一、引言
　　
　　数据中心或算力中心的启用并非一蹴而就，不同时期末端冷负荷差距极大，同一时期不同季节的末端冷负荷也有一定差距。制冷系统大部分时间并非满载运行，其实时负载依赖于末端冷负荷，因此讨论多种冷水机组形式的部分负荷性能与制冷系统的末端冷负荷之间关系变得非常重要。
　　
　　数据中心制冷能耗占总能耗的30%-40%，而多数数据中心在投产初期负荷率不足30%，导致传统离心式冷水机组长期处于低效运行区间，引发喘振、能耗激增等问题。本文基于山东某运营商多地数据中心的实际运行情况，结合负荷率性能曲线分析，提出针对性的配置与运行优化策略，旨在为行业提供低负荷率场景下的高效制冷解决方案。
　　
　　二、制冷系统效率的关键影响因素分析
　　
　　制冷系统效率受多重因素影响，主要包括：
　　
　　1）系统形式：风冷、水冷、蒸发冷等技术路径的能效差异显著，水冷系统因热容大、稳定性高成为主流。
　　
　　2）机组类型：磁悬浮机组采用无油轴承技术，部分负荷下COP优势明显；离心式机组依赖机械轴承，低负荷时摩擦损耗加剧。
　　
　　3）负荷率匹配：如表1、表2所示，磁悬浮机组在20%-80%负荷区间COP均高于离心式，尤其在50%负荷时差距达49.3%（见表3）。
　　
　　4）水力特性匹配：水泵选型偏差导致流量超设计值，造成水温差缩小、机组能效下降。
　　
　　5）环境条件：室外温湿度波动影响自然冷却时间窗口，需通过动态控制策略优化冷源利用。
　　
　　从表1表2中可以得出如下部分负荷的能效对比,详见表3。从中可以看出:
　　
　　1）磁悬浮冷水机组在20%-80%范围内拥有非常好的COP；
　　
　　2）离心式冷水机组在40%-70%范围内COP参数相对较高；
　　
　　3）在20%-60%负荷区间内，磁悬浮拥有极高的差异化优势。
　　
　　三、山东某数据中心现状与问题诊断
　　
　　目前山东某数据中心水系统配置及负荷率情况如下（详见表4）：

　　1）低负荷率普遍化：新建数据中心（如二数据中心二期）负荷率不足20%，机组频繁启停或处于喘振区。
　　
　　2）能效劣化显著：离心式机组在30%负荷下COP仅6.767，较磁悬浮机组低77.8%。
　　
　　3）水力失调严重：水泵选型偏差导致流量超设计值，五数据中心实测温差仅2℃，远低于设计5℃。
　　
　　从表4和实际调研来看,有以下两条结论性论述:
　　
　　1）目前大多数数据中心建成初期负荷率普遍较低;
　　
　　2）制冷系统存在长期低负荷率运行的问题,极端的情况是投产前几年负荷不足以支撑1台机组正常连续开机。
　　
　　举例说明:
　　
　　1）五数据中心,现阶段负荷率近似等于远期机组总主用容量的10%,大约900kW,换算到单台机组上负荷率大约20%,目前存在机组喘振、效率低下的问题。
　　
　　2）二数据中心一期,通过7年时间发展到27%的负荷率,说明在很长一段时间负荷率徘徊在10%到20%之间,换算成负荷大约1900kW-3800kW,对于单台冷机负荷率30%-60%,长期存在效率低下的问题,冗余不合理,缺乏变频调节能力。
　　
　　四、配置优化建议
　　
　　1.制冷系统形式的升级
　　
　　对新建和改造数据中心实施更节能、前瞻性的冷源系统形式，包括间接蒸发冷、液冷等技术措施。
　　
　　设备选型与容量匹配
　　
　　（1）磁悬浮机组优先:在20%-60%负荷区间部署,利用其高COP特性(详见图1所示)。

　　
　　模块化设计:采用“N+1”冗余配置,根据负荷增长逐步扩容,避免初期投资浪费。
　　
　　蓄冷系统集成:利用谷电蓄冷,平抑负荷波动,延长自然冷却时间。
　　
　　（2）水力系统精准设计
　　
　　水泵选型公式:
　　
　　动态调节阀应用:根据实时负荷调整管道阻力,确保流量-扬程匹配。
　　
　　（3）换热设备优化
　　
　　板换面积校核:按ASHRAE90.1标准,设计余量不超过10%。
　　
　　末端冷冻水机组:采用变流量控制,温差设定≥5℃。
　　
　　2.制冷系统配置的优化
　　
　　1）设备类型及容量选型
　　
　　优先选择在大部分运行时间内处于高效区间的设备；平衡一次性建设投资与长期运行成本，充分利用磁悬浮技术在低负荷率下的高能效（提升60%-80%）；结合蓄冷、自然冷却等措施实施负荷调控和能效提升。
　　
　　2）控制系统优化
　　
　　采用先进的、有成效的自控系统,根据不同时期、不同环境状态下的负荷率变化适配调节制冷系统的运行状态,以制冷单元的形式优化组合、运行策略,保持系统的高效运行。变频控制与能效区间管理,设定机组运行优先级,确保80%时间处于高效负荷区间(磁悬浮:30%-80%;离心式:50%-90%)。应用PID算法动态调节冷冻水供回水温差,避免旁通流量过大。自然冷却协同当室外湿球温度≤10℃时,切换至板换自然冷却模式,减少压缩机启停次数。智能运维体系,部署数字孪生平台,实时监测COP、PUE等指标,生成优化策略报告。
