數(shù)據(jù)中心典型冷卻設(shè)備能效等級(jí)提升的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性分析

張 誠(chéng)

(阿里云計(jì)算有限公司,北京)

0 引言

近年來(lái)數(shù)據(jù)中心作為承載著國(guó)家和社會(huì)數(shù)字化、信息化快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在行業(yè)不斷發(fā)展的同時(shí),其高能耗、高碳排放的特點(diǎn)也逐漸受到多方的關(guān)注與重視。據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年我國(guó)社會(huì)總用電量約75 110億kW·h,而數(shù)據(jù)中心總用電量約870億kW·h,占比為1.16%;預(yù)計(jì)到2030年該數(shù)值將達(dá)到1.5%～2.0%,同時(shí)數(shù)據(jù)中心CO2排放總量預(yù)計(jì)將達(dá)到15 000萬(wàn)t,約占全國(guó)排放總量的1.5%[1]。

數(shù)據(jù)中心的總耗電量是指維持?jǐn)?shù)據(jù)中心運(yùn)行的信息設(shè)備(IT)、冷卻設(shè)備、供配電設(shè)備和其他輔助設(shè)施電能消耗的總和[2]。其中冷卻設(shè)備耗電量是除IT設(shè)備外最大的電能消耗部分,也被認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心提高電能利用率PUE(power usage effectiveness)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。近年來(lái),隨著冷卻架構(gòu)的不斷優(yōu)化,數(shù)據(jù)中心冷卻設(shè)備的能耗占比持續(xù)減小,而冷卻系統(tǒng)節(jié)能的根本途徑是盡可能更直接、更充分、更長(zhǎng)時(shí)間地利用自然冷源。例如,常見(jiàn)的冷水+板式換熱器+冷卻塔的水冷架構(gòu),通過(guò)不斷提高供水溫度,在顯著提升制冷機(jī)組COP的同時(shí)也延長(zhǎng)了自然冷卻時(shí)長(zhǎng),在華北地區(qū)全年計(jì)算PUE可低至1.2;在我國(guó)北方地區(qū)常見(jiàn)的新風(fēng)直接自然冷卻架構(gòu),利用室外低溫新風(fēng)直接冷卻IT設(shè)備,減少了間接換熱過(guò)程,僅在極端天氣時(shí)開(kāi)啟備用機(jī)械制冷設(shè)備,系統(tǒng)全年計(jì)算PUE可低至1.15;而阿里巴巴即將大規(guī)模部署的單相浸沒(méi)式液冷技術(shù),可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)氣候區(qū)限制的全年自然冷卻,全年平均計(jì)算PUE可低至1.1[3],已逼近理論極限值。

除了采用更先進(jìn)的冷卻架構(gòu),提高冷卻設(shè)備的能效水平也是進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗的手段之一。近年來(lái),在“雙碳”的背景下,國(guó)家和地方政府相繼出臺(tái)了多項(xiàng)相關(guān)政策[4-6],對(duì)于數(shù)據(jù)中心冷卻設(shè)備能效等級(jí)提出了更高的要求,眾多項(xiàng)目的節(jié)能審查批復(fù)已要求相關(guān)冷卻設(shè)備達(dá)到2級(jí)甚至1級(jí)能效等級(jí)。日趨嚴(yán)格的政策無(wú)疑對(duì)數(shù)據(jù)中心行業(yè)整體的節(jié)能降碳有著積極作用,但在某些特定冷卻架構(gòu)下,部分冷卻設(shè)備的全年能耗存在著一定的特殊性,而相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)設(shè)備能效等級(jí)提升的經(jīng)濟(jì)性也鮮有詳細(xì)闡述。因此本文嘗試針對(duì)數(shù)據(jù)中心典型冷卻設(shè)備,結(jié)合產(chǎn)品能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備實(shí)際數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行邏輯等信息,對(duì)冷卻設(shè)備能效等級(jí)提升的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量分析,以期為行業(yè)內(nèi)相關(guān)節(jié)能工作及設(shè)備選型提供理論參考。

1 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組

1.1 設(shè)備特點(diǎn)及應(yīng)用架構(gòu)

