數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用研究

張 飛，賀 曉，程 序，魏文豪，張 琪，王 蕾（中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

0 前言

近年來，隨著信息化的高度發(fā)展，數(shù)據(jù)中心建設(shè)步伐加快，數(shù)據(jù)中心所使用的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備將高品位電能轉(zhuǎn)化為低品位熱能，最終通過空調(diào)系統(tǒng)散到室外環(huán)境中，沒有被充分利用，造成極大的損失。我國數(shù)據(jù)中心整體用電量以每年超過10%的速度遞增，2018 年全年共消耗電量1 608.89 億kW·h，超過整個上海市用電量［1］。預(yù)計(jì)到2030 年我國數(shù)據(jù)中心整體用電量預(yù)計(jì)將突破4 000 億kW·h，占全社會用電量的比重將升至3.7%［2］。

數(shù)據(jù)中心的余熱可以作為區(qū)域能源的廉價熱源，這樣可以降低區(qū)域能源供熱運(yùn)行成本。部分地區(qū)鼓勵數(shù)據(jù)中心采用余熱回收利用措施，為周邊建筑提供熱源［3］。

1 數(shù)據(jù)中心余熱回收應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1 m3水1 ℃的溫差蘊(yùn)含的能量約為4 200 kJ，1 m3空氣1 ℃的溫差蘊(yùn)含的能量約為1.3 kJ。顯然單位體積空氣蘊(yùn)含的能量遠(yuǎn)不及水蘊(yùn)含的能量，因此，目前數(shù)據(jù)中心的余熱回收主要是回收水系統(tǒng)中的熱量。

目前，國外對數(shù)據(jù)中心余熱進(jìn)行回收利用的案例較多，尤其在北歐的國家。例如早在2011 年，芬蘭赫爾辛基公共能源公司就開始研究通過不同的方式對云計(jì)算數(shù)據(jù)中心產(chǎn)出的大量廢熱進(jìn)行收集，向企業(yè)建筑或居民家中供暖［4］；俄羅斯Yandex 公司利用其位于芬蘭南部城市曼采萊的數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的余熱為該城市供暖，幫助曼采萊減少了約40%碳排放量；數(shù)據(jù)中心供應(yīng)商DigiPlex 和挪威最大的區(qū)域供熱供應(yīng)商For?tum Oslo Varme AS 合作為5 000 戶奧斯陸公寓供熱。在芬蘭和挪威等國家，部分地方政府與當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)中心簽署熱量回收意向書，向數(shù)據(jù)中心購買熱量提供給周邊社區(qū)居民。

隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的加速，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心采用余熱回收項(xiàng)目也在逐漸增加，如天津?yàn)I海新區(qū)騰訊數(shù)據(jù)中心采用余熱回收方式給約9 200 m2辦公區(qū)域供暖［5］；武漢建設(shè)銀行數(shù)據(jù)中心采用余熱回收方式給約10 萬m2辦公樓供暖［6］；北京某數(shù)據(jù)中心采用余熱回收方式提供居民生活熱水［7］；南京江北新區(qū)數(shù)據(jù)中心采用余熱回收方式給園區(qū)供熱［8］；河北廊坊某數(shù)據(jù)中心采用余熱回收方式給約2 000 m2辦公樓供暖［9］；國網(wǎng)清數(shù)科技園數(shù)據(jù)中心余熱回收項(xiàng)目［10］等。

2 不同余熱回收方式對比分析

2.1 數(shù)據(jù)中心冷凍水空調(diào)系統(tǒng)圖

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174?2017），將數(shù)據(jù)中心運(yùn)行中斷所導(dǎo)致的危害進(jìn)行分級，劃分為A、B、C 三級。A 級安全等級最高，近似要求能夠?qū)崿F(xiàn)在線運(yùn)行和無單點(diǎn)故障。

數(shù)據(jù)中心冷凍水空調(diào)系統(tǒng)增加熱回收模塊，一般通過板式換熱器將數(shù)據(jù)中心和熱回收部分進(jìn)行隔離，設(shè)置合理的水泵、閥門、儀表等部件，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)中心的安全可靠運(yùn)行，不降低系統(tǒng)的安全等級，不產(chǎn)生單點(diǎn)故障。運(yùn)行過程中，可通過熱回水系統(tǒng)的變頻水泵保證熱水回水溫度穩(wěn)定，當(dāng)回收能量增大時，可增加變頻水泵的頻率提高水泵轉(zhuǎn)速，反之亦然，進(jìn)而減少對數(shù)據(jù)中心冷凍水供回水溫度的影響。增加熱回收模塊對原數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)幾乎沒有影響。數(shù)據(jù)中心常見熱回收系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心常見熱回收系統(tǒng)圖

2.2 冷凍水和冷卻水熱回收系統(tǒng)對比

熱回收系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)中心冷凍水也可以從冷卻水回收余熱。當(dāng)余熱回收接至冷凍水管路時，一般接至冷凍水的回水管（高溫側(cè)），經(jīng)過板式換熱器（或者熱泵機(jī)組后）冷凍水回水溫度降低或者接近冷凍水的供水溫度，具體原理圖如圖2 所示。當(dāng)余熱回收接至冷卻水管路時，一般接至冷卻水的回水管（高溫側(cè)），經(jīng)過板式換熱器（或者熱泵機(jī)組后）冷凍水回水溫度降低或者接近冷卻水的供水溫度，具體原理如圖3所示。

