磁懸浮離心式冷水機組應用于數據中心的碳足跡分析

昝世超，吳俊峰，屈博藝，周俊海，張秀平

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

5G移動通信、互聯網、云計算、大數據和AI人工智能等技術的高速發展，推動了數據中心的飛速發展。數據中心高速發展的同時，也帶來了能源的巨大消耗。《中國綠色數據中心白皮書》顯示，2017年中國數據中心耗電量為1 221.5億千瓦時，超過當年三峽大壩全年發電量[1-2]。《中國“新基建”發展研究報告》稱，從全球來看，到2025年數據中心將占全球能耗的最大份額，高達33%。從國內看，全國數據中心的耗電量已連續八年以超過12%的速度增長[2]。在數據中心，為了維持IT安全運行恒定的室內溫度，需要全年為之降溫，空調系統能耗占了數據中心機房總能耗40%以上，其中，制冷主機能耗是空調系統的主要能耗[3]。近年來，磁懸浮離心式制冷機組由于其高能效、低噪聲、壽命長和體積小等特點在數據中心領域得到廣泛應用[4-7]。磁懸浮離心式制冷機組的驅動能源主要以電能為基礎，而我國電能主要以火力發電為主，機組電能消耗排放的碳氫化合物、CO2和黑碳是全球變暖的推手，機組使用的HFCs、HFOs類制冷劑也屬于高全球增溫潛勢的溫室氣體[8-10]。因此，磁懸浮離心式制冷機組溫室氣體排放的控制對數據中心節能和綠色發展具有重要意義。

磁懸浮離心式冷水機組應用于數據中心的溫室氣體排放涉及原材料獲取、機組生產、運輸、使用與維護、系統拆解與再利用等生命周期的各個階段，開展其碳足跡核算與分析將成為機組減排的起點，可協助企業在機組生命周期各個階段尋找降低溫室氣體排放的機會，追蹤評估低碳措施的有效性及效率，以達到機組乃至數據中心低碳發展的目的。國際上采用生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）方法[11]對制冷空調產品進行環境影響評價和碳足跡分析。對于冷水機組的生命周期碳足跡分析。BUKOSKI等[12]采用LCA方法對太陽能輔助吸收式冷水機組和傳統蒸氣壓縮式冷水機組應用于體育場空調系統的各類環境影響效應進行了評價和對比分析。吳俊峰等[13]采用LCA方法分析了離心式冷水機組應用于舒適性空調系統的環境影響水平和關鍵影響因素。蔡亮等[14]對螺桿式冷水機組的生命周期環境效應和關鍵影響因素進行了分析。上述研究均涉及到生命周期溫室氣體排放的評估。BYRD等[15]采用LCA方法對比分析了應用磁懸浮軸承和機械軸承的離心式冷水機組應用于舒適性空調系統的生命周期溫室氣體排放。

綜上所述，應用LCA方法進行冷水機組生命周期環境影響評價和碳足跡研究，已取得了積極進展，在冷水機組應用于舒適性空調系統的溫室氣體排放貢獻方面取得了共識。與舒適性空調系統的冷水機組負載隨著室外環境溫度降低而降低有所不同，數據中心機房用機組負荷受環境溫度影響較小，如忽略圍護結構傳熱差異，可認為離心式冷水機組的負載為恒定的，且機組需全年無間斷運行[16]。因此，冷水機組應用于舒適性空調系統溫室氣體排放的研究結論并不完全適用于數據中心空調系統。

本文基于GB/T 33224—2016[17]規定的制冷系統環境影響評價方法對磁懸浮離心式冷水機組應用于數據中心的生命周期碳足跡進行定量評價，通過實例分析，辨識磁懸浮離心式冷水機組應用于數據中心的全生命周期內溫室氣體排放的主要階段和關鍵影響因素，以期為機組的綠色設計提供依據。