自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組是在水資源有限的地區(qū)、針對(duì)數(shù)據(jù)中心等有全年連續(xù)供冷需求應(yīng)用場(chǎng)景所特殊設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,其構(gòu)成如圖1所示,該設(shè)備在常規(guī)風(fēng)冷冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上,集成了自然冷卻模塊,主要包括自然冷卻盤管、自然冷卻板式換熱器,以及自然冷卻乙二醇循環(huán)泵。

圖1 帶自然冷卻模塊的風(fēng)冷冷水機(jī)組構(gòu)成

該設(shè)備可以在過(guò)渡季及冬季充分利用自然冷源,實(shí)現(xiàn)極高的制冷效率。此外,由于數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)采用較高的冷水供回水溫度,全年自然冷卻工況時(shí)間較長(zhǎng)。表1以張北地區(qū)氣象參數(shù)為例[7],結(jié)合廠家提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù),估算了不同類型風(fēng)冷冷水機(jī)組全年平均制冷性能系數(shù),可以看出,在風(fēng)冷冷水冷卻架構(gòu)下,自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組可以高效且“零”水耗地為數(shù)據(jù)中心供應(yīng)高溫冷水。

表1 不同類型風(fēng)冷冷水機(jī)組全年平均制冷性能系數(shù)估算

此外,自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的另一主要應(yīng)用場(chǎng)景是作為新風(fēng)直接自然冷卻架構(gòu)的輔助(備用)冷源,僅當(dāng)室外空氣溫濕度或污染物濃度超標(biāo)時(shí),開(kāi)啟制冷機(jī)組以保證系統(tǒng)連續(xù)供冷。表2同樣以張北地區(qū)為例[7],統(tǒng)計(jì)了常規(guī)新風(fēng)直接自然冷卻架構(gòu)在不同運(yùn)行工況下的相關(guān)數(shù)據(jù),可以看出張北地區(qū)全年僅有不足7.5%的時(shí)長(zhǎng)需要開(kāi)啟輔助制冷設(shè)備,而隨著今后機(jī)房設(shè)計(jì)溫濕度上限的提高并采用針對(duì)性的新風(fēng)過(guò)濾措施后,輔助制冷設(shè)備全年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)將進(jìn)一步縮短。

表2 張北地區(qū)典型直接新風(fēng)自然冷卻架構(gòu)運(yùn)行工況統(tǒng)計(jì)

1.2 設(shè)備能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析

現(xiàn)行的風(fēng)冷冷水機(jī)組的國(guó)家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 18430.1—2007《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組 第1部分:工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組》[8],而對(duì)應(yīng)的能效等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)為GB 19577—2015《冷水機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)》[9]。由于2本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施時(shí)間較早,現(xiàn)已均在修訂過(guò)程中,表3中對(duì)比了部分關(guān)鍵修訂內(nèi)容。

表3 風(fēng)冷冷水機(jī)組現(xiàn)行及修訂標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容對(duì)比分析

可以看出,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)僅針對(duì)民用舒適性空調(diào)用冷水機(jī)組規(guī)定了測(cè)試名義工況及對(duì)應(yīng)的能效等級(jí)考核指標(biāo),并未考慮數(shù)據(jù)中心專用冷水機(jī)組的應(yīng)用場(chǎng)景;而修訂版標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充了數(shù)據(jù)中心專用型機(jī)組一般性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)工況,提高了冷水供水溫度,新增評(píng)價(jià)指標(biāo)ACCOP,能夠更加合理地衡量數(shù)據(jù)中心專用機(jī)組全年運(yùn)行的能耗情況。以某典型自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組為例,新老標(biāo)準(zhǔn)不同名義工況下能效等級(jí)情況如表4所示。由于冷凝器側(cè)增加了自然冷卻盤管,風(fēng)路阻力增大,風(fēng)機(jī)功耗較高;且為了保證在高出水溫度工況下較高的制冷效率,壓縮機(jī)需要進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化,導(dǎo)致現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)名義工況下的能效等級(jí)偏低(3級(jí));但由于可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的自然冷卻,全年綜合制冷性能系數(shù)較高,較GB/T 18430.1(送審稿)中的準(zhǔn)入值有較大比例提升,待GB 19577完成修訂后,能效等級(jí)預(yù)期可達(dá)到2級(jí),甚至1級(jí)。

