蒸汽溴化鋰吸收式熱泵在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

劉傳飛　賈澤

摘 要：數(shù)據(jù)中心是為數(shù)據(jù)處理設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的場所，有大量的冷負(fù)荷需求，本文以河北廊坊某數(shù)據(jù)中心為實(shí)例，利用附近熱源廠的蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，采用蒸汽溴化鋰機(jī)組為數(shù)據(jù)中心供冷。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;蒸汽;吸收式熱泵

1.引言

數(shù)據(jù)中心作為信息化的重要載體，提供信息數(shù)據(jù)存儲和信息系統(tǒng)運(yùn)行平臺支撐，是推進(jìn)新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵資源，其承擔(dān)著數(shù)據(jù)流通中心的關(guān)鍵作用，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換最為集中的節(jié)點(diǎn)所在。數(shù)據(jù)中心是為數(shù)據(jù)處理設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的場所，隨著信息化社會的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來越大，其設(shè)備散熱量不斷增加，為數(shù)據(jù)中心提供的冷熱水系統(tǒng)的規(guī)模隨之增大，勢必造成空調(diào)系統(tǒng)的能耗增加，也會對我國能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)造成巨大壓力。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房有大量的散熱，需要設(shè)置制冷系統(tǒng)帶走熱量，因此制冷系統(tǒng)是維持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)的關(guān)鍵因素，維持?jǐn)?shù)據(jù)中心保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，幫助其提高工作效率，通常數(shù)據(jù)中心一般采用電制冷，本文結(jié)合數(shù)據(jù)中心特點(diǎn)及周邊資源情況，采用蒸汽溴化鋰熱泵機(jī)組為數(shù)據(jù)中心供冷。

2.蒸汽溴化鋰吸收式熱泵[1]

熱泵是將低品位熱轉(zhuǎn)化為高品位熱的裝置。吸收式熱泵是以水為制冷劑、溴化鋰溶液為吸收劑，將低溫?zé)嵩粗械臒崃刻崛〕鰜恚D(zhuǎn)移該部分熱量，進(jìn)而得到較高品位熱量的設(shè)備。吸收式熱泵技術(shù)成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。蒸汽溴化鋰吸收式熱泵是以0.3Mpa以上蒸汽產(chǎn)生的熱能為驅(qū)動(dòng)熱源，以溴化鋰和水組成的二元溶液為工質(zhì)的吸收式制熱裝置，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)的特性，提取低品位廢熱源中的熱量，通過回收轉(zhuǎn)換制取采暖、工藝以及生活用高品位熱水主機(jī)系統(tǒng)有溶液泵、吸收器、發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥等。其制冷原理如下圖1所示：

蒸發(fā)器：水在負(fù)壓下低溫蒸發(fā)，從低溫?zé)嵩粗腥帷?/p>

吸收器：濃溴化鋰溶液吸收低溫蒸汽放熱，加熱冷媒。

發(fā)生器：利用驅(qū)動(dòng)熱源加熱溴化鋰稀溶液，冷劑水蒸發(fā)，溴化鋰稀溶液濃縮成濃溶液，再次進(jìn)入吸收器，實(shí)現(xiàn)溶液的循環(huán);蒸發(fā)出的制冷劑（水蒸氣）進(jìn)入冷凝器。

冷凝器：水蒸汽冷凝成水放熱，加熱冷媒。冷凝器中凝結(jié)的水進(jìn)入蒸發(fā)器，形成冷劑水的循環(huán)。

制冷原理：輸入驅(qū)動(dòng)熱源蒸汽，使發(fā)生器的溴化鋰溶液至 140℃左右產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽被冷卻水冷凝成水，冷凝水進(jìn)入蒸發(fā)器這個(gè)高真空環(huán)境，驟然蒸發(fā)，降溫至 5℃，噴灑到銅管上，使銅管內(nèi) 12℃的空調(diào)水降溫至 7℃，向用戶提供冷凍水，冷凝水吸收了空調(diào)熱量變?yōu)樗羝粊碜园l(fā)生器的濃溶液吸收，并將熱量傳遞給冷卻水，釋放到大氣中，變稀的溶液被泵到發(fā)生器，再次被加熱，再次產(chǎn)生水蒸汽，重復(fù)上述循環(huán)。

3.本方案數(shù)據(jù)中心介紹

某數(shù)據(jù)中心一期項(xiàng)目于建設(shè)當(dāng)年啟動(dòng)，次年6月交付使用，終期于次年底竣工，一期計(jì)劃建設(shè)2000機(jī)柜，單機(jī)柜功耗8KW;主機(jī)房和變配電機(jī)房制冷負(fù)荷約為20625KW。終期計(jì)劃建設(shè)約3200個(gè)機(jī)柜，單機(jī)柜功耗8KW，主機(jī)房和變配電機(jī)房制冷負(fù)荷約為33000KW。數(shù)據(jù)中心末端采用風(fēng)機(jī)盤管型式，采用15/21℃的供回水溫度的冷凍水。

因此根據(jù)上述描述可知，本工程冷負(fù)荷需求見下表：

數(shù)據(jù)中心附近有一熱源廠，共有2臺75t/h燃煤蒸汽鍋爐以及一臺30t/h燃?xì)庹羝仩t。冬季蒸汽負(fù)荷約需求量為40～50t/h，除冬季外，其他季節(jié)蒸汽負(fù)荷平均需求量較小，僅為20t/h，此時(shí)若采用燃煤鍋爐供蒸汽，由于鍋爐容量較大，存在壓火運(yùn)行或蒸汽排空情況，若采用燃?xì)忮仩t供汽則運(yùn)行費(fèi)用較高。因此本方案選用蒸汽溴化鋰熱泵機(jī)組，即滿足新建數(shù)據(jù)中心的用冷需求，并可解決非采暖季的蒸汽使用問題。

