數據中心典型冷卻設備能效等級提升的節能性與經濟性分析

張 誠

(阿里云計算有限公司,北京)

0 引言

近年來數據中心作為承載著國家和社會數字化、信息化快速發展的重要基礎設施,在行業不斷發展的同時,其高能耗、高碳排放的特點也逐漸受到多方的關注與重視。據統計,2020年我國社會總用電量約75 110億kW·h,而數據中心總用電量約870億kW·h,占比為1.16%;預計到2030年該數值將達到1.5%～2.0%,同時數據中心CO2排放總量預計將達到15 000萬t,約占全國排放總量的1.5%[1]。

數據中心的總耗電量是指維持數據中心運行的信息設備(IT)、冷卻設備、供配電設備和其他輔助設施電能消耗的總和[2]。其中冷卻設備耗電量是除IT設備外最大的電能消耗部分,也被認為是數據中心提高電能利用率PUE(power usage effectiveness)最關鍵的環節之一。近年來,隨著冷卻架構的不斷優化,數據中心冷卻設備的能耗占比持續減小,而冷卻系統節能的根本途徑是盡可能更直接、更充分、更長時間地利用自然冷源。例如,常見的冷水+板式換熱器+冷卻塔的水冷架構,通過不斷提高供水溫度,在顯著提升制冷機組COP的同時也延長了自然冷卻時長,在華北地區全年計算PUE可低至1.2;在我國北方地區常見的新風直接自然冷卻架構,利用室外低溫新風直接冷卻IT設備,減少了間接換熱過程,僅在極端天氣時開啟備用機械制冷設備,系統全年計算PUE可低至1.15;而阿里巴巴即將大規模部署的單相浸沒式液冷技術,可進一步實現無氣候區限制的全年自然冷卻,全年平均計算PUE可低至1.1[3],已逼近理論極限值。

除了采用更先進的冷卻架構,提高冷卻設備的能效水平也是進一步降低系統能耗的手段之一。近年來,在“雙碳”的背景下,國家和地方政府相繼出臺了多項相關政策[4-6],對于數據中心冷卻設備能效等級提出了更高的要求,眾多項目的節能審查批復已要求相關冷卻設備達到2級甚至1級能效等級。日趨嚴格的政策無疑對數據中心行業整體的節能降碳有著積極作用,但在某些特定冷卻架構下,部分冷卻設備的全年能耗存在著一定的特殊性,而相關文獻對設備能效等級提升的經濟性也鮮有詳細闡述。因此本文嘗試針對數據中心典型冷卻設備,結合產品能效等級標準、設備實際數據及系統運行邏輯等信息,對冷卻設備能效等級提升的節能性與經濟性進行定量分析,以期為行業內相關節能工作及設備選型提供理論參考。

1 自然冷卻風冷冷水機組

1.1 設備特點及應用架構

自然冷卻風冷冷水機組是在水資源有限的地區、針對數據中心等有全年連續供冷需求應用場景所特殊設計的產品,其構成如圖1所示,該設備在常規風冷冷水機組的基礎上,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泵。

圖1 帶自然冷卻模塊的風冷冷水機組構成

該設備可以在過渡季及冬季充分利用自然冷源,實現極高的制冷效率。此外,由于數據中心設計采用較高的冷水供回水溫度,全年自然冷卻工況時間較長。表1以張北地區氣象參數為例[7],結合廠家提供的產品數據,估算了不同類型風冷冷水機組全年平均制冷性能系數,可以看出,在風冷冷水冷卻架構下,自然冷卻風冷冷水機組可以高效且“零”水耗地為數據中心供應高溫冷水。

表1 不同類型風冷冷水機組全年平均制冷性能系數估算

此外,自然冷卻風冷冷水機組的另一主要應用場景是作為新風直接自然冷卻架構的輔助(備用)冷源,僅當室外空氣溫濕度或污染物濃度超標時,開啟制冷機組以保證系統連續供冷。表2同樣以張北地區為例[7],統計了常規新風直接自然冷卻架構在不同運行工況下的相關數據,可以看出張北地區全年僅有不足7.5%的時長需要開啟輔助制冷設備,而隨著今后機房設計溫濕度上限的提高并采用針對性的新風過濾措施后,輔助制冷設備全年運行時長將進一步縮短。

表2 張北地區典型直接新風自然冷卻架構運行工況統計

1.2 設備能效等級標準分析

現行的風冷冷水機組的國家產品標準為GB/T 18430.1—2007《蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組 第1部分:工業或商業用及類似用途的冷水(熱泵)機組》[8],而對應的能效等級判定標準為GB 19577—2015《冷水機組能效限定值及能效等級》[9]。由于2本標準實施時間較早,現已均在修訂過程中,表3中對比了部分關鍵修訂內容。