圖2 熱回收取自冷凍水示意圖

圖3 熱回收取自冷卻水示意圖

冷凍水熱回收和冷卻水熱回收對比如表1 所示。從表1可以看出，冷凍水熱回收系統(tǒng)更加成熟一些，建議一般采用冷凍水熱回收系統(tǒng)。

表1 冷凍水熱回收和冷卻水熱回收比較

2.3 熱回收與冷源串聯(lián)與并聯(lián)對比

熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源的連接方式有并聯(lián)和串聯(lián)2 種。以常見的熱回收接至冷凍水系統(tǒng)為例，當(dāng)熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源并聯(lián)時，一般接至自冷凍水的回水管（高溫側(cè)），經(jīng)過板換（或者熱泵機(jī)組后）冷凍水回水溫度降低或者接近冷凍水的供水溫度，然后接至冷凍水的供水管（低溫側(cè)）。當(dāng)與數(shù)據(jù)中心冷源串聯(lián)時，一般取自冷凍水的回水管（高溫側(cè)），經(jīng)過板換（或者熱泵機(jī)組后）冷凍水回水溫度降低或者接近冷凍水的供水溫度，然后接至冷凍水的回水管（高溫側(cè)），具體原理如圖4 所示。相對并聯(lián)連接方式，串聯(lián)時變頻水泵的揚(yáng)程除了需要克服管路損失外，還要承擔(dān)板換（或者熱泵機(jī)組）的阻力，因此揚(yáng)程相對較大。

圖4 熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源串聯(lián)示意圖

熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源并聯(lián)、串聯(lián)比較如表2所示。

表2 熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源并聯(lián)、串聯(lián)比較

當(dāng)熱回收負(fù)荷比較大時，建議采用熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源并聯(lián)，并設(shè)置熱回收變頻水泵以及板換的方式，保證熱回收回水溫度穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)熱回收負(fù)荷比較小時，建議采用熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源串聯(lián)的方式。

3 經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性分析

3.1 項(xiàng)目介紹

以某典型數(shù)據(jù)中心為例，整個園區(qū)約6.3 萬m2，數(shù)據(jù)中心機(jī)房本期約2 萬m2，終期約6 萬m2，辦公區(qū)域約1 萬m2，數(shù)據(jù)中心冷源為4+1 臺1 200 RT 冷水主機(jī)，冷凍水供回水溫度為12/18℃。辦公區(qū)域采用常規(guī)的燃?xì)忮仩t房，供暖時間約為90天。

3.2 節(jié)能、環(huán)保性分析

計(jì)算不同余熱回收率下節(jié)約天然氣使用量和減少二氧化碳排放量，結(jié)果如表3所示。其中，天然氣熱值取35 588 kJ/m3。

由表3 可以看出，數(shù)據(jù)中心采用余熱回收系統(tǒng)節(jié)能效益非常可觀，能源節(jié)約量大，環(huán)保效益顯著。

表3 不同余熱回收率下，數(shù)據(jù)中心冷源節(jié)能、環(huán)保分析

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 初投資

將燃?xì)忮仩t房供暖和余熱回收系統(tǒng)初投資進(jìn)行比較，如表4 所示。從表4 可以看出，與燃?xì)忮仩t房供暖系統(tǒng)相比，余熱回收系統(tǒng)初投資增加約600萬元。

表4 燃?xì)忮仩t房供暖和余熱回收系統(tǒng)初投資進(jìn)行比較

3.3.2 運(yùn)行電費(fèi)及投資回收期

冬季冷凍水溫度為12/18℃，經(jīng)過板換換熱后水溫為11/17℃，通過離心式熱泵機(jī)組提升為40/45 ℃，經(jīng)過多個廠家選型后，熱回收系統(tǒng)熱泵機(jī)組能效約為5.3，考慮變頻水泵等其他損失，整個熱源能效取5，不同余熱回收率下運(yùn)行費(fèi)用及回收期如表5所示。

表5 不同余熱回收率下運(yùn)行費(fèi)用及回收期

由計(jì)算結(jié)果可知，數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與余熱回收率密切相關(guān)，當(dāng)余熱回收率比較低時經(jīng)濟(jì)性比較差。本項(xiàng)目辦公區(qū)域年耗熱量約90萬kWh，余熱回收率約2.5%，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，可考慮將余熱銷售給供熱公司或者周邊熱用戶等方式，通過增加余熱回收率的方式提高熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語

通過對數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用研究，得到的主要結(jié)論如下。

a）數(shù)據(jù)中心的余熱可以作為區(qū)域能源的熱源，而不影響數(shù)據(jù)中心的安全性。

b）數(shù)據(jù)中心余熱回收的形式比較多樣。冷凍水熱回收系統(tǒng)更加成熟，建議一般采用冷凍水熱回收系統(tǒng)；當(dāng)熱回收負(fù)荷比較大時，建議采用熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源并聯(lián)，并設(shè)置熱回收變頻水泵以及板換的方式，保證熱回水回水溫度穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)熱回收負(fù)荷比較小時，建議采用熱回收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心冷源串聯(lián)的形式。

c）數(shù)據(jù)中心的余熱回收對節(jié)能減排具有重要意義。

d）數(shù)據(jù)中心余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與余熱回收率密切相關(guān)，當(dāng)余熱回收率比較低時經(jīng)濟(jì)性比較差，可考慮將余熱銷售給供熱公司或者周邊熱用戶等方式，通過增加余熱回收率的方式提高熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。