关键词：数据中心；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；能效等；总拥有成本（TCO）

作者：张诚（阿里云计算有限公司）

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）关键的环节之一。近年来，随着冷却架构的不断优化，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，通过不断提高供水温度，在显著提升制冷机组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进一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相关政策，对于数据中心冷却设备能效等提出了更高的要求，众多项目的节能审查批复已要求相关冷却设备达到2甚至1能效等。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积作用，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。

1.1 设备特点及应用架构

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，主要包括自然冷却盘管、自然冷却板式换热器，以及自然冷却乙二醇循环泵。

1.2 设备能效等标准分析

现行的风冷冷水机组的国家产品标准为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》，而对应的能效等判定标准为GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效等》。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。

此外，通过相关产品调研，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，虽然部分机型可以满足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了满足准入指标，只能采用定频压缩机的现象。

1.3 能效等提升经济性分析

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能效等的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设备进行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可以看出：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，选用高能效等的设备可以显著降低全年运行能耗，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的经济性将更差。

2.1 设备能效等标准分析

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，能效等分为1～5，1能效等优。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，因此根据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判定。

2.2 能效等提升经济性分析

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。

3.1 政策及能效等标准分析

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，工业和信息化部办公厅、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能效及以上的电动机。

常用三相异步电动机的现行能效等标准为GB 18613—2020《电动机能效限定值及能效等》，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先进水平、节能水平和准入水平（2022年版）》的对照信息见表7。

3.2 能效等提升经济性分析

图2对比了现行国家标准GB 18613—2020中不同额定功率、不同能效等电动机的效率值（以4为例）。可以看出：随着能效等的提升，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能效较3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%。