表3 風冷冷水機組現行及修訂標準內容對比分析

可以看出,現行標準僅針對民用舒適性空調用冷水機組規定了測試名義工況及對應的能效等級考核指標,并未考慮數據中心專用冷水機組的應用場景;而修訂版標準中補充了數據中心專用型機組一般性能試驗的標準工況,提高了冷水供水溫度,新增評價指標ACCOP,能夠更加合理地衡量數據中心專用機組全年運行的能耗情況。以某典型自然冷卻風冷冷水機組為例,新老標準不同名義工況下能效等級情況如表4所示。由于冷凝器側增加了自然冷卻盤管,風路阻力增大,風機功耗較高;且為了保證在高出水溫度工況下較高的制冷效率,壓縮機需要進行針對性優化,導致現行標準名義工況下的能效等級偏低(3級);但由于可實現長時間的自然冷卻,全年綜合制冷性能系數較高,較GB/T 18430.1(送審稿)中的準入值有較大比例提升,待GB 19577完成修訂后,能效等級預期可達到2級,甚至1級。

表4 不同標準名義工況下機組性能參數及能效等級對比

此外,通過相關產品調研,當自然冷卻風冷冷水機組采用變頻壓縮機時,由于壓縮機存在一定功耗,雖然其ACCOP值較高,但對于數據中心常用的大冷量機型,受限于設備尺寸及運輸問題,很難達到GB/T 18430.1(送審稿)中COPc不小于3.3的設備準入門檻;而當采用定頻壓縮機時,雖然部分機型可以滿足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,推薦對于自然冷卻風冷冷水機組重點考核其ACCOP值,取消或降低COPc的準入門檻限值,避免造成該類型產品為了滿足準入指標,只能采用定頻壓縮機的現象。

1.3 能效等級提升經濟性分析

通過1.2節分析可知,現行標準對于自然冷卻風冷冷水機組的能效等級判定是明顯不適用的,但現階段僅有GB/T 18430.1(送審稿)中給出了設備的市場準入值(以北京為典型城市),而新版GB 19577尚在參數調研及討論中,1、2級能效等級的ACCOP限值尚未確定,因此本節將通過在ACCOP市場準入值的基礎上提升百分比的方式,對假想的不同能效等級設備進行全壽命周期的經濟性評估,此外分別考慮了設備作為主用冷源和備用冷源的不同應用場景,分析過程及估算結果見表5。

表5 自然冷卻風冷冷水機組能效等級提升的經濟性分析

從表5可以看出:當自然冷卻風冷冷水機組(制冷量1 266 kW,冷水供/回水溫度18 ℃/24 ℃)作為主用冷源時,選用高能效等級的設備可以顯著降低全年運行能耗,10 a總擁有成本(TCO,total cost of ownership)有明顯優勢,動態投資回收期不滿2 a;但當該設備作為新風直接自然冷卻架構的備用冷源時,由于全年運行時長有限,能效等級提升帶來的節能收益不明顯,10 a的TCO偏高,動態投資回收期長達12 a。此外,該結果基于北京氣候數據計算所得,當設備應用于烏蘭察布、張北等氣候更加涼爽的地區時,由于全年運行時長更短,備用冷源提升能效等級的經濟性將更差。

2 開式冷卻塔

2.1 設備能效等級標準分析

開式冷卻塔是數據中心冷卻系統中主要的散熱設備,常與水冷式冷水機組、板式換熱器及循環水泵等設備組成常見的冷水冷卻架構,其散熱能力的強弱直接影響到冷水機組的運行效率及系統全年自然冷卻工況的時長。由于需要全年散熱,數據中心用冷卻塔通常按照自然冷卻工況進行選型,并對夏季設計工況進行校核。

用于判定數據中心常用開式冷卻塔能效等級的現行標準為GB/T 7190.1—2018《機械通風冷卻塔 第1部分:中小型開式冷卻塔》[10],其中衡量冷卻塔能效水平的指標為耗電比,即冷卻塔風機電動機的輸入有功功率與標準工況下冷卻水流量的比值,能效等級分為1～5級,1級能效等級最優。此外由于數據中心常用冷卻水設計溫度較接近標準工況Ⅰ,因此根據實際工況選型后的冷卻塔一般需換算至標準工況Ⅰ下的冷卻水流量進行設備能效等級判定。

2.2 能效等級提升經濟性分析

選取水冷集中式冷水架構及小顆粒度液冷架構中常見的2種冷卻塔型號,結合廠家選型及詢價數據,以杭州地區作為典型城市對不同能效等級的冷卻塔進行全壽命周期的經濟性評估,分析過程及估算結果見表6。