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)名義工況下機(jī)組性能參數(shù)及能效等級(jí)對(duì)比

此外,通過(guò)相關(guān)產(chǎn)品調(diào)研,當(dāng)自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組采用變頻壓縮機(jī)時(shí),由于壓縮機(jī)存在一定功耗,雖然其ACCOP值較高,但對(duì)于數(shù)據(jù)中心常用的大冷量機(jī)型,受限于設(shè)備尺寸及運(yùn)輸問(wèn)題,很難達(dá)到GB/T 18430.1(送審稿)中COPc不小于3.3的設(shè)備準(zhǔn)入門檻;而當(dāng)采用定頻壓縮機(jī)時(shí),雖然部分機(jī)型可以滿足COPc不小于3.3,但其ACCOP值卻明顯偏低。因此從降低全年總能耗的角度考慮,推薦對(duì)于自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組重點(diǎn)考核其ACCOP值,取消或降低COPc的準(zhǔn)入門檻限值,避免造成該類型產(chǎn)品為了滿足準(zhǔn)入指標(biāo),只能采用定頻壓縮機(jī)的現(xiàn)象。

1.3 能效等級(jí)提升經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)1.2節(jié)分析可知,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組的能效等級(jí)判定是明顯不適用的,但現(xiàn)階段僅有GB/T 18430.1(送審稿)中給出了設(shè)備的市場(chǎng)準(zhǔn)入值(以北京為典型城市),而新版GB 19577尚在參數(shù)調(diào)研及討論中,1、2級(jí)能效等級(jí)的ACCOP限值尚未確定,因此本節(jié)將通過(guò)在ACCOP市場(chǎng)準(zhǔn)入值的基礎(chǔ)上提升百分比的方式,對(duì)假想的不同能效等級(jí)設(shè)備進(jìn)行全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,此外分別考慮了設(shè)備作為主用冷源和備用冷源的不同應(yīng)用場(chǎng)景,分析過(guò)程及估算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組能效等級(jí)提升的經(jīng)濟(jì)性分析

從表5可以看出:當(dāng)自然冷卻風(fēng)冷冷水機(jī)組(制冷量1 266 kW,冷水供/回水溫度18 ℃/24 ℃)作為主用冷源時(shí),選用高能效等級(jí)的設(shè)備可以顯著降低全年運(yùn)行能耗,10 a總擁有成本(TCO,total cost of ownership)有明顯優(yōu)勢(shì),動(dòng)態(tài)投資回收期不滿2 a;但當(dāng)該設(shè)備作為新風(fēng)直接自然冷卻架構(gòu)的備用冷源時(shí),由于全年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)有限,能效等級(jí)提升帶來(lái)的節(jié)能收益不明顯,10 a的TCO偏高,動(dòng)態(tài)投資回收期長(zhǎng)達(dá)12 a。此外,該結(jié)果基于北京氣候數(shù)據(jù)計(jì)算所得,當(dāng)設(shè)備應(yīng)用于烏蘭察布、張北等氣候更加涼爽的地區(qū)時(shí),由于全年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)更短,備用冷源提升能效等級(jí)的經(jīng)濟(jì)性將更差。

2 開(kāi)式冷卻塔

2.1 設(shè)備能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析

開(kāi)式冷卻塔是數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中主要的散熱設(shè)備,常與水冷式冷水機(jī)組、板式換熱器及循環(huán)水泵等設(shè)備組成常見(jiàn)的冷水冷卻架構(gòu),其散熱能力的強(qiáng)弱直接影響到冷水機(jī)組的運(yùn)行效率及系統(tǒng)全年自然冷卻工況的時(shí)長(zhǎng)。由于需要全年散熱,數(shù)據(jù)中心用冷卻塔通常按照自然冷卻工況進(jìn)行選型,并對(duì)夏季設(shè)計(jì)工況進(jìn)行校核。