1 研究目標與范圍

1.1 研究對象

本文選取某型800 RT磁懸浮離心式冷水機組為研究對象，機組的主要參數如表1所示，制冷劑為R134a。功能單位選取一臺磁懸浮離心式冷水機組產品。

表1 某型磁懸浮離心式冷水機組主要技術參數

1.2 系統邊界

系統邊界覆蓋磁懸浮離心式冷水機組的全生命周期包括機組原材料獲取、機組生產、機組的使用與維護、機組的運輸階段以及機組的回收與處置5個階段，具體的系統邊界如圖1所示。碳足跡核算的排放物質包含京東議定書規定的CO2、CH4、N2O、SF6、HFCs和PFCs這6類溫室氣體，還包含目前機組制冷劑替代過程中常用的HFOs類制冷劑。

圖1 磁懸浮離心式冷水機組碳足跡評價的系統邊界

2 機組生命周期溫室氣體排放的計算方法

2.1 數據獲取

磁懸浮離心式冷水機組碳足跡分析數據包括背景數據和企業現場數據兩部分。背景數據包括原材料、能源生產以及運輸過程的溫室氣體排放基礎數據，通常采用國家LCA評價數據庫，我國目前還沒有公開發表的背景數據庫，本文研究過程中主要選取四川大學開發的中國生命周期基礎數據庫[19]和歐盟生命周期基礎數據庫中的基礎數據進行分析。企業現場數據包括材料、能源投入和排放數據，主要根據機組的裝配關系和加工工藝過程進行數據收集（圖1）。

2.2 生命周期溫室氣體排放計算

2.2.1 原材料獲取階段

該階段的溫室氣體排放主要來自于機組及其零部件主要用材的開采和生產過程。數據獲取過程中，忽略了質量比小于0.5%的原材料，但所選原材料的總重量不低于產品總重量的96%；此外，限于數據的可獲得性，將原材料分為鑄鐵，鋼材、銅材等6個大類，按照全國平均數據進行分析，沒有再按材料的具體牌號進行分類。通過企業調研獲得機組的主要材料匯總清單，包括鑄鐵53 kg、鋼材6 953 kg、銅材3 059 kg、鋁材320 kg、橡膠4.6 kg、塑料3.4 kg，合計10 393 kg。機組總重量11 000 kg，分析過程主要材料清單占比94.48%，滿足上述取舍原則。

產品原材料獲取階段溫室氣體排放量計算：

式中，CM為原材料獲取階段的溫室氣體排放量，以CO2當量作為度量，kg；mi為機組第i種材料的用量，kg；FC,i為機組第i種材料的溫室氣體排放因子，表示每千克第i種材料在原材料獲取階段的溫室氣體排放量，kg/kg。

2.2.2 機組生產階段

該階段的溫室氣體排放主要環境影響來自機組及其零部件的加工與裝配過程中資源、能源投入的溫室氣體排放和溫室氣體的直接排放。限于數據的可獲得性，本文忽略了機組外協件和部分零部件生產過程中的投入和溫室氣體排放，主要考慮機組裝配過程。另外，在機組及零部件生產裝配過程中，忽略了用量較少的輔材。通過企業調研的數據得到機組生產階段的能源和材料投入匯總清單，包括電能消耗2 500 kW·h、CO2氣體2.4 m3、乙炔0.2 m3。外協件生產過程的溫室氣體排放忽略會對碳足跡結果有一定的影響，文中后面將通過敏感度分析來進一步確定其影響程度。

機組生產過程的溫室氣體排放量計算：

式中，CP為生產階段的溫室氣體排放量，以CO2當量作為度量，kg；mq為機組第p個加工工藝過程中第q種資源、能源的用量或溫室氣體直接排放量，kg、kW·h或m3；FC,q為機組第p個加工工藝過程中第q種資源、能源或直接排放的溫室氣體的排放因子，kg/kg、kg/(kW·h）或kg/m3；k為機組加工工藝過程數量；l為計入機組第p個加工工藝過程中消耗的資源、能源和排放的溫室氣體類型數量。