表6 開式冷卻塔能效等級提升的經濟性分析

從表6可以看出,采用高能效等級的冷卻塔,由于電動機配電功率減小,可顯著降低冷卻塔的全年運行能耗,10 a總擁有成本有明顯優勢,且動態投資回收期不足3.5 a。因此,雖然GB/T 7190.1—2018僅為推薦性標準,不強制執行,且通常冷卻塔出廠也不提供能效等級標識,但在長時間連續運行的數據中心項目中,選擇高能效等級的冷卻塔,對于降低系統PUE、減少全壽命周期運行能耗有著顯著效果。

3 三相異步電動機

3.1 政策及能效等級標準分析

據統計,作為常規機電動力設備的主要驅動部件,電動機的總耗電量占我國總耗電量的64%左右,其中工業領域占比達到75%左右,因此不斷推廣高效電動機、淘汰在用低效電動機、根據負載特性對電動機系統進行節能改造,對整個社會的節能減碳有著顯著意義。2021年11月,工業和信息化部辦公廳、市場監管總局辦公廳聯合印發《電機能效提升計劃(2021—2023年)》[4],其中指出應加大高效節能電動機應用力度,針對風機、水泵、壓縮機、機床等通用設備,鼓勵采用2級能效及以上的電動機。

常用三相異步電動機的現行能效等級標準為GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》[11],該標準與國際標準IEC 60034-01及2022年11月由國家發展和改革委等部門發布的《重點用能產品設備能效先進水平、節能水平和準入水平(2022年版)》[5]的對照信息見表7。

表7 電動機能效等級標準及節能評價水平對比

3.2 能效等級提升經濟性分析

圖2對比了現行國家標準GB 18613—2020中不同額定功率、不同能效等級電動機的效率值(以4級為例)。可以看出:隨著能效等級的提升,在小功率段電動機的效率提升幅度較大,如1.5 kW以下的電動機,1級能效較3級能效電動機效率可提升5%～10%;而隨著額定功率的增大,電動機效率提升的幅度逐漸減小,如空調水泵常用的75 kW電動機,效率提升僅為1.7%。

圖2 不同額定功率、不同能效等級電動機效率及差值對比

由于數據中心項目一般直接采購包含電動機的整機設備,而空調水泵中電動機的成本占比較高,因此本節選取前文中涉及的直接新風自然冷卻架構、水冷集中式冷水架構及小顆粒度液冷架構中常見3種型號的空調水泵,結合廠家選型及詢價數據,對采用不同能效等級電動機的空調水泵進行全壽命周期的經濟性評估,分析過程及估算結果見表8。

表8 三相異步電動機能效等級提升的經濟性分析

高能效電動機主要通過增加銅線用量、提升硅鋼片牌號及優化轉子設計等工藝手段降低電動機損耗,由于材料成本及量產規模等因素影響,現階段市場1、2級電動機的成本明顯偏高,而能效等級提升帶來的效率提高卻不明顯。從表8可以看出,采用高能效等級的電動機節省的運行能耗(費用)十分有限,每年的電費收益不及初投資增加所帶來的資金利息,無法回收成本。因此采用高能效等級的電動機雖然可以取得一定的節能效果,但在現階段尚不具有經濟性,而對于非全年運行的水泵,這一現象更加明顯。

4 結論

冷卻設備是數據中心輔助系統中的能耗大戶,不斷提高能效等級是降低能耗的有效手段,本文對3種數據中心典型的冷卻設備能效等級提升的節能性及經濟性進行了全壽命周期分析,結論及建議如下:

1) 數據中心冷卻設備能效等級的要求,不建議采取“一刀切”的方式,應有針對性地判斷該設備是否為長時間連續運行的主要用能設備,對于備用或輔助設備,不建議要求過高的能效等級,否則不但全壽命周期的節能性及經濟性不佳,在設備生產過程中還會產生更多的能耗與碳排放,得不償失。

2) 建議數據中心項目不再針對單一設備進行能效等級考核(需滿足市場準入值),可參照GB 40879—2021《數據中心能效限定值及能效等級》[2],重點對數據中心設計及運行PUE進行嚴格考核,以達到系統整體節能的根本目的。

3) 現階段,對于提出設備能效等級政策要求的新建項目,應嚴格執行相關節能審查批復文件規定,采購符合要求的機電設備;對于沒有明確要求的項目,可參考本文中典型冷卻設備能效等級提升的經濟性分析結果或方法,有選擇地提高部分設備能效等級要求,在響應國家節能政策的同時,有效降低項目全壽命周期的TCO。

4) 本文中所有節能性及經濟性測算的數據均是根據相關設備能效等級標準限值進行的理論計算,并非數據中心實際項目的運行數據,僅供參考。