世界上第一台变频空调于1983年在日本诞生,20世纪90年代变频技术进入中国并率先应用在家用空调领域,经过20多年的发展,变频因其能效更高以及温度控制更稳定等优点在家用市场被广泛认可,数据显示2018年家用空调市场变频占比70%以上,已成为绝对主力。

但在数据中心领域,由于现存很多数据中心建设时间较早,定频温控系统存量占据了绝大部分,用户对变频了解较少。同时,相较定频系统,变频系统的初始投资要高20%左右,也使得变频系统在数据中心中的推广遇到了一定阻力。

那么,数据中心应用变频系统究竟是“赚了”还是“赔了”呢?今天就来“算算账”。

能效是变频与定频系统对比的关键点,首先简要介绍二者的工作原理:典型的定频系统,采用定频压缩机,冷量输出恒定,满载时连续运行,在非满载时,需要通过启停变化实现变冷量输出。运行示意如下:

 

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图1 定频系统运行示意

注:蓝色线条表示负载变化,红色线条表示温度波动

而变频系统,采用直流变频压缩机,冷量无极调节,可根据需求变化按需制冷,运行示意如下:

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图2 变频系统运行示意

压缩机的特点是在工作范围内,转速越高,能效越低,因而部分负载能效更优,所以变频系统的部分负载能效远高于满载。典型变频系统与定频系统的变负载AEER(AEER:全年能效比,衡量温控系统在全年运行时间内的综合能效表现,值越高意味着能效越好)对比如下:

 

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图3 变频与定频AEER对比

注:定频不存在部分负载运行,此处为计算方便,按照满载取值,实际因为定频启动电流远大于运行电流,因此频繁启停状态的能效会略低于连续运行的能效。

可以看出,相比定频系统,变频在满载时年均能效可以提升10%以上,而在部分负载时,能效提升可以达到30%以上。同时因为机房基础设施一般采用N+1冗余设计,即便机房满载,在热备份的情况下(备机同时运行),温控系统本身的负载率也不会达到100%,此时变频节能效果更优。

那么数据中心实际负载率究竟在什么水平呢?下表引自工信部发布的《全国数据中心应用发展指引(2018)》,数据显示全国数据中心平均负载率在50%~60%,超大型数据中心甚至只有30~40%,整体负载率并不高,因此变频在部分负载的能效优势带来的节能潜力非常大。

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图4 2018年全国数据中心平均负载率

以北京地区某个IT总功率600kW的机房为例,电费0.8元/度,50%负载率时,热备份模式变频系统年省电费达21万人民币,相当于1年左右可以收回变频相比定频系统多投资的部分,10年生命周期节省电费可以收回整个温控系统投资,投资回报率非常可观。而随着机房设计的回风温度愈来愈高,变频的节能效果还将进一步放大。

从以上计算我们可以得出结论,变频相比定频系统,在能效方面,是“赚”了的。那除了能效之外,其他方面变频有没有优势呢?答案是肯定的。

一、 噪声水平更低

风机的噪声和转速成正比,以房间级使用的大风机为例,转速降低10%,噪声值可以降低2~3dB(A)。定频的工作原理决定了定频系统的风机转速会接近满载,调节范围有限,而变频则可以根据负载变化按需制冷,部分负载时风机转速更低,噪声水平更低。

二、配电系统投资更少

定频启动阶段会有非常大的启动电流,一般是正常运行电流的3~5倍,会造成明显的电网冲击,而变频的软启动特性保证启动电流小于运行电流,无电网冲击。同时根据Uptime的数据中心分级,Tier IV等级需要在温控前端配置UPS以满足连续制冷要求,定频需要前端更大的配电容量应对启动阶段的冲击,造成配电投资浪费。

三、运行可靠性更高

从图1可以看出,低负载时,定频系统会频繁启停,而启动的冲击会缩短压缩机寿命,变频通过冷量无极调节避免了系统的频繁启停,从而有更高的运行可靠性。

综合以上对比不难看出,相比定频系统,变频系统的技术优势是全方位的,其综合性能足以值回“票价”。同时业内也有厂家陆续推出了变频产品,相信在不远的将来,变频系统将成为在数据中心直膨式温控系统的不二之选。

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