2.2.3 使用與維護階段

該階段的主要溫室氣體排放來自機組使用與維護階段的能源消耗以及制冷劑排放。數據中心用磁懸浮離心式冷水機組的能源消耗主要與機房的冷負荷、機組運行過程的性能系數和運行小時數相關。機房的冷負荷主要為IT設備發熱量，而IT設備的發熱量全年基本恒定。因此本文假設數據中心的冷負荷全年恒定，機組運行過程的性能系數與機組本身的設計水平、機組所處區域的氣候條件相關，機組的運行小時數與機組所處區域的氣候條件直接相關。基于上述分析，采用典型城市的氣候溫度分布來建立機組的全年能耗模型，如式(3)所示：

式中，E為機組全年耗能量，kW·h；Qc(tj)為溫度tj時機組的制冷量，kW；Tj為各溫度區間下工作時間，h；COPbin(tj)為溫度tj時機組的性能系數，通過測試和計算獲得。

為了簡化上述能耗計算模型，根據溫度運行分布區間，將機組的測試工況分為4個工況，通過實測獲得機組的性能系數如表2所示。對于數據中心的空調系統，當室外環境溫度低于一定值時，機房的負荷可以通過冷卻水全部或者部分供冷。根據實際機房應用調研，本文假設冷卻水溫度tc低于8 ℃時，機房負荷全部由冷卻水供冷，冷水機組不開啟；當冷卻水溫度tc介于8～15 ℃時，機房負荷50%由冷卻水供冷，冷水機組在50%負載運行；其余工況條件下，機房負荷全部由冷水機組提供，冷卻水溫度tc與環境濕球溫度tw相關。典型城市冷水機組使用的溫度區間運行小時數如表3所示。

表2 某型磁懸浮離心式冷水機組實測性能

表3 典型城市地區冷水機組使用溫度區間運行時間

本文選取北京作為典型城市，根據式(3)以及表2、表3的機組實測制冷量、性能系數和運行小時數估算出機組在北京運行全年制冷時消耗的總電量為1.08×106kW·h，機組壽命期30年的總消耗電能為3.24×107kW·h。機組品使用與維護階段電能消耗帶來的溫室氣體排放量應按式(4)計算：

式中，CU,E為機組使用與維護階段電能消耗帶來的溫室氣體排放量，以CO2當量作為度量，kg；FC,E為電能的溫室氣體排放因子，kg/(kW·h），選取全國平均電能排放因子；N為機組設計使用壽命，a。

制冷劑消耗帶來的溫室氣體排放量計算：

式中，CU,R為機組使用制冷劑帶來的溫室氣體排放量，以CO2當量作為度量，kg；mR為機組的制冷劑設計充注量，kg；aR為制冷劑回收率；L為機組的制冷劑年泄漏率，%；N為機組的設計使用壽命，a；GWP為制冷劑的全球變暖潛值。

2.2.4 產品運輸

該階段的主要溫室氣體排放來自于運輸過程工具的能源消耗和尾氣排放，包括機組原材料和外購件運輸到生產現場、機組生產過程中物料搬運、機組從制造商到使用場所以及壽命期后從使用場所到拆解場地全過程運輸工具帶來的溫室氣體排放。由于生產過程中的物料搬運數據難以獲得，本文忽略該過程的運輸排放，本文中選取機組原材料和外購件運輸到生產現場、機組從制造商到使用場所以及壽命期后從使用場所到拆解場地3個過程，運輸過程假設采用大、中型柴油貨車運輸，機組壽命期后從使用場所到拆解場地運輸距離假設為100 km，其余兩個過程運輸距離為500 km。

機組運輸階段的溫室氣體排放計算：

式中，CT為機組運輸階段的溫室氣體排放量，以CO2當量作為度量，kg；m為機組總重量，t；Di為機組第i個運輸過程的運輸距離，km；FT,i為機組第i個運輸過程的運輸工具的溫室氣體排放因子，kg/(t·km)；n為運輸過程數量。

