數(shù)據(jù)中心水環(huán)熱泵余熱回收系統(tǒng)分析與應(yīng)用

景淼 賈峻

（北京電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048）

1 概述

數(shù)據(jù)中心電能主要用于IT 設(shè)備、電力設(shè)備、制冷設(shè)備等。其中，IT 設(shè)備電能幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱能，通常這些熱能以廢熱的形式通過空調(diào)系統(tǒng)排放至大氣中。數(shù)據(jù)中心全年7×24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，其廢熱具有持續(xù)不間斷、隨季節(jié)變化幅度較小、溫度相對(duì)較低等特點(diǎn)。電能屬于高位能源，數(shù)據(jù)中心通過采用余熱回收再利用技術(shù)，將余熱用于建筑供熱、生活熱水等，可以減少碳排放，提高能源利用效率。

2 水環(huán)熱泵集中空調(diào)余熱回收系統(tǒng)

2.1 概況

水環(huán)熱泵余熱回收系統(tǒng)是通過水源熱泵設(shè)備，冬季將數(shù)據(jù)中心空調(diào)水中的熱量轉(zhuǎn)移到舒適性空調(diào)水系統(tǒng)中，夏季將舒適性空調(diào)水系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)移到冷卻水系統(tǒng)中。

水環(huán)熱泵余熱回收系統(tǒng)可從數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水或冷卻水中提取熱量，分為水環(huán)熱泵多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)、水環(huán)熱泵集中空調(diào)余熱回收系統(tǒng)。

2.2 水環(huán)熱泵多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)

水環(huán)熱泵多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)）夏季利用水環(huán)熱泵多聯(lián)機(jī)主機(jī)制冷，空調(diào)系統(tǒng)熱量由冷卻塔排出；冬季利用數(shù)據(jù)中心廢熱，從數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷凍水或冷卻水中提取熱量，通過水環(huán)熱泵多聯(lián)機(jī)主機(jī)進(jìn)行余熱回收。圖1 為采用風(fēng)冷集中空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理示意圖。

圖1 多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)原理示意圖

2.3 水環(huán)熱泵集中空調(diào)余熱回收系統(tǒng)

水環(huán)熱泵集中余熱回收系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱集中余熱回收系統(tǒng)）夏季利用水源熱泵機(jī)組制冷，空調(diào)系統(tǒng)熱量由冷卻塔排出；冬季利用數(shù)據(jù)中心廢熱，從數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的冷凍水或冷卻水中提取熱量，通過水源熱泵機(jī)組進(jìn)行余熱回收。圖2 為采用風(fēng)冷集中空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心集中余熱回收系統(tǒng)原理示意圖。

圖2 集中余熱回收系統(tǒng)原理示意圖

3 余熱回收系統(tǒng)節(jié)能性分析

冷源設(shè)備能耗在空調(diào)系統(tǒng)中占比大，為分析兩種水環(huán)熱泵余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，本文對(duì)冷源主設(shè)備能耗進(jìn)行對(duì)比。多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)主設(shè)備為水源熱泵多聯(lián)機(jī)主機(jī)，集中余熱回收系統(tǒng)主設(shè)備為水源熱泵機(jī)組。兩種余熱回收空調(diào)系統(tǒng)主設(shè)備能耗對(duì)比見表1。

表1 余熱回收系統(tǒng)主設(shè)備能耗對(duì)比

冬季多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)COP 高，節(jié)能性好；夏季集中余熱回收系統(tǒng)COP 高，節(jié)能性好。因此，選擇空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)依據(jù)冷、熱負(fù)荷進(jìn)行全年能耗分析。對(duì)于熱負(fù)荷大、供熱時(shí)間長(zhǎng)的地區(qū)，多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)節(jié)能性好；對(duì)于冷負(fù)荷大、供冷時(shí)間長(zhǎng)的地區(qū)，集中余熱回收系統(tǒng)節(jié)能性好。

4 余熱回收系統(tǒng)適用性分析

多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)與集中余熱回收系統(tǒng)的特點(diǎn)見表2。多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)可以避免空調(diào)水管進(jìn)入房間，冬季利用余熱供暖的電池室適于采用此系統(tǒng)；水源熱泵多聯(lián)機(jī)主機(jī)單臺(tái)供熱/供冷量小，在供熱/供冷量小的場(chǎng)所，如數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓，適宜采用多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)。集中余熱回收系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離熱量/冷量輸送，水源熱泵機(jī)組單臺(tái)供熱/供冷量大，對(duì)園區(qū)內(nèi)供熱/供冷量大的運(yùn)維樓或需要向周邊建筑供熱/供冷時(shí)，尤為適宜。