用于判定數(shù)據(jù)中心常用開(kāi)式冷卻塔能效等級(jí)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 7190.1—2018《機(jī)械通風(fēng)冷卻塔 第1部分:中小型開(kāi)式冷卻塔》[10],其中衡量冷卻塔能效水平的指標(biāo)為耗電比,即冷卻塔風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的輸入有功功率與標(biāo)準(zhǔn)工況下冷卻水流量的比值,能效等級(jí)分為1～5級(jí),1級(jí)能效等級(jí)最優(yōu)。此外由于數(shù)據(jù)中心常用冷卻水設(shè)計(jì)溫度較接近標(biāo)準(zhǔn)工況Ⅰ,因此根據(jù)實(shí)際工況選型后的冷卻塔一般需換算至標(biāo)準(zhǔn)工況Ⅰ下的冷卻水流量進(jìn)行設(shè)備能效等級(jí)判定。

2.2 能效等級(jí)提升經(jīng)濟(jì)性分析

選取水冷集中式冷水架構(gòu)及小顆粒度液冷架構(gòu)中常見(jiàn)的2種冷卻塔型號(hào),結(jié)合廠家選型及詢價(jià)數(shù)據(jù),以杭州地區(qū)作為典型城市對(duì)不同能效等級(jí)的冷卻塔進(jìn)行全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,分析過(guò)程及估算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 開(kāi)式冷卻塔能效等級(jí)提升的經(jīng)濟(jì)性分析

從表6可以看出,采用高能效等級(jí)的冷卻塔,由于電動(dòng)機(jī)配電功率減小,可顯著降低冷卻塔的全年運(yùn)行能耗,10 a總擁有成本有明顯優(yōu)勢(shì),且動(dòng)態(tài)投資回收期不足3.5 a。因此,雖然GB/T 7190.1—2018僅為推薦性標(biāo)準(zhǔn),不強(qiáng)制執(zhí)行,且通常冷卻塔出廠也不提供能效等級(jí)標(biāo)識(shí),但在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中,選擇高能效等級(jí)的冷卻塔,對(duì)于降低系統(tǒng)PUE、減少全壽命周期運(yùn)行能耗有著顯著效果。

3 三相異步電動(dòng)機(jī)

3.1 政策及能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析

據(jù)統(tǒng)計(jì),作為常規(guī)機(jī)電動(dòng)力設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)部件,電動(dòng)機(jī)的總耗電量占我國(guó)總耗電量的64%左右,其中工業(yè)領(lǐng)域占比達(dá)到75%左右,因此不斷推廣高效電動(dòng)機(jī)、淘汰在用低效電動(dòng)機(jī)、根據(jù)負(fù)載特性對(duì)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造,對(duì)整個(gè)社會(huì)的節(jié)能減碳有著顯著意義。2021年11月,工業(yè)和信息化部辦公廳、市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳聯(lián)合印發(fā)《電機(jī)能效提升計(jì)劃(2021—2023年)》[4],其中指出應(yīng)加大高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)應(yīng)用力度,針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等通用設(shè)備,鼓勵(lì)采用2級(jí)能效及以上的電動(dòng)機(jī)。

常用三相異步電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)行能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為GB 18613—2020《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》[11],該標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-01及2022年11月由國(guó)家發(fā)展和改革委等部門發(fā)布的《重點(diǎn)用能產(chǎn)品設(shè)備能效先進(jìn)水平、節(jié)能水平和準(zhǔn)入水平(2022年版)》[5]的對(duì)照信息見(jiàn)表7。

表7 電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及節(jié)能評(píng)價(jià)水平對(duì)比

3.2 能效等級(jí)提升經(jīng)濟(jì)性分析

圖2對(duì)比了現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2020中不同額定功率、不同能效等級(jí)電動(dòng)機(jī)的效率值(以4級(jí)為例)。可以看出:隨著能效等級(jí)的提升,在小功率段電動(dòng)機(jī)的效率提升幅度較大,如1.5 kW以下的電動(dòng)機(jī),1級(jí)能效較3級(jí)能效電動(dòng)機(jī)效率可提升5%～10%;而隨著額定功率的增大,電動(dòng)機(jī)效率提升的幅度逐漸減小,如空調(diào)水泵常用的75 kW電動(dòng)機(jī),效率提升僅為1.7%。

