【HVAC】井洋等人|利用数据中心余热供热的系统设计与分析

井 洋  谢晓云  江 亿

清华大学

近年来，随着社会信息化和智能化进程加快，数据通信、处理、储存量都在快速增加。数据中心是数字服务中的重要节点，其数据通信流量已达约11 ZB，数据储存规模约为26 EB。数据中心能耗亦快速增长，2020年全球数据中心总能耗约为200~250 TW·h，约占全球总电耗的1.1%。我国数据中心整体耗电量以每年超过10%的速度递增，其耗电量在2020年突破2 000亿kW·h，约占全社会用电量的2.71%。约90%的数据中心耗电量会转化成低温余热，这创造了余热回收和再利用的潜力。

2020年全球集中供暖总热量约为16 EJ，其中我国集中供暖总热量约为5.9 EJ，约占全球集中供暖总热量的37%。我国北方集中供暖总面积约为156亿m²，总能耗约为2.14亿t标准煤，排放CO₂约5.5亿t，单位供暖热量碳排放约为世界平均水平的1.29倍。在节能减排的大背景下，利用可再生能源和余热作为热源是集中供暖的发展趋势。因此，利用我国北方数据中心低温余热供热是降低集中供暖能耗和碳排放、提高数据中心能源利用效率的有效途径。

国内外研究人员已经针对数据中心余热利用作出了多种尝试，包括区域供热/供热水、辅助发电、吸收式/吸附式制冷、有机朗肯循环、热电、生物质转化和海水淡化/污水处理等。Huang等人综述了数据中心余热利用相关文献，认为直接供热是数据中心余热利用最有前景的方式。Yu等人采用水源热泵回收数据中心余热为附属建筑供热，并模拟计算了附属建筑热负荷及供热能耗；与空气源热泵系统相比，数据中心余热供热的运行成本和初投资都更低，具有经济效益。He等人提出了一种采用热管系统的分布式数据中心冷却方案，并在呼和浩特某数据中心进行了余热回收供热应用；在冷水供水温度18 ℃和供热温度54 ℃的情况下，与燃煤锅炉供热系统相比，该数据中心余热供热系统年节省煤约1.8万t，年节电率近10%。Oró等人回收数据中心余热为附近游泳池供热，投资回收期为15 a，室内游泳池运行费用降低18%。

国内外数据中心余热供热文献报道的系统普遍存在着余热利用率低、投资回收期长等问题。如Yu等人所报道的系统的数据中心余热量约为72.26 MW，而附属建筑总热负荷为15.57 MW，余热利用率仅为22%。当利用数据中心余热进行小范围、短距离供热时，服务器功率密度与建筑热负荷的巨大差距必然会导致低余热利用率。高密度通信服务器的功率密度已达到8~15 kW/m²，单个满载刀片服务器的功率甚至会达到35 kW以上，远远大于各类建筑的冬季供暖负荷。常见的风冷数据中心冷却系统的供冷温度低，供热时需要使用热泵提升温度，能耗较大。余热利用率低和冷却系统温度水平低是数据中心余热供热投资回收期较长的主要原因。液冷、两相流冷却的数据中心的冷却系统温度可达到60 ℃以上，能够直接供热，但投资高、运行维护难度大。而相关余热供热系统通常在数据中心外再额外设置一套水源热泵系统，重复的设备导致了初投资较高、回收期较长。

数据中心余热供热既要考虑建筑热负荷变化，又要兼顾数据中心能耗变化。建筑热负荷主要受室外气温变化影响，可以通过往年供热能耗和气象数据来预测。数据中心常见的负载有：网络工作负载、高性能计算负载和数据工作负载，服务器功耗随负载强度变化。高性能计算负载和数据工作负载的强度和能耗几乎不变，而网络工作负载的强度和能耗随时间变化。数据中心余热供热很难同时耦合数据中心功耗和用户热负荷变化，需要数据中心排热量大于热负荷。供热系统中增加储热装置，既可以提高数据中心余热利用率，又可以提高安全性。

本文提出了一种采用多级热泵的风冷数据中心的长距离余热供热系统，在保障数据中心安全性的前提下，具有更好的经济性和节能减排效果，提高了数据中心能源利用效率，并减少了供暖碳排放。

数据中心功率密度与供热负荷有近百倍的差距，为了提高余热利用效率，数据中心余热供热系统需要提高供回水温度，降低供热管网输送能耗。数据中心的排热量与工作负载有关，受数据中心的类型、服务对象等影响；而用户热负荷主要受建筑类型和气温变化影响。如果利用数据中心余热直接供热，则要求数据中心排热量始终大于用户热负荷，很难实现时域上的完全匹配。数据中心余热供热系统应该设置储热装置，既能够耦合数据中心产热量和用户热负荷变化，又能够提高数据中心和供热系统的安全性。因此，数据中心余热供热应该是包含储热装置的长距离输送系统，系统原理如图1所示。

