多能源站循環(huán)水互聯(lián)供冷供熱系統(tǒng)

張曉鷗

北京首都工程建筑設(shè)計有限公司

0 引言

眾所周知，數(shù)據(jù)中心常年需要供冷，換言之，常年會有低品位熱量穩(wěn)定地產(chǎn)生。目前為止，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心所產(chǎn)生的這部分熱量僅作為“廢熱”排入了室外空氣或水體中，未得到任何有效再利用。

在當今節(jié)能減排的大背景下，空氣源、地源、污水源熱泵等已成為綠色建筑設(shè)計主選供熱系統(tǒng)方式。與這些熱量來源比較，數(shù)據(jù)中心“廢熱”利用具有諸多優(yōu)勢：①供熱穩(wěn)定，這種穩(wěn)定性不僅體現(xiàn)在量的方面，更體現(xiàn)在品位（溫度）方面。②能源品位適中，如從冷凍水中取熱，其溫度區(qū)間大致在12～18 ℃。③熱泵熱回收系統(tǒng)有效能源利用是雙向的，冷凝器側(cè)向需熱方供熱，同時蒸發(fā)器側(cè)向數(shù)據(jù)中心供冷，這是與其他熱泵系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。

對于一般冷凍水供冷系統(tǒng)，只需控制冷凍水供水溫度及供冷量即可，冷卻側(cè)排出的熱量完全取決于供冷量的多少。而數(shù)據(jù)中心熱回收熱泵系統(tǒng)，要將制冷時吸收的熱量用于供熱，不僅要按照機房需冷量控制供冷負荷，還需按照需熱側(cè)熱負荷控制供熱量，系統(tǒng)存在雙向控制的難題，因此必須采取適當?shù)慕怦畲胧┍ＷC運行穩(wěn)定。

熱回收系統(tǒng)要解決的另外一個問題是如何避免或降低能源品位的損失。減少溫差傳熱環(huán)節(jié)是解決這一問題的最有效手段。熱泵機組冷凍水直接用于數(shù)據(jù)機房空調(diào)末端，冷凝側(cè)熱水直接用于熱用戶末端設(shè)備，無疑是最理想的選擇。

1 一次水與二次水直聯(lián)解耦措施-平衡管

在常規(guī)的冷凍水或采暖水系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計師面臨同樣上述兩個問題。為了避免二次泵系統(tǒng)一次水與二次水間的熱能品位損失，通常采用平衡管替代換熱器，主要系統(tǒng)形式可歸納為三種。

圖1 為包括末端負荷循環(huán)泵的二次泵變流量冷凍水系統(tǒng)[1]。平衡管與制冷機并聯(lián)，起到冷機側(cè)循環(huán)水（一次水）流量與二次循環(huán)水流量解耦作用。

圖1 變流量冷凍水系統(tǒng)

圖2 中，在供熱循環(huán)水主回路上串聯(lián)了多個帶二次循環(huán)泵的二次水子系統(tǒng)[1]。子系統(tǒng)平衡管（如AB、CD 等管段）為循環(huán)水主回路管道的一部分。平衡管作用同樣是將循環(huán)水主回路（一次水）流量與二次循環(huán)水流量解耦。此系統(tǒng)可根據(jù)二次側(cè)需求按品位高低依次供水，其主要目的是加大供回水溫差，降低一次水流量。

圖2 多個二次側(cè)子系統(tǒng)串聯(lián)于主循環(huán)水回路

圖3 所示系統(tǒng)將熱泵機組串聯(lián)在常規(guī)制冷機組回水管上[2]。熱泵機組可優(yōu)先滿負荷運行，提供最大熱回收量。由于熱泵機組制冷效率比常規(guī)單冷機組低，因此調(diào)節(jié)其供水溫度滿足所需熱回收量即可，讓其它單冷機組承擔更多的冷負荷。

圖3 熱回收機組優(yōu)先旁通

根據(jù)圖3 系統(tǒng)形式，結(jié)合普遍采用的冷卻塔免費供冷方案，數(shù)據(jù)中心帶熱回收的制冷系統(tǒng)可設(shè)計為圖4 所示形式。

