磁悬浮离心式冷水机组应用于数据中心的碳足迹分析

昝世超，吴俊峰，屈博艺，周俊海，张秀平

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

5G移动通信、互联网、云计算、大数据和AI人工智能等技术的高速发展，推动了数据中心的飞速发展。数据中心高速发展的同时，也带来了能源的巨大消耗。《中国绿色数据中心白皮书》显示，2017年中国数据中心耗电量为1 221.5亿千瓦时，超过当年三峡大坝全年发电量[1-2]。《中国“新基建”发展研究报告》称，从全球来看，到2025年数据中心将占全球能耗的最大份额，高达33%。从国内看，全国数据中心的耗电量已连续八年以超过12%的速度增长[2]。在数据中心，为了维持IT安全运行恒定的室内温度，需要全年为之降温，空调系统能耗占了数据中心机房总能耗40%以上，其中，制冷主机能耗是空调系统的主要能耗[3]。近年来，磁悬浮离心式制冷机组由于其高能效、低噪声、寿命长和体积小等特点在数据中心领域得到广泛应用[4-7]。磁悬浮离心式制冷机组的驱动能源主要以电能为基础，而我国电能主要以火力发电为主，机组电能消耗排放的碳氢化合物、CO2和黑碳是全球变暖的推手，机组使用的HFCs、HFOs类制冷剂也属于高全球增温潜势的温室气体[8-10]。因此，磁悬浮离心式制冷机组温室气体排放的控制对数据中心节能和绿色发展具有重要意义。

磁悬浮离心式冷水机组应用于数据中心的温室气体排放涉及原材料获取、机组生产、运输、使用与维护、系统拆解与再利用等生命周期的各个阶段，开展其碳足迹核算与分析将成为机组减排的起点，可协助企业在机组生命周期各个阶段寻找降低温室气体排放的机会，追踪评估低碳措施的有效性及效率，以达到机组乃至数据中心低碳发展的目的。国际上采用生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）方法[11]对制冷空调产品进行环境影响评价和碳足迹分析。对于冷水机组的生命周期碳足迹分析。BUKOSKI等[12]采用LCA方法对太阳能辅助吸收式冷水机组和传统蒸气压缩式冷水机组应用于体育场空调系统的各类环境影响效应进行了评价和对比分析。吴俊峰等[13]采用LCA方法分析了离心式冷水机组应用于舒适性空调系统的环境影响水平和关键影响因素。蔡亮等[14]对螺杆式冷水机组的生命周期环境效应和关键影响因素进行了分析。上述研究均涉及到生命周期温室气体排放的评估。BYRD等[15]采用LCA方法对比分析了应用磁悬浮轴承和机械轴承的离心式冷水机组应用于舒适性空调系统的生命周期温室气体排放。

综上所述，应用LCA方法进行冷水机组生命周期环境影响评价和碳足迹研究，已取得了积极进展，在冷水机组应用于舒适性空调系统的温室气体排放贡献方面取得了共识。与舒适性空调系统的冷水机组负载随着室外环境温度降低而降低有所不同，数据中心机房用机组负荷受环境温度影响较小，如忽略围护结构传热差异，可认为离心式冷水机组的负载为恒定的，且机组需全年无间断运行[16]。因此，冷水机组应用于舒适性空调系统温室气体排放的研究结论并不完全适用于数据中心空调系统。

本文基于GB/T 33224—2016[17]规定的制冷系统环境影响评价方法对磁悬浮离心式冷水机组应用于数据中心的生命周期碳足迹进行定量评价，通过实例分析，辨识磁悬浮离心式冷水机组应用于数据中心的全生命周期内温室气体排放的主要阶段和关键影响因素，以期为机组的绿色设计提供依据。

1 研究目标与范围

1.1 研究对象

本文选取某型800 RT磁悬浮离心式冷水机组为研究对象，机组的主要参数如表1所示，制冷剂为R134a。功能单位选取一台磁悬浮离心式冷水机组产品。

表1 某型磁悬浮离心式冷水机组主要技术参数

1.2 系统边界

系统边界覆盖磁悬浮离心式冷水机组的全生命周期包括机组原材料获取、机组生产、机组的使用与维护、机组的运输阶段以及机组的回收与处置5个阶段，具体的系统边界如图1所示。碳足迹核算的排放物质包含京东议定书规定的CO2、CH4、N2O、SF6、HFCs和PFCs这6类温室气体，还包含目前机组制冷剂替代过程中常用的HFOs类制冷剂。

