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摘要：在國家“雙碳”及“東數(shù)西算”發(fā)展背景下，數(shù)據(jù)中心的余熱用于供暖逐漸被重視。本文提出一種基于數(shù)據(jù)中心余熱跨季節(jié)蓄熱的分布式能源系統(tǒng)，為北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心的余熱利用提供參考方案。以某嚴(yán)寒地區(qū)數(shù)據(jù)中心項目為例，通過與常規(guī)數(shù)據(jù)機(jī)房余熱利用方案對比，該能源系統(tǒng)預(yù)計約7年即可回收增量成本，且每年可降低CO?排放約8700t。本方案可以為北方嚴(yán)寒地區(qū)數(shù)據(jù)中心余熱利用提供參考。
引言
隨著大數(shù)據(jù)、云計算等的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)正快速進(jìn)行，但數(shù)據(jù)中心的能源消耗巨大。
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等IT設(shè)備功率密度高達(dá)300~2000W/m2，且全年不間斷運行，即使在系統(tǒng)空閑時，功率消耗仍舊為最大功率的60%~100%，而IT設(shè)備消耗的電力約97%都轉(zhuǎn)化為熱量。這就需要依靠空調(diào)設(shè)備來為機(jī)房降溫。
數(shù)據(jù)中心在工作過程中會產(chǎn)生大量的低品位余熱，常規(guī)的數(shù)據(jù)中心是通過制冷機(jī)組或者蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)等將熱量排走，但也會消耗大量電能。目前數(shù)據(jù)中心的余熱利用也逐漸被重視，現(xiàn)階段余熱利用主要是冬季利用水環(huán)熱泵將熱量供應(yīng)到周邊用戶進(jìn)行供暖，但其他季節(jié)的余熱未被利用。
本文結(jié)合某嚴(yán)寒地區(qū)數(shù)據(jù)中心項目情況，提出一種數(shù)據(jù)中心余熱利用結(jié)合跨季節(jié)儲熱的更高效的余熱利用模式，其適用于周邊熱用戶需熱量大于數(shù)據(jù)中心余熱量的情況，為數(shù)據(jù)中心在北方嚴(yán)寒地區(qū)與城市供暖相結(jié)合提出一種新的模式。
01 基于數(shù)據(jù)中心余熱利用的區(qū)域能源供暖系統(tǒng)介紹
目前國內(nèi)數(shù)據(jù)中心余熱應(yīng)用實踐主要是將數(shù)據(jù)中心余熱就近供應(yīng)給廠內(nèi)辦公區(qū)域或私人空間，真正大規(guī)模應(yīng)用數(shù)據(jù)中心余熱解決區(qū)域供暖問題的應(yīng)用很少。最主要的原因在于無法突破“圍墻”，或者由于周邊有城市集中供暖，余熱供暖溫度無法滿足接入市政熱網(wǎng)條件等。
近些年，園區(qū)分布式能源系統(tǒng)越來越受到重視，尤其是在國家“雙碳”背景下，鼓勵采用清潔能源和可再生能源等用于供暖，園區(qū)自建低碳供能系統(tǒng)(供冷、供暖、供電)已逐漸成為一種發(fā)展趨勢。分布式能源系統(tǒng)更貼近用戶，目前新建建筑內(nèi)供暖設(shè)備（風(fēng)機(jī)盤管、地板輻射供暖等)基本上溫度要求均在60℃以下，該溫度為數(shù)據(jù)中心余熱的利用提供了有利的條件。數(shù)據(jù)中心余熱利用的區(qū)域能源供暖方案未來也將成為北方地區(qū)較好的供暖解決方案。
數(shù)據(jù)中心全年產(chǎn)生余熱，如果僅在冬季利用，其他幾個季節(jié)的熱量都會浪費，為此本研究中將地源熱泵系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心余熱進(jìn)行結(jié)合，從而充分利用其他季節(jié)的余熱。
如圖1所示，夏季利用地源熱泵為數(shù)據(jù)中心供冷，冬季利用水環(huán)熱泵為周邊用戶供暖，同時可利用地源熱泵將夏季存儲至地下的熱量提取出來為周邊用戶冬季供暖。
圖1 數(shù)據(jù)中心余熱利用運行模式
該方法適用于北方地區(qū)數(shù)據(jù)中心周邊有大量供熱需求的場景。尤其是北方嚴(yán)寒地區(qū)，常規(guī)的供熱方式如燃?xì)狻⑷济哄仩t等存在碳排放較高的問題；常規(guī)的熱泵供暖，如空氣源熱泵、多聯(lián)機(jī)等存在低溫情況下效率低、供能效果不佳的問題。