圖4 數(shù)據(jù)中心帶熱回收的制冷系統(tǒng)方案

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，冷卻塔免費供冷回水點在熱泵機組供水點下游，由于熱泵機組供冷作用，降低了冷卻塔供冷時的回水溫度，縮短了冷卻塔免費供冷時長。除非熱回收負荷占總制冷負荷比例很小，否則該方案是非常不合理的。

其次，單冷機組的主回路為一次泵系統(tǒng)，冷凍水100%流經(jīng)單冷機組蒸發(fā)器，當大部分冷量可由熱回收機組或冷卻塔提供時，雖然單冷機組僅需負擔少量負荷，多臺并聯(lián)單冷機組也需全部啟動。這顯然不利于機組的運行調(diào)節(jié)，降低了系統(tǒng)效率。由于制冷機調(diào)節(jié)能力限制，必須限定單冷機的進水溫度不能過低，防止機組進出水溫差過小。

再者，冷水機組對最低允許冷卻水進口溫度有一定要求，當冷卻塔出水溫度低于限定值時，必須通過冷卻水旁通措施來提高機組進水溫度。該限定值一般為17～20 ℃[3]。當板式換熱器設(shè)計換熱溫差2 ℃時，單冷機與冷卻塔串聯(lián)運行所對應(yīng)的冷凍水回水溫度高達19～22 ℃，高于常規(guī)數(shù)據(jù)機房冷凍水回水設(shè)計溫度（18 ℃）。應(yīng)選擇冷卻水進水溫度16 ℃的冷水機組，對應(yīng)的冷凍水回水溫度18 ℃。但是在實際運行中很難保證回水溫度符合設(shè)計值。對于圖4 所示的帶熱回收的制冷系統(tǒng)，冬季熱回收工況下，進入換熱器的冷凍水溫度還會進一步降低，這使得冷卻塔與單冷機串聯(lián)制冷運行無法實現(xiàn)。文獻[3]給出的解決方案是將冷卻水循環(huán)泵置于冷機冷卻水出口總管上，雖然通過旁通可提高冷機冷卻水進口水溫，但是有可能造成管路負壓。對于文獻[3]給出的系統(tǒng)2，僅有最大57%的冷卻水流經(jīng)冷卻塔及板式換熱器，其具體運行模式作者未給出合理說明。

文獻[4]介紹了最新型的采用永磁同步變頻電機的高溫冷水機組。離心機可實現(xiàn)冷凍水出水與冷卻水進水零溫差運行，螺桿機可實現(xiàn)負溫差運行。只有選用這種機組，方可以實現(xiàn)冷卻塔免費制冷與單冷機制冷串聯(lián)運行，即圖4 方案才可實現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)中心熱回收的制冷系統(tǒng)優(yōu)化方案

優(yōu)化措施可歸納為四方面內(nèi)容，參見圖5。

1）改一次泵系統(tǒng)為二次泵系統(tǒng)，單冷機組投入臺數(shù)可根據(jù)冷量需求確定。假設(shè)二次冷凍水供回水溫度設(shè)定為12 ℃/18 ℃，配置的單冷機組（不含備用機）為3 臺，當熱泵機組與冷卻塔聯(lián)合供冷已將冷凍水溫度從18 ℃降至13 ℃時，僅需投入1 臺單冷機即可滿足冷量需求。應(yīng)該注意的是，這時單冷機的冷凍水出水溫度應(yīng)為10 ℃。

2）免費制冷投入的冷卻塔為“閑置”冷卻塔，即未投入使用的單冷機配套冷卻塔。由于冗余設(shè)計要求，數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)需重復配備大量設(shè)備。重復配置的冷卻塔可投入免費供冷運行。