图1 磁悬浮离心式冷水机组碳足迹评价的系统边界

2 机组生命周期温室气体排放的计算方法

2.1 数据获取

磁悬浮离心式冷水机组碳足迹分析数据包括背景数据和企业现场数据两部分。背景数据包括原材料、能源生产以及运输过程的温室气体排放基础数据，通常采用国家LCA评价数据库，我国目前还没有公开发表的背景数据库，本文研究过程中主要选取四川大学开发的中国生命周期基础数据库[19]和欧盟生命周期基础数据库中的基础数据进行分析。企业现场数据包括材料、能源投入和排放数据，主要根据机组的装配关系和加工工艺过程进行数据收集（图1）。

2.2 生命周期温室气体排放计算

2.2.1 原材料获取阶段

该阶段的温室气体排放主要来自于机组及其零部件主要用材的开采和生产过程。数据获取过程中，忽略了质量比小于0.5%的原材料，但所选原材料的总重量不低于产品总重量的96%；此外，限于数据的可获得性，将原材料分为铸铁，钢材、铜材等6个大类，按照全国平均数据进行分析，没有再按材料的具体牌号进行分类。通过企业调研获得机组的主要材料汇总清单，包括铸铁53 kg、钢材6 953 kg、铜材3 059 kg、铝材320 kg、橡胶4.6 kg、塑料3.4 kg，合计10 393 kg。机组总重量11 000 kg，分析过程主要材料清单占比94.48%，满足上述取舍原则。

产品原材料获取阶段温室气体排放量计算：

式中，CM为原材料获取阶段的温室气体排放量，以CO2当量作为度量，kg；mi为机组第i种材料的用量，kg；FC,i为机组第i种材料的温室气体排放因子，表示每千克第i种材料在原材料获取阶段的温室气体排放量，kg/kg。

2.2.2 机组生产阶段

该阶段的温室气体排放主要环境影响来自机组及其零部件的加工与装配过程中资源、能源投入的温室气体排放和温室气体的直接排放。限于数据的可获得性，本文忽略了机组外协件和部分零部件生产过程中的投入和温室气体排放，主要考虑机组装配过程。另外，在机组及零部件生产装配过程中，忽略了用量较少的辅材。通过企业调研的数据得到机组生产阶段的能源和材料投入汇总清单，包括电能消耗2 500 kW·h、CO2气体2.4 m3、乙炔0.2 m3。外协件生产过程的温室气体排放忽略会对碳足迹结果有一定的影响，文中后面将通过敏感度分析来进一步确定其影响程度。

机组生产过程的温室气体排放量计算：

式中，CP为生产阶段的温室气体排放量，以CO2当量作为度量，kg；mq为机组第p个加工工艺过程中第q种资源、能源的用量或温室气体直接排放量，kg、kW·h或m3；FC,q为机组第p个加工工艺过程中第q种资源、能源或直接排放的温室气体的排放因子，kg/kg、kg/(kW·h）或kg/m3；k为机组加工工艺过程数量；l为计入机组第p个加工工艺过程中消耗的资源、能源和排放的温室气体类型数量。

2.2.3 使用与维护阶段

该阶段的主要温室气体排放来自机组使用与维护阶段的能源消耗以及制冷剂排放。数据中心用磁悬浮离心式冷水机组的能源消耗主要与机房的冷负荷、机组运行过程的性能系数和运行小时数相关。机房的冷负荷主要为IT设备发热量，而IT设备的发热量全年基本恒定。因此本文假设数据中心的冷负荷全年恒定，机组运行过程的性能系数与机组本身的设计水平、机组所处区域的气候条件相关，机组的运行小时数与机组所处区域的气候条件直接相关。基于上述分析，采用典型城市的气候温度分布来建立机组的全年能耗模型，如式(3)所示：

式中，E为机组全年耗能量，kW·h；Qc(tj)为温度tj时机组的制冷量，kW；Tj为各温度区间下工作时间，h；COPbin(tj)为温度tj时机组的性能系数，通过测试和计算获得。

为了简化上述能耗计算模型，根据温度运行分布区间，将机组的测试工况分为4个工况，通过实测获得机组的性能系数如表2所示。对于数据中心的空调系统，当室外环境温度低于一定值时，机房的负荷可以通过冷却水全部或者部分供冷。根据实际机房应用调研，本文假设冷却水温度tc低于8 ℃时，机房负荷全部由冷却水供冷，冷水机组不开启；当冷却水温度tc介于8～15 ℃时，机房负荷50%由冷却水供冷，冷水机组在50%负载运行；其余工况条件下，机房负荷全部由冷水机组提供，冷却水温度tc与环境湿球温度tw相关。典型城市冷水机组使用的温度区间运行小时数如表3所示。

表2 某型磁悬浮离心式冷水机组实测性能

表3 典型城市地区冷水机组使用温度区间运行时间

本文选取北京作为典型城市，根据式(3)以及表2、表3的机组实测制冷量、性能系数和运行小时数估算出机组在北京运行全年制冷时消耗的总电量为1.08×106kW·h，机组寿命期30年的总消耗电能为3.24×107kW·h。机组品使用与维护阶段电能消耗带来的温室气体排放量应按式(4)计算：

