO偏高，动态投资回收期长达12 a。此外，该结果基于北京气候数据计算所得，当设备应用于乌兰察布、张北等气候更加凉爽的地区时，由于全年运行时长更短，备用冷源提升能效等级的经济性将更差。

  开式冷却塔是数据中心冷却系统中主要的散热设备，常与水冷式冷水机组、板式换热器及循环水泵等设备组成常见的冷水冷却架构，其散热能力的强弱直接影响到冷水机组的运行效率及系统全年自然冷却工况的时长。由于需要全年散热，数据中心用冷却塔通常按照自然冷却工况进行选型，并对夏季设计工况进行校核。

  用于判定数据中心常用开式冷却塔能效等级的现行标准为GB/T 7190.1—2018《机械通风冷却塔 第1部分：中小型开式冷却塔》，其中衡量冷却塔能效水平的指标为耗电比，即冷却塔风机电动机的输入有功功率与标准工况下冷却水流量的比值，能效等级分为1～5级，1级能效等级最优。此外由于数据中心常用冷却水设计温度较接近标准工况Ⅰ，因此结合实际工况选型后的冷却塔一般需换算至标准工况Ⅰ下的冷却水流量进行设备能效等级判定。

  选取水冷集中式冷水架构及小颗粒度液冷架构中常见的2种冷却塔型号，结合厂家选型及询价数据，以杭州地区作为典型城市对不同能效等级的冷却塔进行全寿命周期的经济性评估，分析过程及估算结果见表6。

  从表6能够准确的看出，采用高能效等级的冷却塔，由于电动机配电功率减小，可明显降低冷却塔的全年运行能耗，10 a总拥有成本有明显优势，且动态投资回收期不足3.5 a。因此，虽然GB/T 7190.1—2018仅为推荐性标准，不强制执行，且通常冷却塔出厂也不提供能效等级标识，但在长时间连续运行的数据中心项目中，选择高能效等级的冷却塔，对于降低系统PUE、减少全寿命周期运行能耗有着显著效果。

  据统计，作为常规机电动力设备的主要驱动部件，电动机的总耗电量占我国总耗电量的64%左右，其中工业领域占比达到75%左右，因此不断推广高效电动机、淘汰在用低效电动机、根据负载特性对电动机系统来进行节能改造，对整个社会的节能减碳有着显著意义。2021年11月，工业与信息化部办公厅、市场监管总局办公厅联合印发《电机能效提升计划（2021—2023年）》，其中指出应加大高效节能电动机应用力度，针对风机、水泵、压缩机、机床等通用设备，鼓励采用2级能效及以上的电动机。

  常用三相异步电动机的现行能效等级标准为GB 18613—2020《电动机能效限定值及能效等级》，该标准与国际标准IEC 60034-01及2022年11月由国家发展和改革委等部门发布的《重点用能产品设备能效领先水平、节能水平和准入水平（2022年版）》的对照信息见表7。

  图2对比了现行国家标准GB 18613—2020中不同额定功率、不同能效等级电动机的效率值（以4级为例）。能够准确的看出：随着能效等级的提升，在小功率段电动机的效率提升幅度较大，如1.5 kW以下的电动机，1级能效较3级能效电动机效率可提升5%~10%；而随着额定功率的增大，电动机效率提升的幅度逐渐减小，如空调水泵常用的75 kW电动机，效率提升仅为1.7%。

  由于数据中心项目一般直接采购包含电动机的整机设备，而空调水泵中电动机的成本占比较高，因此本节选取前文中涉及的直接新风自然冷却架构、水冷集中式冷水架构及小颗粒度液冷架构中常见3种型号的空调水泵，结合厂家选型及询价数据，对采用不一样能效等级电动机的空调水泵进行全寿命周期的经济性评估，分析过程及估算结果见表8。

  高能效电动机主要通过增加铜线用量、提升硅钢片牌号及优化转子设计等工艺手段降低电动机损耗，由于材料成本及量产规模等因素影响，现阶段市场1、2级电动机的成本明显偏高，而能效等级提升带来的效率提高却不明显。从表8能够准确的看出，采用高能效等级的电动机节省的运行能耗（费用）十分有限，每年的电费收益不及初投资增加所带来的资金利息，没办法回收成本。因此采用高能效等级的电动机虽能取得一定的节约能源的效果，但在现阶段尚不具有经济性，而对于非全年运行的水泵，这一现象更加明显。

  冷却设备是数据中心辅助系统中的能耗大户，逐步的提升能效等级是降低能耗的有效手段，本文对3种数据中心典型的冷却设备能效等级提升的节能性及经济性进行了全寿命周期分析，结论及建议如下：

  1）数据中心冷却设备能效等级的要求，不建议采取“一刀切”的方式，应有针对性地判断该设备是否为长时间连续运行的主要用能设备，对于备用或辅助设备，不建议要求过高的能效等级，否则不但全寿命周期的节能性及经济性不佳，在设备生产的全部过程中还会产生更多的能耗与碳排放，得不偿失。

  2）建议数据中心项目不再针对单一设备做能效等级考核（需满足市场准入值），可参照GB 40879—2021《数据中心能效限定值及能效等级》，重点对数据中心设计及运行PUE进行严格考核，以达到系统整体节能的根本目的。

  3）现阶段，对于提出设备能效等级政策要求的新建项目，应严格执行相关节能审查批复文件规定，采购符合标准要求的机电设施；对于没有明确要求的项目，可参考本文中典型冷却设备能效等级提升的经济性分析结果或方法，有选择地提高部分设备能效等级要求，在响应国家节能政策的同时，大大降低项目全寿命周期的TCO。

  4）本文中所有节能性及经济性测算的数据均是根据相关设备能效等级标准限值进行的理论计算，并非数据中心实际项目的运行数据，仅供参考。