3）單冷機組供冷與冷卻塔供冷獨立為兩個子冷源。兩系統(tǒng)投入運行的設(shè)備、管路、控制等相對獨立。

4）對比各子冷源供回水點在二次冷凍水供回水總管上的相對位置，冷卻塔供冷系統(tǒng)在熱泵熱回收系統(tǒng)上游，水溫相對較高，更有效利用自然冷源。

圖5 數(shù)據(jù)中心帶熱回收的制冷系統(tǒng)優(yōu)化方案

3 多不穩(wěn)定冷熱源聯(lián)合供冷供熱系統(tǒng)

為了使圖5 所展示的優(yōu)化方案具有更廣泛的應(yīng)用空間，對其深層次的原理進行分析后，大致可以得出以下幾點一般性的系統(tǒng)描述：

1）該系統(tǒng)二次側(cè)為循環(huán)水系統(tǒng)，供冷還是供熱取決于用戶側(cè)的需求。當二次側(cè)需要供冷時，一次側(cè)各個子冷源啟動供冷，當二次側(cè)需要供熱時，一次側(cè)各個子熱源啟動供熱。子熱源可以是鍋爐、市政熱力，也可以是熱回收熱泵、空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵、太陽能供熱裝置等。該系統(tǒng)適用于各種冷熱源形式。

2）二次水回水總管上可連接多個子冷熱源（以下稱為子源）。子源在回水總管上的連接位置應(yīng)根據(jù)其提供的能源品位確定，根據(jù)品位高低順序排列，品位越低越靠近回水上游。能源品位要通過系統(tǒng)運行效率比較確定。圖5 中三種冷源品位由高到低分別是單冷機組、熱泵機組、冷卻塔。熱源方面，如果熱泵與鍋爐聯(lián)合供熱，由于熱泵冷凝側(cè)溫度對效率影響顯著，冷凝側(cè)溫度越低熱泵效率越高，應(yīng)盡可能降低熱泵供熱的一次水溫度，因此熱泵熱源品位應(yīng)低于鍋爐。

3）二次側(cè)用戶需求是由各子源聯(lián)合提供的，但不需根據(jù)二次水供水溫度控制每一個子源，僅需控制一個子源的供冷供熱量保證二次水供水溫度穩(wěn)定即可。因此，各子源中，僅需保證一個子源是穩(wěn)定可控的，其他子源對于該二次用戶可以是不穩(wěn)定的。

4）實現(xiàn)各子源的循環(huán)水流量獨立控制，與二次水流量解耦。

5）穩(wěn)定可控源與不穩(wěn)定源之間是可以轉(zhuǎn)換的。以圖5 為例：①在三冷源均需啟動才能滿足用戶需求時，單冷機組為穩(wěn)定可控冷源。②當啟動熱泵機組及冷卻塔聯(lián)合供冷即可滿足需求時，冷卻塔即為穩(wěn)定可控冷源。③如果熱泵機組供熱量需根據(jù)熱用戶需求進行調(diào)節(jié)，其相對于供熱側(cè)必須是穩(wěn)定可控源，而相對于供冷側(cè)必然是不穩(wěn)定和不可控的。

6）子源啟動的優(yōu)先權(quán)是不同的。優(yōu)先權(quán)應(yīng)根據(jù)一次能源利用率確定。例如圖5 系統(tǒng)：熱泵機組應(yīng)最先被啟動，冷卻塔次之，單冷機組最后啟動。當冷需求下降或其它冷源供給量升高，首先減低負荷的應(yīng)該是單冷機組。如果單冷機組完全停機，冷需求繼續(xù)下降或熱回收機組供冷量持續(xù)升高，這時需控制減少冷卻塔供冷量。