圖2 不同額定功率、不同能效等級(jí)電動(dòng)機(jī)效率及差值對(duì)比

由于數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目一般直接采購(gòu)包含電動(dòng)機(jī)的整機(jī)設(shè)備,而空調(diào)水泵中電動(dòng)機(jī)的成本占比較高,因此本節(jié)選取前文中涉及的直接新風(fēng)自然冷卻架構(gòu)、水冷集中式冷水架構(gòu)及小顆粒度液冷架構(gòu)中常見(jiàn)3種型號(hào)的空調(diào)水泵,結(jié)合廠家選型及詢價(jià)數(shù)據(jù),對(duì)采用不同能效等級(jí)電動(dòng)機(jī)的空調(diào)水泵進(jìn)行全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估,分析過(guò)程及估算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 三相異步電動(dòng)機(jī)能效等級(jí)提升的經(jīng)濟(jì)性分析

高能效電動(dòng)機(jī)主要通過(guò)增加銅線用量、提升硅鋼片牌號(hào)及優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)等工藝手段降低電動(dòng)機(jī)損耗,由于材料成本及量產(chǎn)規(guī)模等因素影響,現(xiàn)階段市場(chǎng)1、2級(jí)電動(dòng)機(jī)的成本明顯偏高,而能效等級(jí)提升帶來(lái)的效率提高卻不明顯。從表8可以看出,采用高能效等級(jí)的電動(dòng)機(jī)節(jié)省的運(yùn)行能耗(費(fèi)用)十分有限,每年的電費(fèi)收益不及初投資增加所帶來(lái)的資金利息,無(wú)法回收成本。因此采用高能效等級(jí)的電動(dòng)機(jī)雖然可以取得一定的節(jié)能效果,但在現(xiàn)階段尚不具有經(jīng)濟(jì)性,而對(duì)于非全年運(yùn)行的水泵,這一現(xiàn)象更加明顯。

4 結(jié)論

冷卻設(shè)備是數(shù)據(jù)中心輔助系統(tǒng)中的能耗大戶,不斷提高能效等級(jí)是降低能耗的有效手段,本文對(duì)3種數(shù)據(jù)中心典型的冷卻設(shè)備能效等級(jí)提升的節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了全壽命周期分析,結(jié)論及建議如下:

1) 數(shù)據(jù)中心冷卻設(shè)備能效等級(jí)的要求,不建議采取“一刀切”的方式,應(yīng)有針對(duì)性地判斷該設(shè)備是否為長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的主要用能設(shè)備,對(duì)于備用或輔助設(shè)備,不建議要求過(guò)高的能效等級(jí),否則不但全壽命周期的節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性不佳,在設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生更多的能耗與碳排放,得不償失。

2) 建議數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目不再針對(duì)單一設(shè)備進(jìn)行能效等級(jí)考核(需滿足市場(chǎng)準(zhǔn)入值),可參照GB 40879—2021《數(shù)據(jù)中心能效限定值及能效等級(jí)》[2],重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)及運(yùn)行PUE進(jìn)行嚴(yán)格考核,以達(dá)到系統(tǒng)整體節(jié)能的根本目的。

3) 現(xiàn)階段,對(duì)于提出設(shè)備能效等級(jí)政策要求的新建項(xiàng)目,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)節(jié)能審查批復(fù)文件規(guī)定,采購(gòu)符合要求的機(jī)電設(shè)備;對(duì)于沒(méi)有明確要求的項(xiàng)目,可參考本文中典型冷卻設(shè)備能效等級(jí)提升的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果或方法,有選擇地提高部分設(shè)備能效等級(jí)要求,在響應(yīng)國(guó)家節(jié)能政策的同時(shí),有效降低項(xiàng)目全壽命周期的TCO。

4) 本文中所有節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性測(cè)算的數(shù)據(jù)均是根據(jù)相關(guān)設(shè)備能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行的理論計(jì)算,并非數(shù)據(jù)中心實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)行數(shù)據(jù),僅供參考。