4.裝機(jī)規(guī)模

數(shù)據(jù)中心計(jì)劃建設(shè)約3200個(gè)機(jī)柜（一期2000個(gè)，二期1200個(gè)），單機(jī)柜功耗8KW，主機(jī)房和變配電機(jī)房制冷負(fù)荷約為33000KW。可選用蒸汽型溴化鋰機(jī)組供冷，即可消納非采暖季供熱廠的蒸汽，又可以給數(shù)據(jù)中心供冷。數(shù)據(jù)中心等級為A級，用戶要求供冷安全可靠。因此本項(xiàng)目選用蒸汽型型溴化鋰機(jī)組滿足100%冷負(fù)荷，由于數(shù)據(jù)中心已有一套電制冷系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的冗余，數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有電制冷的冷凍水的供回水溫度15/21℃，本項(xiàng)目考慮蒸汽溴化鋰吸收式熱泵為數(shù)據(jù)中心供冷，設(shè)計(jì)供回水溫度7/12℃，在數(shù)據(jù)中心末端設(shè)置換熱器，數(shù)據(jù)中心的21℃的冷凍水回水與溴化鋰吸收式熱泵提供的7℃的冷凍水換熱，換熱后15℃的冷凍水供數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷。

本工程的工藝流程示意圖如下圖所示：

本工程在熱源廠集中設(shè)置蒸汽型溴化鋰機(jī)房，一期計(jì)劃建設(shè)3臺6980kw蒸汽溴化鋰機(jī)組，終期再增加2臺6980kw蒸汽溴化鋰機(jī)組滿足數(shù)據(jù)中心的冷負(fù)荷需求。當(dāng)蒸汽溴化鋰機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，由數(shù)據(jù)中心自有的電制冷提供冷負(fù)荷。

以一期為例：常態(tài)下運(yùn)行3臺6980kw蒸汽溴化鋰機(jī)組供能冷力約20.94MW，能夠滿足一期20.625MW的冷負(fù)荷。

終期時(shí)運(yùn)行5臺6980kw蒸汽溴化鋰機(jī)組供能冷力約34.90MW，能夠滿足終期期33.0MW的冷負(fù)荷。

除去熱源廠原有的蒸汽負(fù)荷以及供熱廠內(nèi)蒸汽鍋爐除氧用的蒸汽負(fù)荷外，供熱廠內(nèi)燃煤蒸汽鍋爐可滿足全部的蒸汽負(fù)荷需求。

5.運(yùn)行分析

本項(xiàng)目涉及主要輸入能源材料價(jià)格情況如下：電價(jià)：0.7元元kW;自來水價(jià)9元/m3，燃煤價(jià)格：760元/噸，售冷價(jià)格：0.31元/kw。

本項(xiàng)目按照終期建設(shè)3200個(gè)機(jī)柜進(jìn)行運(yùn)行分析的對比。將上述本方案與采用市電供電、電制冷的基本方案做為相互對比，具體運(yùn)行分析對比分析如下表：

本工程終期靜態(tài)投資約8637萬元，投資回收期約4年，年收益約2159萬元。若采用常規(guī)系統(tǒng)（市政供電+電制冷），總投資約8009萬元，年收益1497萬元，靜態(tài)投資回收期約5.35年，相比而言，采用蒸汽溴化鋰熱泵為數(shù)據(jù)中心供冷更具有優(yōu)勢。根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格測算，本方案采用蒸汽溴化鋰熱泵為數(shù)據(jù)中心供冷具備一定的可行性。

上述計(jì)算結(jié)果是在電價(jià)0.7元/kWh，冷價(jià)0.31元/kW條件下（雙方提供數(shù)據(jù)）計(jì)算得出。當(dāng)電價(jià)和冷價(jià)有變化時(shí)，會有不同的結(jié)果。根據(jù)上述計(jì)算原則，可得出不同冷價(jià)與電價(jià)下電制冷方案與蒸汽溴化鋰方案投資回收期及年收益對比。當(dāng)電價(jià)相同時(shí)，售冷價(jià)格越高，采用蒸汽溴化鋰熱泵供冷比常規(guī)系統(tǒng)（市政供電+電制冷）更具有優(yōu)勢。當(dāng)售冷價(jià)格相同時(shí)，電價(jià)越高，采用蒸汽溴化鋰熱泵供冷比常規(guī)系統(tǒng)（市政供電+電制冷）更具有優(yōu)勢。因此在選擇供冷方式時(shí)，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格進(jìn)行測算，選擇合理的供能方式。

6.結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心用冷負(fù)荷需求較大，負(fù)荷波動(dòng)較小。除了采用常規(guī)的電制冷為數(shù)據(jù)中心提供冷負(fù)荷外，還可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐哪茉辞闆r，采用吸收式熱泵為數(shù)據(jù)中心供冷。本項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心附近有熱源廠，即可消納熱源廠非采暖季的蒸汽，又可以給數(shù)據(jù)中心供冷。因此熱源廠可結(jié)合當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)、售冷價(jià)格等多方面因素，建設(shè)蒸汽溴化鋰吸收式熱泵為數(shù)據(jù)中心提供冷負(fù)荷，解決非采暖季的蒸汽使用問題，減少數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營維護(hù)成本，具備一定的推廣意義。

參考文獻(xiàn)

[1]戴永慶，耿惠彬.陸震，等溴化鋰吸收式制冷技術(shù)與 應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.