7）是否是穩(wěn)定可控源與能源品位無關(guān)，它應(yīng)是所有啟動子源中一次能源利用率最低的那個源。

8）在避免二次水回水倒流的條件下，子源是可以并聯(lián)的。任何情況下滿足G1＞G2+G3 時，可將熱泵機組和冷卻塔兩個子冷源并聯(lián)（見圖6）。

9）子源供回水管可直接與二次水總管相連（建議供回水接點間距最少為10 倍總管管徑[1]），也可與串聯(lián)在二次水總管上的儲能罐等設(shè)備相連。

10）子源供回水溫差相對于二次水供回水溫差有較大的調(diào)整空間，如：鍋爐供熱時，可加大鍋爐供回水溫差，減小水流量，降低一次泵能耗。

圖6 熱泵機組與冷卻塔制冷并聯(lián)方案

文獻[5]公開的多不穩(wěn)定冷熱源聯(lián)合供冷供熱混水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖7）及應(yīng)用方式，對上述一般性描述給出了系統(tǒng)圖示和實施闡釋。這里補充三點說明：

1）由于子源供回水管，不僅可直接接至用戶側(cè)二次水總管上，還可與串聯(lián)在二次水總管上的儲能罐、平衡罐、集分水器等設(shè)備相連（例如太陽能作為熱源供熱時，儲熱罐是必配設(shè)備）。因此，文獻[5]用混水器這一構(gòu)件名稱代表各種不同的連接方式。

2）連接在某一個混水器上的子源可以是多個子源的并聯(lián)。

3）一般正常運行情況下，應(yīng)保證混水器中的水流方向與二次水流動方向一致，子源的回水溫度與該混水器上游二次水總管中水溫相同（如圖7）。在某些特殊工況下（如儲能罐蓄能工況），允許回流情況產(chǎn)生，此時子源的回水溫度不等于該混水器上游二次水總管中水溫。

圖7 多不穩(wěn)定冷熱源聯(lián)合供冷供熱混水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 循環(huán)水互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

4.1 杭州某數(shù)據(jù)中心供冷供熱方案

該數(shù)據(jù)中心，共建三棟辦公樓及一座數(shù)據(jù)機房。

辦公樓采用集中空調(diào)系統(tǒng)，夏季供冷冬季供暖，夏季設(shè)計總冷負荷7300 kW，冬季設(shè)計總熱負荷4900 kW。

數(shù)據(jù)機房常年需要供冷，總設(shè)計冷負荷27500 kW。

辦公樓冷源共選用了三臺2150 kW 離心機及一臺1230 kW 螺桿機，三臺離心機中兩臺為熱泵機組，冬季向辦公樓供暖同時向數(shù)據(jù)機房供冷。

數(shù)據(jù)機房冷源按兩個冷站設(shè)置，每個冷站負擔總冷負荷的50%，分別選用四臺4570 kW 離心機（三用一備），并一對一配置冷卻塔、冷凍水循環(huán)泵及冷卻水循環(huán)泵。

考慮到辦公樓在數(shù)據(jù)機房前期建設(shè)，辦公樓冷源未與數(shù)據(jù)機房冷源合建，且另設(shè)鍋爐房作為辦公樓采暖前期熱源及數(shù)據(jù)機房建成后的備用熱源。

這樣便形成了由數(shù)據(jù)機房冷站，辦公樓熱泵機房及鍋爐房組成的聯(lián)合供冷供熱系統(tǒng)（見圖8），本文稱之為循環(huán)水互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖8 多能源站聯(lián)合供冷供熱系統(tǒng)示意

4.2 循環(huán)水互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初探

工程實例中的循環(huán)水互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)僅實現(xiàn)了三個能源站互聯(lián)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖9a。數(shù)據(jù)機房產(chǎn)生的熱量僅有少部分用于辦公樓冬季采暖。如果能向周邊更多熱用戶輸出熱量，這個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較大的擴展可能（見圖9b）。對于太陽能供熱系統(tǒng)，可以設(shè)計成鏈狀網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)能量接力輸送（見圖9c），以適應(yīng)集熱器的分散布置。

圖9 幾種循環(huán)水互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

可以想象，多個分布式能源站也可采取這種循環(huán)水互聯(lián)方式實現(xiàn)互通，高效地平衡彼此的冷熱需求。

總之，據(jù)目前了解，循環(huán)水互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)僅在此項實際工程中得到應(yīng)用，但是其適用空間較大，假以時日，相信會有越來越多的工程案例可供總結(jié)。