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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(xiàng)目為例，通過與常規(guī)數(shù)據(jù)機(jī)房余熱利用方案對(duì)比，該能源系統(tǒng)預(yù)計(jì)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(jì)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，根據(jù)工業(yè)和信息化部、國家能源局的數(shù)據(jù)，全國數(shù)據(jù)中心耗電量由2014年的829億kW·h增長到2020年的2002億kW·h，占全社會(huì)總用電量的比例由1.5%增長到2.7%。
預(yù)計(jì)到2025年，全國數(shù)據(jù)中心總耗電量將達(dá)到社會(huì)總用電量的4.05%。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(yùn)行，即使在系統(tǒng)空閑時(shí)，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(huì)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(huì)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(xiàng)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(chǔ)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。
1 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(shí)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(lì)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(shì)。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(gè)季節(jié)的熱量都會(huì)浪費(fèi)，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(shí)可利用地源熱泵將夏季存儲(chǔ)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(yùn)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)?、燃煤鍋爐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?huì)存在地?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(duì)于數(shù)據(jù)中心，該方案相較于蒸發(fā)冷卻和自然冷卻會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)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(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)將能耗分?jǐn)?，也可顯著降低數(shù)據(jù)中心PUE值。
2 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(duì)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(jì)，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(duì)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(dú)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(shí)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(bǔ)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(chǔ)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)比分析，對(duì)相同供冷、供熱量的電耗進(jìn)行分析。
3)以上計(jì)算均為純理論計(jì)算，實(shí)際過程中會(huì)有熱損耗及效率損失，會(huì)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。
3 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(diǎn)，主要分為2種，一是由于周邊用量需求較大，二是因?yàn)楫?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(duì)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(jì)，要在保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定安全運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)余熱的科學(xué)回收。
4 新模式的應(yīng)用分析
4.1應(yīng)用項(xiàng)目概況
本項(xiàng)目位于北方某地區(qū)，該區(qū)域?yàn)閲?yán)寒地區(qū)，全年供暖期時(shí)長5個(gè)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(tái)，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(huì)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(jì)
4.2 項(xiàng)目供暖負(fù)荷計(jì)算
本項(xiàng)目各建筑均有明顯的使用特點(diǎn)，大學(xué)校園在最冷月由于學(xué)生放寒假，供暖需求不大；會(huì)展中心建筑冬季辦展很少，或辦展時(shí)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(diǎn)與會(huì)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(xiàng)目負(fù)荷計(jì)算時(shí)，利用區(qū)域能源分析計(jì)算軟件進(jìn)行負(fù)荷模擬過程中，對(duì)教育建筑、辦公建筑、體育建筑、會(huì)展建筑等分別建立了時(shí)間表。該計(jì)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(shí)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(jì)算基礎(chǔ)。
由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，見圖6，本項(xiàng)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(shí)間負(fù)荷降低幅度較大，主要是考慮此時(shí)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(shí)負(fù)荷曲線
4.3 能源方案
本項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心設(shè)置3000臺(tái)機(jī)柜，單個(gè)機(jī)柜功率約8kW，按單個(gè)設(shè)備功率因數(shù)為0.9、設(shè)備需用系數(shù)為0.7計(jì)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(duì)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(shí)可以為周邊用戶供暖，同時(shí)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(bǔ)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(duì)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(duì)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(duì)比分析
注：目前該地區(qū)市政供暖單價(jià)為6.3元/(m2·月)，供暖時(shí)長為5個(gè)月。電價(jià)均價(jià)為0.52元/(kW·h)。
通過對(duì)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(yùn)行費(fèi)用最低，預(yù)計(jì)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(jià)，未來納入碳交易市場后，預(yù)計(jì)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(duì)比分析
5 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(yùn)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(shì)。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(huì)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(duì)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)。