采用傳統(tǒng)的地源熱泵為數(shù)據(jù)中心供冷相較于蒸發(fā)冷卻供冷技術(shù)并不具備經(jīng)濟(jì)性，傳統(tǒng)的地源熱泵單純?yōu)橛脩艄嵋矔嬖诘責(zé)岵黄胶獾膯栴}。通過將二者結(jié)合，可以有效解決經(jīng)濟(jì)性和地?zé)岵黄胶獾膯栴}。對于數(shù)據(jù)中心，該方案相較于蒸發(fā)冷卻和自然冷卻會增加運行費用，但是統(tǒng)籌數(shù)據(jù)中心供冷和周邊用戶供熱可以大幅度減少運行費用，同時將能耗分?jǐn)?，也可顯著降低數(shù)據(jù)中心PUE值。
02 節(jié)能性分析
本文以北方嚴(yán)寒地區(qū)為例，其全年供暖周期從10月15日至次年4月15日。周邊用戶主要以供暖需求為主，且供暖需求大于數(shù)據(jù)中心供冷需求。針對數(shù)據(jù)中心機(jī)房的空調(diào)系統(tǒng)，國內(nèi)通常采用高溫冷水設(shè)計，冷水回水溫度約為15~20℃，一般系統(tǒng)設(shè)定后，數(shù)據(jù)機(jī)房的冷水溫度全年恒定?；谝陨蠗l件，對以下3種模式進(jìn)行能耗分析。
模式1：數(shù)據(jù)中心、周邊用戶各自單獨設(shè)置冷熱源。數(shù)據(jù)中心采用蒸發(fā)冷卻設(shè)備全年供冷；周邊用戶供暖期采用空氣源熱泵供暖，如圖2所示。
圖2 模式1原理示意圖
模式2：數(shù)據(jù)中心非供暖季采用蒸發(fā)冷卻設(shè)備進(jìn)行供冷，冬季利用余熱熱泵同時為數(shù)據(jù)中心供冷和周邊用戶供暖，供暖不足部分采用空氣源熱泵補充，如圖3所示。
圖3 模式2原理示意圖
模式3：數(shù)據(jù)中心非供暖季采用淺層地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供冷，將余熱儲存于地?zé)峋?，冬季利用地源熱泵為周邊用戶供暖；冬季利用余熱熱泵同時為數(shù)據(jù)中心供冷和周邊用戶供暖，如圖4所示。
圖4 模式3原理示意圖
針對以上3種模式，綜合考量數(shù)據(jù)中心供冷能耗和周邊用戶供暖能耗，在同樣供熱量和供冷量的基礎(chǔ)上，對3種模式的耗電量進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。
注：
1)供暖季與非供暖季按照1∶1考慮。
2)本表僅用于對比分析，對相同供冷、供熱量的電耗進(jìn)行分析。
3)以上計算均為純理論計算，實際過程中會有熱損耗及效率損失，會導(dǎo)致能耗降低幅度減小。
4)蒸發(fā)冷卻COP為12；空氣源熱泵COP為3；地源熱泵供冷COP為8(高溫供冷)，地源熱泵供暖COP為6；余熱熱泵COP為6。
03 新模式的適宜性分析
從國家的東數(shù)西算布局來看(見表2)，目前選定的樞紐節(jié)點，主要分為2種，一是由于周邊用量需求較大，二是因為當(dāng)?shù)刭Y源條件等因素。
表2 國家東數(shù)西算布局
其中第二部分區(qū)域如甘肅、寧夏及內(nèi)蒙古地區(qū)，都屬于北方嚴(yán)寒地區(qū)，通常數(shù)據(jù)中心都集中設(shè)置在部分新區(qū)位置等，周邊有大量用戶需要供暖，且市政供暖通常無法滿足。在這種情況下，數(shù)據(jù)中心的余熱用于區(qū)域供暖對于地區(qū)節(jié)能減排有著重要意義。
此外，本方案的應(yīng)用需要結(jié)合周邊用戶的供暖需求及數(shù)據(jù)中心的供冷需求進(jìn)行定制化設(shè)計，要在保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定安全運行的前提下，實現(xiàn)余熱的科學(xué)回收。
04 新模式的應(yīng)用分析
4.1 應(yīng)用項目概況
本項目位于北方某地區(qū)，該區(qū)域為嚴(yán)寒地區(qū)，全年供暖期時長5個月(當(dāng)年的11月1日至次年的3月31日)，全年供暖需求較多，供冷需求較少。如圖5所示，數(shù)據(jù)中心規(guī)劃在雙創(chuàng)園區(qū)內(nèi)設(shè)置，規(guī)劃機(jī)柜數(shù)量3000臺，單機(jī)柜功率8kW。周邊需要供暖區(qū)域包括產(chǎn)業(yè)園區(qū)、北邊的大學(xué)、東側(cè)會展中心區(qū)域及西側(cè)的辦公區(qū)域，總供暖面積約177萬m2，見表3。
圖5 供能范圍
表3 供能建筑面積統(tǒng)計