式中，CU,E为机组使用与维护阶段电能消耗带来的温室气体排放量，以CO2当量作为度量，kg；FC,E为电能的温室气体排放因子，kg/(kW·h），选取全国平均电能排放因子；N为机组设计使用寿命，a。

制冷剂消耗带来的温室气体排放量计算：

式中，CU,R为机组使用制冷剂带来的温室气体排放量，以CO2当量作为度量，kg；mR为机组的制冷剂设计充注量，kg；aR为制冷剂回收率；L为机组的制冷剂年泄漏率，%；N为机组的设计使用寿命，a；GWP为制冷剂的全球变暖潜值。

2.2.4 产品运输

该阶段的主要温室气体排放来自于运输过程工具的能源消耗和尾气排放，包括机组原材料和外购件运输到生产现场、机组生产过程中物料搬运、机组从制造商到使用场所以及寿命期后从使用场所到拆解场地全过程运输工具带来的温室气体排放。由于生产过程中的物料搬运数据难以获得，本文忽略该过程的运输排放，本文中选取机组原材料和外购件运输到生产现场、机组从制造商到使用场所以及寿命期后从使用场所到拆解场地3个过程，运输过程假设采用大、中型柴油货车运输，机组寿命期后从使用场所到拆解场地运输距离假设为100 km，其余两个过程运输距离为500 km。

机组运输阶段的温室气体排放计算：

式中，CT为机组运输阶段的温室气体排放量，以CO2当量作为度量，kg；m为机组总重量，t；Di为机组第i个运输过程的运输距离，km；FT,i为机组第i个运输过程的运输工具的温室气体排放因子，kg/(t·km)；n为运输过程数量。

2.2.5 回收与处置

机组回收与处置阶段的温室气体排放包括原材料回收再利用和制冷剂回收处置过程的温室气体排放。

产品原材料回收再利用的温室气体排放计算：

式中，CR,M为原材料回收再利用的温室气体排放量，以CO2当量作为度量，kg；mi为机组第i种材料的用量，kg；φr,i为产品第i种材料回收率；Ar,i为机组第i种材料的分配系数；n为机组可回收材料数量。

材料回收率根据调研选取我国主要用材的平均回收率，铸铁、钢材和铜材的回收率取60%，铝、橡胶材和塑料的回收率取40%、50%和30%。机组所用的铜、铝等原材料生产时均采用可再生原料，该部分可再生原料可替代自然界直接开采的初生原料，该部分温室气体排放可采用分配系数对其进行扣除，材料的分配系数A一般取固定值0.5。

机组在寿命期内回收的制冷剂一般不会再充注到机组中进行再循环使用，会做销毁处置。制冷剂燃烧产生的温室气体排放计算采用质量平衡法计算：

式中，CBR为制冷剂燃烧处置过程中的温室气体排放，以CO2当量作为度量，kg；CCR为制冷剂的含碳量，kg/kg；44/12为碳质量转化为CO2质量的转换系数；GWPCO2为CO2的全球变暖潜值，取值1。

3 结果分析

3.1 机组碳足迹计算结果

应用上述计算方法，对磁悬浮离心式冷水机组的生命周期温室气体排放进行量化计算，生命周期各阶段的温室气体排放量及贡献比例如表4所示。

表4 某型磁悬浮离心式冷水机组碳足迹计算结果

由表4可知，该机组温室气体排放量的主要贡献来自机组使用与维护阶段的电能消耗和制冷剂排放，分别占温室气体总排放量的96.52%和3.40%，使用与维护阶段的温室气体排放量占生命周期总排放量的99.92%，其它阶段过程贡献基本可以忽略。

3.2 敏感度分析

敏感性分析主要目的是通过相关因素的变化来定量分析碳足迹的变化程度。从上文计算可以看出，机组生命周期温室气体排放量的主要贡献来自于机组使用与维护阶段电能的消耗和制冷剂排放。影响机组能耗的关键因素，包括机组的使用气候条件与能效水平；制冷剂排放取决于机组的充注量和制冷剂的全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）。因此，本文分别针对机组应用于不同地区气候条件、制冷剂使用低GWP替代制冷剂两类影响因素以及文中忽略的加工过程和运输过程排放进行敏感度分析。

3.2.1 机组应用气候条件的影响

分别选取机组应用于我国严寒地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区的典型城市哈尔滨、南京和广州，耗能量对碳足迹的影响分析的计算结果如图2所示。