文献提出在数据中心外部再额外设置一套水源热泵进行供热，这样的系统形式虽然减少了数据中心的运维工作量，但是增加了设备投资，并且增加了一次换热过程，降低了系统能源利用率。本文提出的系统使用数据中心已有的制冷机进行供热，在非供暖季通过电动热泵和蒸发冷却装置将热量排放到环境中，在供暖季通过电动热泵将热量供给热用户。

冷水系统侧的自然冷却板式换热器（板换1）、供热板式换热器（板换2）与电制冷机串联，连接方式全年不变并且不调节。冷却水系统侧板换1与板换2并联后与电制冷机串联，板换1与蒸发冷却塔连接，板换2与供热管网连接。在非供暖季，数据中心通过板换1及多级电制冷机将热量通过间接蒸发冷却塔排放到环境中。在供暖季，数据中心通过板换2和多级电动热泵加热获得较高温度热网供水；末端换热站中的多级电动热泵和板式换热器（板换3）将热量供给用户，并降低热网回水温度。供暖季和非供暖季模式切换需要调节阀门，控制电制冷机冷凝侧向冷却塔或向供热管网排热。数据中心侧的电制冷机和换热站的电动热泵保证了大温差输送供热，降低了输配能耗。当数据中心排热量大于用户热负荷时，多余热量储存在储热装置中；当数据中心排热量小于用户热负荷时，从储热装置中取热。

该系统在供暖季使用多级热泵进行数据中心余热供热，在非供暖季使用蒸发冷却进行排热。该系统主要设备包括：空调箱、板式换热器、电制冷机、水泵、风机、间接蒸发冷却塔和储热装置。空调箱和板式换热器分别为水-空气和水-水显热换热器，其冷热流体换热满足对数平均温差模型，如式（1）所示。水泵、风机及电制冷机的功耗由式（2）~（4）计算。间接蒸发冷却模型建立和实验验证参见文献。

式（1）~（4）中 Q_SHE为板式换热器的换热量；UA为板式换热器的总换热系数，其中U为水-水对流传热系数，A为换热器的有效换热面积；T为温度，其下标h表示热流体，c表示冷流体，i表示入口，o表示出口，eva表示蒸发，con表示冷凝；φ为电制冷机或热泵的性能系数；Qeva和W分别为制冷量和制冷机功耗；η为制冷机的热力学完善度；Np和Nf分别为水泵和风机的功耗；g为自由落体加速度；Gw和Ga分别为水和空气的质量流量；ΔH和Δp分别为水泵扬程和风机提供的总静压；η1和η2分别为风机/水泵的效率和电动机机械效率；ρ_a为空气密度。

在供暖季，数据中心通过板式换热器和多级热泵提升余热温度来供热，各个末端换热站使用板式换热器和多级热泵为热用户供热并降低热网回水温度。在初寒期和末寒期，当数据中心排热量大于热负荷时，将多余热量储存在储热装置中；当数据中心排热量小于热负荷时，由储热装置补充热量给热用户。在末寒期，数据中心降低供热量，将部分热量通过冷却塔排放到环境中。

供热系统通过储热装置和流量调节来耦合数据中心排热量和用户热负荷，热网供回水温度保持不变。当数据中心排热量大于热负荷时，多余的热水储存在储热装置中；当数据中心排热量小于热负荷时，从储热装置中抽取热水以保证换热站流量。

在非供暖季，由于室外气温变化，数据中心冷却系统运行模式也会随之发生变化，可以分为机械制冷季、过渡季和自然冷却季。

1） 机械制冷季：完全不能自然冷却，所有冷量由制冷机提供，T2,i≥T1,o（T2,i为冷却水系统供水温度，T1,o为冷水系统回水温度）；

2） 过渡季：部分自然冷却，部分冷量由制冷机提供，T1,i-ΔT≤T2,i≤T1,o（T1,i为冷水系统供水温度，ΔT为自然冷却板式换热器换热端差）；

3） 自然冷却季：完全自然冷却，T2,i≤T1,i-ΔT。

当室外气温发生变化时，机械制冷季和过渡季通过改变电制冷机开启台数进行调节，自然冷却季通过改变冷却塔风机频率进行调节。机械制冷季向过渡季模式切换时，系统需要切换阀门使自然冷却板式换热器串联到冷却水和冷水系统中。因此，在设计数据中心冷却系统时，应该充分考虑室外气象参数，选择合适的冷水系统温度，保证夏季最不利工况下冷却塔出水仍然能够实现部分自然冷却，这样可减少阀门切换，使系统运行更加安全。