4.2 項目供暖負(fù)荷計算
本項目各建筑均有明顯的使用特點，大學(xué)校園在最冷月由于學(xué)生放寒假，供暖需求不大；會展中心建筑冬季辦展很少，或辦展時僅使用部分區(qū)域，供暖需求不穩(wěn)定；體育中心的使用特點與會展中心類似，除了游泳中心需要經(jīng)常使用外，其他區(qū)域供暖需求同樣不穩(wěn)定；雙創(chuàng)園區(qū)主要以產(chǎn)業(yè)辦公為主，白天負(fù)荷較大，較穩(wěn)定。
本項目負(fù)荷計算時，利用區(qū)域能源分析計算軟件進(jìn)行負(fù)荷模擬過程中，對教育建筑、辦公建筑、體育建筑、會展建筑等分別建立了時間表。該計算方法相較于傳統(tǒng)的指標(biāo)法，充分考慮了不同建筑間的同時使用系數(shù)，使得負(fù)荷預(yù)測更加精準(zhǔn)，也為之后的全年能耗分析提供計算基礎(chǔ)。
由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，見圖6，本項目熱負(fù)荷約70MW，折合熱指標(biāo)約40W/m2，耗熱量約29萬GJ。由負(fù)荷分析結(jié)果來看，在1—2月中間有段時間負(fù)荷降低幅度較大，主要是考慮此時間段為寒假假期，學(xué)校區(qū)域供暖需求顯著降低。
圖6 全年逐時負(fù)荷曲線
4.3 能源方案
本項目數(shù)據(jù)中心設(shè)置3000臺機(jī)柜，單個機(jī)柜功率約8kW，按單個設(shè)備功率因數(shù)為0.9、設(shè)備需用系數(shù)為0.7計算，則設(shè)備的冷負(fù)荷約為15MW，冷負(fù)荷基本穩(wěn)定。以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)能源方案進(jìn)行配置。
數(shù)據(jù)中心供冷：數(shù)據(jù)中心夏季及過渡季利用地源熱泵供冷，冬季利用余熱熱泵供冷。
周邊用戶供暖：數(shù)據(jù)中心余熱熱泵為數(shù)據(jù)中心供冷的同時可以為周邊用戶供暖，同時利用地源熱泵將其他季節(jié)蓄存到土壤中的熱量提取出來在冬季為周邊熱用戶供暖，其余部分利用電鍋爐+蓄熱來補充，系統(tǒng)配置見圖7。
圖7 能源系統(tǒng)配置
4.4 能源方案對比
基于前文分析的3種模式，進(jìn)行3種能源方案的經(jīng)濟(jì)性對比，見表4。方案1為上述能源方案，配置15MW余熱熱泵系統(tǒng)、15MW地源熱泵系統(tǒng)及40MW電鍋爐+蓄熱系統(tǒng)；方案2為僅冬季利用數(shù)據(jù)中心余熱，配置15MW余熱熱泵系統(tǒng)、15MW空氣源熱泵系統(tǒng)及40MW電鍋爐+蓄熱系統(tǒng)；方案3為常規(guī)能源系統(tǒng)，配置30MW空氣源熱泵系統(tǒng)及40MW電鍋爐+蓄熱系統(tǒng)。
表4 3種方案對比分析
注：目前該地區(qū)市政供暖單價為6.3元/(m2·月)，供暖時長為5個月。電價均價為0.52元/(kW·h)。
通過對3種方案進(jìn)行全壽命周期成本分析(見圖8)可知，方案1雖然初投資較大，但其每年運行費用最低，預(yù)計約7年即可回收增量成本。而且方案1全年碳排放量最低，相較于方案2和方案3，最多每年可降低排放CO?約8700t。根據(jù)目前的碳價，未來納入碳交易市場后，預(yù)計每年可增加約60萬元碳交易收入。
圖8 3種方案全壽命周期成本對比分析
05 結(jié)束語
數(shù)據(jù)中心余熱利用潛力巨大，但目前由于溫度水平不合適、熱量需求不足、投資成本高、數(shù)據(jù)中心運營商與城市供暖公司的利益沖突及商業(yè)模式不完善等因素，導(dǎo)致余熱利用受阻。但正如前文分析，其在區(qū)域/園區(qū)供暖領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢。未來隨著區(qū)域/園區(qū)供冷、供暖的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的余熱利用必然會被逐漸重視。在國家“雙碳”目標(biāo)的要求下，未來數(shù)據(jù)中心余熱用于分布式供能將成為主要的應(yīng)用方向。希望本文的分析能對未來數(shù)據(jù)中心余熱利用提供一些參考，為國家低碳發(fā)展作出一定貢獻(xiàn)。
作者：（中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司）李文濤，周敏，許安琪，蘇曉寧。