表2 余熱回收系統(tǒng)對(duì)比

5 應(yīng)用分析

5.1 概況

北方某數(shù)據(jù)中心園區(qū)包含機(jī)房樓、動(dòng)力樓各一棟，總面積為2.27 萬(wàn)平方米。機(jī)房樓、動(dòng)力樓內(nèi)附屬區(qū)域、公共用房等夏季需供冷、冬季需供暖。

該項(xiàng)目設(shè)置工藝性空調(diào)系統(tǒng)、舒適性空調(diào)系統(tǒng)。工藝性空調(diào)系統(tǒng)以滿足數(shù)據(jù)中心設(shè)備需求為主，全年供冷；舒適性空調(diào)系統(tǒng)以滿足室內(nèi)人員舒適感為主，夏季供冷、冬季供暖，設(shè)置于ECC、辦公、走道、衛(wèi)生間等場(chǎng)所。

5.2 工藝性空調(diào)系統(tǒng)

工藝性空調(diào)冷負(fù)荷為11950kW，冷源采用風(fēng)冷冷水機(jī)組，冷凍水供/回水溫度10/15℃，空調(diào)系統(tǒng)全年供冷。

5.3 舒適性空調(diào)系統(tǒng)

該項(xiàng)目位于北方寒冷地區(qū)，舒適性空調(diào)夏季供冷、冬季供熱，夏季冷負(fù)荷為297kW，冬季熱負(fù)荷為795W。該項(xiàng)目工藝性空調(diào)全年不間斷供冷運(yùn)行，在冬季可為舒適性空調(diào)提供充足熱量。舒適性空調(diào)冬季供熱負(fù)荷較高且供熱時(shí)間較長(zhǎng)，需要選擇供熱時(shí)更為節(jié)能的系統(tǒng)，因此該項(xiàng)目采用多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)，如圖1 所示。冬季，通過多聯(lián)機(jī)主機(jī)從工藝性空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水回水中提取熱量，多聯(lián)機(jī)主機(jī)水側(cè)進(jìn)/ 出水溫度為15/10℃。夏季，通過冷卻塔排除舒適性空調(diào)系統(tǒng)熱量，多聯(lián)機(jī)主機(jī)水側(cè)進(jìn)/出水溫度為32/37℃。末端空調(diào)與常規(guī)多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)相同，室內(nèi)機(jī)根據(jù)吊頂形式采用嵌入式或風(fēng)管式?？紤]到數(shù)據(jù)中心運(yùn)行初期機(jī)房余熱量有可能不能滿足舒適性空調(diào)供熱需求，該項(xiàng)目設(shè)置電鍋爐作為輔助熱源補(bǔ)充供熱。

5.4 節(jié)能性分析

該項(xiàng)目冬季供熱時(shí)間按11 月1 日至次年3 月31 日，夏季供冷時(shí)間按6 月15 日至9 月15 日，供冷工況空調(diào)運(yùn)行時(shí)間按每天8 小時(shí)考慮，供熱工況空調(diào)按全天運(yùn)行考慮。多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)、集中余熱回收系統(tǒng)、風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)全年用電量見表3，用電量對(duì)比如圖3 所示，用電量未計(jì)入初期余熱不足時(shí)輔助熱源用電量。

表3 三種空調(diào)系統(tǒng)用電量

圖3 三種空調(diào)系統(tǒng)用電量對(duì)比

冬季供熱工況，多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)與集中余熱回收系統(tǒng)相比用電量減少29%，與風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)相比用電量減少40%；夏季供冷工況，多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)與集中余熱回收系統(tǒng)相比用電量增加11%，與風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)相比用電量增加55%。多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)與集中余熱回收系統(tǒng)相比全年用電量減少23%，與風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)相比全年用電量減少31%。綜上，該項(xiàng)目采用多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)節(jié)能效果最佳。

6 結(jié)論

采用風(fēng)冷集中式空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，利用水環(huán)熱泵機(jī)組可從數(shù)據(jù)中心空調(diào)冷凍水中回收余熱，為數(shù)據(jù)中心及周邊建筑提供采暖及生活熱水。

數(shù)據(jù)中心需根據(jù)余熱回用場(chǎng)所要求，綜合分析空調(diào)系統(tǒng)全年能耗，合理選擇余熱回用空調(diào)系統(tǒng)形式。多聯(lián)機(jī)余熱回收系統(tǒng)適用于供熱為主、熱負(fù)荷小的建筑，不允許水管進(jìn)入房間或有分室計(jì)量要求的場(chǎng)景。集中余熱回收系統(tǒng)適用于供冷為主、熱負(fù)荷大的建筑，或需向周邊建筑供熱的場(chǎng)景。