2.2.5 回收與處置

機組回收與處置階段的溫室氣體排放包括原材料回收再利用和制冷劑回收處置過程的溫室氣體排放。

產品原材料回收再利用的溫室氣體排放計算：

式中，CR,M為原材料回收再利用的溫室氣體排放量，以CO2當量作為度量，kg；mi為機組第i種材料的用量，kg；φr,i為產品第i種材料回收率；Ar,i為機組第i種材料的分配系數；n為機組可回收材料數量。

材料回收率根據調研選取我國主要用材的平均回收率，鑄鐵、鋼材和銅材的回收率取60%，鋁、橡膠材和塑料的回收率取40%、50%和30%。機組所用的銅、鋁等原材料生產時均采用可再生原料，該部分可再生原料可替代自然界直接開采的初生原料，該部分溫室氣體排放可采用分配系數對其進行扣除，材料的分配系數A一般取固定值0.5。

機組在壽命期內回收的制冷劑一般不會再充注到機組中進行再循環使用，會做銷毀處置。制冷劑燃燒產生的溫室氣體排放計算采用質量平衡法計算：

式中，CBR為制冷劑燃燒處置過程中的溫室氣體排放，以CO2當量作為度量，kg；CCR為制冷劑的含碳量，kg/kg；44/12為碳質量轉化為CO2質量的轉換系數；GWPCO2為CO2的全球變暖潛值，取值1。

3 結果分析

3.1 機組碳足跡計算結果

應用上述計算方法，對磁懸浮離心式冷水機組的生命周期溫室氣體排放進行量化計算，生命周期各階段的溫室氣體排放量及貢獻比例如表4所示。

表4 某型磁懸浮離心式冷水機組碳足跡計算結果

由表4可知，該機組溫室氣體排放量的主要貢獻來自機組使用與維護階段的電能消耗和制冷劑排放，分別占溫室氣體總排放量的96.52%和3.40%，使用與維護階段的溫室氣體排放量占生命周期總排放量的99.92%，其它階段過程貢獻基本可以忽略。

3.2 敏感度分析

敏感性分析主要目的是通過相關因素的變化來定量分析碳足跡的變化程度。從上文計算可以看出，機組生命周期溫室氣體排放量的主要貢獻來自于機組使用與維護階段電能的消耗和制冷劑排放。影響機組能耗的關鍵因素，包括機組的使用氣候條件與能效水平；制冷劑排放取決于機組的充注量和制冷劑的全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）。因此，本文分別針對機組應用于不同地區氣候條件、制冷劑使用低GWP替代制冷劑兩類影響因素以及文中忽略的加工過程和運輸過程排放進行敏感度分析。

3.2.1 機組應用氣候條件的影響

分別選取機組應用于我國嚴寒地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區的典型城市哈爾濱、南京和廣州，耗能量對碳足跡的影響分析的計算結果如圖2所示。

圖2 不同地區運行階段電能消耗對溫室氣體排放的影響

由圖2可知，由于廣州地區機組運行時間和高溫時段長，機組運行能耗帶來的溫室氣體排放最大；反之，哈爾濱機組運行能耗帶來的溫室氣體排放量最小，運行階段電能消耗帶來的溫室氣體排放占整個生命周期的溫室氣體排放量均在90%以上，說明無論機組運行在何地域，運行階段電能消耗帶來的溫室氣體排放均是主要排放源。從機組A、機組B、機組C和機組D的4個溫區代表工況的影響來看，哈爾濱地區機組運行于B溫區帶來的溫室氣體排放最大，其次是C溫區和D溫區，A溫區帶來的溫室氣體排放最小；北京地區機組運行于B溫區帶來的溫室氣體排放最大，其次是A溫區和C溫區，D溫區帶來的溫室氣體排放最小；南京和廣州地區運行于A溫區帶來的溫室氣體排放最大，其次是B溫區和C溫區，D溫區帶來的溫室氣體排放最小。這說明機組應用于不同地域時，為了最大程度地降低能耗帶來的溫室氣體排放，制造商應該根據不同地域的環境條件和能耗集中運行工況針對性地優化機組設計。