图2 不同地区运行阶段电能消耗对温室气体排放的影响

由图2可知，由于广州地区机组运行时间和高温时段长，机组运行能耗带来的温室气体排放最大；反之，哈尔滨机组运行能耗带来的温室气体排放量最小，运行阶段电能消耗带来的温室气体排放占整个生命周期的温室气体排放量均在90%以上，说明无论机组运行在何地域，运行阶段电能消耗带来的温室气体排放均是主要排放源。从机组A、机组B、机组C和机组D的4个温区代表工况的影响来看，哈尔滨地区机组运行于B温区带来的温室气体排放最大，其次是C温区和D温区，A温区带来的温室气体排放最小；北京地区机组运行于B温区带来的温室气体排放最大，其次是A温区和C温区，D温区带来的温室气体排放最小；南京和广州地区运行于A温区带来的温室气体排放最大，其次是B温区和C温区，D温区带来的温室气体排放最小。这说明机组应用于不同地域时，为了最大程度地降低能耗带来的温室气体排放，制造商应该根据不同地域的环境条件和能耗集中运行工况针对性地优化机组设计。

3.2.2 低GWP替代制冷剂的影响

本文案例中机组使用的R134a属于京东议定书中规定的HFCs类温室气体，国际上正在寻求替代R134a的低GWP制冷剂。HFO类低GWP制冷剂R513A与R134a的物性参数基本接近，其GWP相比R134a降低56 %，可以作为R134a制冷剂的直接替代品，机组不做任何改变[20]。本文在磁悬浮离心式冷水机组上直接充注R513A制冷剂进行了试验研究，在名义制冷量相同情况下，开展最佳充注量试验和性能试验，获得机组的充注量和表2工况中的机组性能系数，并对比分析了机组使用两类制冷剂时的温室气体排放量，实验与分析结果如表5所示。

由表5可知，使用低GWP制冷剂R513A后，虽然机组的充注量有一定的提升，但由于R513A的GWP值较低，且使用R513A制冷剂后，机组拥有更佳的综合性能系数，因此，相较于R134a机组，制冷剂排放带来的温室气体排放量降低55.95%，能源消耗带来的温室气体排放量降低0.91%，生命周期总温室气体排放量降低2.65%，略有降低。

表5 使用R513A替代R134a时机组实测性能及温室气体排放量对比

3.2.3 加工与运输过程的影响

上述机组碳足迹分析过程中，限于数据的可获得性，忽略了外协件和部分零部件生产过程中的投入与温室气体排放，如磁悬浮压缩机加工工艺过程。在实际产品生产过程中，装配过程的投入和温室气体排放仅占机组生产过程的很小一部分，机组及其零部件从材料-毛坯-成型-精加工-成品所消耗的资源、能源和温室气体排放占比很多。此外，运输过程忽略了企业内部物料运输数据。假设将上述生产和运输过程的温室气体排放放大到100倍，保持其它因素不变。敏感性分析结果如表6所示。表6中电能消耗和制冷剂排放均属于使用与维护阶段。

由表6可知，保持其它因素不变，机组的生产和运输阶段的温室气体排放量均放大到100倍时，生产阶段的温室气体排放量占比由0.01%提升为0.74%，运行阶段的温室气体排放量占比由99.92%降为99.18%；运输阶段的温室气体排放量占比由0.01%提升为0.58%，运行阶段的温室气体排放量占比由99.92%降为99.35%，使用维护阶段电能消耗和制冷剂排放仍是机组全生命周期温室气体排放的主要因素，说明生产阶段和运输阶段的温室气体排放占整个生命周期的排放量基本可以忽略。

表6 生产阶段和运输阶段温室气体排放量敏感性分析结果

4 结论

本文基于生命周期评价方法开展了磁悬浮离心式冷水机组应用于数据中心的碳足迹分析，对机组原材料获取、生产、运输、使用和回收再利用生命周期各阶段的温室气体排放进行了定量评价，并对关键影响因素进行了敏感性分析，得出如下结论：

1）磁悬浮离心式冷水机组应用于数据中心时，整个生命周期温室气体排放的主要贡献来自于机组使用与维护阶段电能的消耗，占比96.52%；其次是制冷剂排放占比3.4%；使用与维护阶段的温室气体排放占比超过99.9%，其他阶段基本可以忽略；

2）通过敏感性分析可知，机组运行能耗是温室气体排放的关键贡献因素，根据机组应用在不同地域的数据中心有针对性地优化机组设计，提升集中运行工况区的能效水平，可以有效降低机组温室气体排放；将制冷剂由R134a更换为低GWP制冷剂R513A后，机组生命周期温室气体总量降低2.65%，说明使用更低GWP的制冷剂，也可一定程度降低温室气体排放总量；

3）将机组的生产和运输阶段的温室气体排放量分别放大到100倍时，对整个生命周期各阶段的温室气体排放占比影响微乎其微，说明生产阶段和运输阶段的温室气体排放占整个生命周期的排放量基本可以忽略。