本章以张家口某数据中心余热供热系统为例，进行系统全年运行调节、性能预测及经济性分析。本案例为4个数据中心园区进行余热供热，数据中心总额定排热量为245 MW，供热面积为817.64万m²。最大的一个数据中心园区包含8个额定排热量为18.3 MW的数据中心，每个数据中心选用4台制冷量为5 626 kW（1 600 rt）的离心式水冷冷水制冷机，三用一备。数据机房采用封闭热通道形式，设计温度为22 ℃/35 ℃，冷水系统设计温度为17 ℃/30 ℃，冷却水系统温度随着室外气温变化而变化。对于本案例分析作如下假设：

1） 数据中心满负荷运行，但在确定储热装置体积及系统供热面积时会考虑数据中心负荷变化；

2） 储热装置的热效率为100%；

3） 长输管道的热损失忽略不计（乔雪亮研究发现40 km长输管道的热损失仅为3%）。

本案例由4个数据中心园区为所在社区供热，与用户的最远距离约为10 km，热网供/回水温度设置为65 ℃/15 ℃，二次网供/回水温度为50 ℃/40 ℃。根据该地历年供暖情况，供暖季时间为11月1日至次年4月1日，约150 d，单位面积供热量约为0.4 GJ/m²。冬季室内设计温度为24 ℃，根据典型年室外气温变化及式（5）可以模拟当地热负荷变化情况。

式中 Quse为单位面积供热量；quse为单位面积单位时间供热量；t为时间；k为热负荷计算综合系数，与围护结构、建筑类型等有关；Ti为室内设计温度；Ta为室外干球温度。

根据典型年供暖季室外干球温度数据与往年单位供热面积供暖能耗，可以得出热负荷随时间的变化情况，如图2所示。供暖季最大热负荷为45.89 W/m²，最小热负荷为15.39 W/m²，平均热负荷为30.89 W/m²。为了尽可能减小储热装置的体积，并能够满足供热调峰与应对数据中心排热量变化的需求，系统需要选择合适的储热装置体积。从供暖季开始到t0时刻储热装置中热水体积用式（6）计算。

式中 V为储热装置体积；q_DC为数据中心的排热量；ρ_w为水的密度；c_pw为水的比定压热容；ΔTh为热网供回水温差。

根据式（6）可以计算出满足供暖季供热调峰的最小储热装置体积为0.076 m³/m²（供热面积），对应的数据中心余热供热基础负荷为33.5 W/m²。本系统预留部分储热装置体积用于应对数据中心排热量变化的影响，选择数据中心余热供热基础负荷为35 W/m²，单位供热面积储热装置体积为0.102 5 m³，38.9%的储热装置体积就可以满足供热调峰需求，剩下的61.1%储热装置体积用于应对可能出现的数据中心负荷变化导致的热源不足问题。

数据中心的余热供热能力受数据中心运行负荷、储热装置体积及其他供热调峰手段影响。当运行负荷较小时，数据中心的余热供热能力会小于供热需求，可以在供暖季前就将部分热量储存在储热装置中以增加供热能力。当这种方式仍然无法满足供热需求时，需要使用锅炉等其他供热方式进行补热。当数据中心运行负荷较大时，余热供热能力大于供热需求，数据中心可以通过储热装置储热和自身蒸发冷却进行排热。

图3为该数据中心余热供热系统图。数据中心侧使用板式换热器和8级电动热泵进行供热，8级热泵由2个数据中心的4级热泵串联组成。其中E表示每级热泵的蒸发器，C表示冷凝器，绿线表示数据中心侧冷水管路，红线表示供热管网的供水管路，蓝线表示供热管网的回水管路，黑线表示供热用户二次网管路。换热站侧使用板式换热器和6级电动热泵降低供热回水温度，并将热量输送到二次网。在满负荷下，数据中心侧板式换热器和电动热泵的综合COP为7.15，换热站侧板式换热器和电动热泵的综合COP为12.79，该余热供热系统的总COP为5.22。数据中心侧电动热泵的运行流量和温度稳定，其效率基本保持不变；换热站侧电动热泵的运行温度保持不变，而流量随热负荷变化而变化，效率也会随之变化。数据中心侧多级电动热泵由同一个园区的多个数据中心的制冷机串联而成，在非供暖季各个数据中心冷却系统独立运行，在供暖季不同数据中心的热泵串联运行。