3.2.2 低GWP替代制冷劑的影響

本文案例中機組使用的R134a屬于京東議定書中規定的HFCs類溫室氣體，國際上正在尋求替代R134a的低GWP制冷劑。HFO類低GWP制冷劑R513A與R134a的物性參數基本接近，其GWP相比R134a降低56 %，可以作為R134a制冷劑的直接替代品，機組不做任何改變[20]。本文在磁懸浮離心式冷水機組上直接充注R513A制冷劑進行了試驗研究，在名義制冷量相同情況下，開展最佳充注量試驗和性能試驗，獲得機組的充注量和表2工況中的機組性能系數，并對比分析了機組使用兩類制冷劑時的溫室氣體排放量，實驗與分析結果如表5所示。

由表5可知，使用低GWP制冷劑R513A后，雖然機組的充注量有一定的提升，但由于R513A的GWP值較低，且使用R513A制冷劑后，機組擁有更佳的綜合性能系數，因此，相較于R134a機組，制冷劑排放帶來的溫室氣體排放量降低55.95%，能源消耗帶來的溫室氣體排放量降低0.91%，生命周期總溫室氣體排放量降低2.65%，略有降低。

表5 使用R513A替代R134a時機組實測性能及溫室氣體排放量對比

3.2.3 加工與運輸過程的影響

上述機組碳足跡分析過程中，限于數據的可獲得性，忽略了外協件和部分零部件生產過程中的投入與溫室氣體排放，如磁懸浮壓縮機加工工藝過程。在實際產品生產過程中，裝配過程的投入和溫室氣體排放僅占機組生產過程的很小一部分，機組及其零部件從材料-毛坯-成型-精加工-成品所消耗的資源、能源和溫室氣體排放占比很多。此外，運輸過程忽略了企業內部物料運輸數據。假設將上述生產和運輸過程的溫室氣體排放放大到100倍，保持其它因素不變。敏感性分析結果如表6所示。表6中電能消耗和制冷劑排放均屬于使用與維護階段。

由表6可知，保持其它因素不變，機組的生產和運輸階段的溫室氣體排放量均放大到100倍時，生產階段的溫室氣體排放量占比由0.01%提升為0.74%，運行階段的溫室氣體排放量占比由99.92%降為99.18%；運輸階段的溫室氣體排放量占比由0.01%提升為0.58%，運行階段的溫室氣體排放量占比由99.92%降為99.35%，使用維護階段電能消耗和制冷劑排放仍是機組全生命周期溫室氣體排放的主要因素，說明生產階段和運輸階段的溫室氣體排放占整個生命周期的排放量基本可以忽略。

表6 生產階段和運輸階段溫室氣體排放量敏感性分析結果

4 結論

本文基于生命周期評價方法開展了磁懸浮離心式冷水機組應用于數據中心的碳足跡分析，對機組原材料獲取、生產、運輸、使用和回收再利用生命周期各階段的溫室氣體排放進行了定量評價，并對關鍵影響因素進行了敏感性分析，得出如下結論：

1）磁懸浮離心式冷水機組應用于數據中心時，整個生命周期溫室氣體排放的主要貢獻來自于機組使用與維護階段電能的消耗，占比96.52%；其次是制冷劑排放占比3.4%；使用與維護階段的溫室氣體排放占比超過99.9%，其他階段基本可以忽略；

2）通過敏感性分析可知，機組運行能耗是溫室氣體排放的關鍵貢獻因素，根據機組應用在不同地域的數據中心有針對性地優化機組設計，提升集中運行工況區的能效水平，可以有效降低機組溫室氣體排放；將制冷劑由R134a更換為低GWP制冷劑R513A后，機組生命周期溫室氣體總量降低2.65%，說明使用更低GWP的制冷劑，也可一定程度降低溫室氣體排放總量；

3）將機組的生產和運輸階段的溫室氣體排放量分別放大到100倍時，對整個生命周期各階段的溫室氣體排放占比影響微乎其微，說明生產階段和運輸階段的溫室氣體排放占整個生命周期的排放量基本可以忽略。