　　
　　3）动力循环设备选型约束
　　
　　经实际调研,目前绝大多数的数据中心水泵等动力循环设备选型与实际管道特性曲线存在较大偏差。在实际运行初期,动力设备多数存在运转频率高、电流过大的情况,实际循环流量与理论计算流量偏差至少到1.5倍以上,运行状态与实际负荷需求明显不符,直接造成循环水温差过小,间接导致机组能效大幅下降、水泵能耗明显偏高,严重情况下甚至出现电机过载损坏的情况。设计院在选型时,应根据预测的项目不同时期的负荷情况,初步核算大多数厂家的选型曲线,并提出尽可能满足多数情况下的指标要求,严禁多层放大情况的出现;其次,在招标完成后,再次根据中标设备,比对管道特性曲线与实际情况的匹配性;第三,应严格执行管道侧水力控制措施。
　　
　　4）换热设备选型落实
　　
　　换热设备包括板换、末端冷冻水机组等,是决定系统能效能否最大化的关键一环。换热类设备的换热面积和换热系数足额达到设计值并长期保持,能够促使实际的管道流量水力条件与设计趋近,最利于回水温度达标,保持冷机侧高效运行,同时,能够实现最大化室外自然冷源时间窗口,具备肉眼可观的节能量。
　　
　　3.制冷系统运行的优化
　　
　　1）保持设备处于高效区
　　
　　运维单位应掌握已配置设备的负荷率性能曲线,根据项目实际负荷情况编制运行策略,并根据
负荷变化及时调整。
　　
　　2）加强变频的实际应用和适用匹配性
　　
　　运维单位应掌握已配置变频设备的运行规律,熟悉和了解已建成管道的水力特性曲线,严格控制设备频率过低过高、供回水温差过小、旁通流量过大等情况的出现。
　　
　　3）加强关键设备的保养和维护
　　
　　运维单位应掌握已配置变频设备的运行规律,熟悉和了解已建成管道的水力特性曲线,严格控制设备频率过低过高、供回水温差过小、旁通流量过大等情况的出现。
　　
　　4）做好全域的能耗监测、统计和分析
　　
　　应细化能耗监测的颗粒度,以制冷单元、用冷单元等作为最小颗粒度,加强流量、温度等点位的布置,通过同类单元横向和纵向的对比获得最优的运行策略。
　　
　　要实现基于负荷率性能曲线的优化目标,需深入理解不同技术在实际应用中的适配性与实施要点。磁悬浮机组虽在宽幅低负荷下优势显著,但其成功应用依赖于精准的容量规划和系统集成。在新建项目中,应摒弃传统“一次性按远期峰值配置”的粗放模式,转而采用“按需分期投入”的柔性策略。例如,针对预期初期负荷率仅20%-30%的项目,可优先配置1-2台中小型磁悬浮主机(如单台600RT-800RT),配套高效变频泵组及精确水力平衡阀,确保初期单机负荷率维持在40%-60%高效区间。随着负荷增长,再无缝增补同型号模块化机组,形成N+X冗余。此举不仅避免巨额投资闲置,更从源头保障了系统高效起点。
　　
　　对于存量离心机组系统的改造,则需审慎评估。若机组服役年限较长、能效劣化严重且低负荷问题突出,替换为磁悬浮是优选方案。替换时需重点核查原有水力系统:核算实际流量需求,扬程余量过大的水泵进行叶轮切割或更换为小功率变频泵;增设或优化动态平衡阀,消除管网阻失调;必要时升级自控系统,确保新机组变频逻辑与水力特性精确匹配。若离心机组较新且高效区间与当前负荷尚可匹配(如负荷率常驻50%-70%),则改造重点应转向运行策略深度优化与水力系统精细化调控,例如:利用AI算法动态优化机组加载顺序与负荷分配;严格设定冷冻水ΔT下限报警(如<4℃即触发优化指令);结合气象预测智能延长自然冷却时长,最大化挖掘现有设备潜力。
　　
　　此外,无论新建或改造,都必须将“维持设计温差(ΔT≥5℃)”作为核心运行纪律。这要求设计阶段严控板换、末端盘管等换热设备选型余量(<10%),施工阶段强化管道冲洗与水力平衡调试,运维阶段实施定期换热面清洗与性能监测。唯有将设备高效特性、精准水力设计、智能运行策略三者深度融合,方能将负荷率性能曲线的理论优势转化为可测量、可持续的PUE优化成果。
　　
　　五、结论与展望
　　
　　通过利用磁悬浮冷机中低负荷率能效高的特点,可以解决数据中心低负荷率下目前普遍存在的制冷设备能效低、制冷系统运行稳定性差等困境,能够显著提高制冷系统的能效、降低运行成本、保证系统的稳定性和可靠性,符合节能减排的要求。同时,在进行制冷系统优化时,还需考虑具体的应用场景、环境条件、经济性等因素,制定基于负荷率性能曲线对制冷系统的配置和运行策略,是提高系统效率、降低能耗、保证系统稳定运行的重要手段。未来研究可结合AI预测模型,进一步挖掘气候数据与负荷波动的关联性,实现制冷系统的动态智慧调控。
　　
　　作者简介
　　
　　车勇（1977.8)，男,汉族,山东即墨,硕士,高级工程师,研究方向:数据中心基础设施、电力系统自动化。
　　
　　编辑：Harris