图4显示了数据中心余热供热系统中储热与放热过程及储热装置储热量变化情况。红线为供热量变化情况，黑色阴影面积表示储热过程，红色阴影面积表示放热过程，绿线表示储热装置储热量变化情况。在初寒期和严寒期，数据中心以35 W/m²的基础负荷供热，多余热量储存在储热装置中，不足热量由储热装置提供。在末寒期，用户热需求下降，系统储热装置储满热水后数据中心余热供热基础负荷降低至20 W/m²。在供暖季结束前，数据中心停止供热，供热量全部由储热装置提供，并将储热装置中热水全部置换成15 ℃冷水。储热装置中储存的冷水可以作为数据中心的紧急冷源，也可以降低夏季极端工况下的机械制冷量。供热管网采用量调节，保证供回水温度不变。

图5显示了排热量为18.3 MW的数据中心进行供热与不供热时的冷却系统能耗比较。数据中心余热供热系统在初寒期和严寒期的基础负荷为35 W/m²，在末寒期的基础负荷为20 W/m²，多余的15 W/m²热量通过冷却塔排放到环境中；在夏季极端工况下，储热装置中的冷水可以降低机械制冷量，降低数据中心能耗。在不供热时，数据中心年耗电量为1 115.17万kW·h，全年理论耗水量（WUE）为1.09 L/（kW·h）。在供暖季供热时，数据中心年耗电量为1 818.1万kW·h，全年理论WUE为0.75 L/（kW·h），供热量为24.48万GJ，供热面积为63.7万m²，数据中心单位供热面积额外耗电量为28.71 kW·h，换热站单位供热面积耗电量为22.06 kW·h。表1给出了各种供热方式不包括输送过程的能耗比较情况，数据中心余热回收系统单位供热量（1 GJ）的耗电量为50.77 kW·h，而燃气锅炉需要消耗28.58 m³天然气，燃煤锅炉需要消耗43.43 kg煤，电锅炉需要耗电277.78 kW·h。考虑燃气发电效率为60%，燃煤发电效率为40%，则燃气和燃煤锅炉等效耗电量分别为166.67 kW·h和111.11 kW·h，数据中心余热供热系统相比于其他方式能耗更低。

数据中心余热供热通过电动热泵提升余热品位，相比于燃气锅炉、燃煤锅炉和电锅炉更节能，相比于空气源热泵供热效率更高。本章针对案例中的数据中心区域性供热，对数据中心余热供热的经济性进行分析。相比于传统供热系统，本系统增加了换热站多级热泵，初投资更高；而相比于文献报道的数据中心余热供热系统，本系统充分利用了数据中心的多级热泵，减少了初投资。

本案例使用4个排热量共245 MW的数据中心进行区域供热，总供热面积为817.64万m²，尖峰供热量为338.29 MW。尖峰供热量大于数据中心额定排热量，本系统建设合理规模的储热装置进行供热调峰，储热装置体积为83.81万m³。各设备和能源的经济性成本如表2所示。目前，大型储热装置的实际应用还较少，现存最大规模为2016年丹麦建设的20万m³深坑储水蓄热装置，其建设成本约为235元/m³（30欧元/m³），丹麦还计划建设一个体积为120万m³的储热装置。储热装置的建设成本随着规模增大而减少，北欧已建成工程的最低成本约为188元/m³（24欧元/m³），未来在中国实现100元/m³的建设成本是可行的。

本系统的投资主要包括：数据中心侧供热板式换热器和管网投资、储热装置投资、换热站侧板式换热器和多级热泵投资，以及供热管网和泵站投资，各项投资如表3所示。本系统总投资为41 050.63万元，单位供热面积投资为50.21元/m²。完全建成后，数据中心运行费用约为14.36元/GJ，换热站运行费用约为11.03元/GJ，供热管网输配费用为0.98元/GJ，年总运行费用为8 624.47万元。考虑当地居民供暖费为5.9元/（m²·月），当地非居民供暖费为7.86元/（m²·月），换热站处热价定为50元/GJ。本系统的预期年收益约为7 728.33万元，投资回收期约为5.31 a。相较于燃气锅炉供暖，本系统年减少碳排放约22.13万t。

1） 本文提出了一种采用多级热泵方式实现数据中心和终端用户侧小温差、输送过程和储热过程大温差的系统，保证了各环节高效经济。

2） 本文提出建立合理规模的储热装置作为数据中心余热供热系统不可缺少的环节，既可以提高数据中心和供热系统的运行安全可靠性，又可显著提高余热利用率。

3） 案例分析得到数据中心余热供热系统单位供热面积初投资为50.21元/m²，运行费用为26.37元/GJ，投资回收期约为5.31 a，年减少碳排放约22.13万t。

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