淺談利用濟(jì)南某數(shù)據(jù)中心余熱的供暖方式

李金苡

中能融合智慧科技有限公司

隨著人工智能、云計(jì)算，大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)高速發(fā)展，大型數(shù)據(jù)中心不斷涌現(xiàn)。當(dāng)前全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量已超過(guò) 500 萬(wàn)個(gè)，預(yù)計(jì) 2020 年，全球數(shù)據(jù)中心耗電量將占全球總用電量的5%。截止目前，中國(guó)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器裝機(jī)量1800 萬(wàn)余臺(tái)，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心總耗電量高達(dá)613 億度。如何在高能耗數(shù)據(jù)中心尋找節(jié)能空間，緩解當(dāng)前社會(huì)能源需求緊張，促進(jìn)全球能源合理利用，是數(shù)據(jù)中心從業(yè)者不斷探索的方向。本文以濟(jì)南某數(shù)據(jù)中心為例，介紹余熱回收原理及其應(yīng)用方案，提出數(shù)據(jù)中心余熱利用的可行性分析方案與建議，以期在社會(huì)級(jí)能源需求角度推動(dòng)數(shù)據(jù)中心行業(yè)去關(guān)注能耗問(wèn)題。

1 項(xiàng)目概況

濟(jì)南某數(shù)據(jù)中心是國(guó)家級(jí)計(jì)算中心，位于濟(jì)南市歷城區(qū)彩石片區(qū)，是我國(guó)首臺(tái)全部采用國(guó)產(chǎn) CPU 和系統(tǒng)軟件構(gòu)建的千萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系科技部批準(zhǔn)成立的國(guó)內(nèi)三大千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算中心之一，總投資105 億元，總建筑面積40.7 萬(wàn)m2。

該計(jì)算中心的服務(wù)器裝機(jī)容量約600 匹，可提供的余熱負(fù)荷約70 MW。

在園區(qū)周邊，某房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的住宅項(xiàng)目位于數(shù)據(jù)中心南側(cè)，直線距離約600 m，為數(shù)據(jù)中心提供生活配套服務(wù)。

通過(guò)對(duì)終端用戶熱負(fù)荷進(jìn)行模擬測(cè)算，可提取數(shù)據(jù)機(jī)房低品位熱源，就地消納數(shù)據(jù)機(jī)房余熱，通過(guò)熱泵升溫，在冬季為計(jì)算中心辦公、科研樓和周邊居民供暖。該方法在節(jié)省采暖費(fèi)用的同時(shí)降低冷卻水系統(tǒng)耗電量，進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)房冷卻效果，減少煤炭和天然氣能源的消耗[1]。此外，此舉充分釋放了節(jié)能空間、緩解政府壓力，并積極響應(yīng)國(guó)家關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng) +”智慧能源發(fā)展的相關(guān)指示，提高能源利用效率助推園區(qū)綠色發(fā)展[2]。

2 資源條件與負(fù)荷分析

2.1 當(dāng)?shù)刭Y源條件分析

電力：計(jì)算中心科技園主要電力供應(yīng)來(lái)自于園區(qū)110 kV 變電站，供電為 10 kV 供電引入，高性能計(jì)算設(shè)備引入10 路10 kV 電源，兩兩一組，互為備用，同時(shí)配備柴油發(fā)電機(jī)及不間斷電源作為應(yīng)急電源保障。

天然氣：天然氣作為一種高效清潔的能源，是分布式能源系統(tǒng)的理想燃料。

計(jì)算中心科技園燃?xì)鈿庠粗饕獊?lái)自濟(jì)南港華燃?xì)庵袎汗芫€，氣量較為充足。燃?xì)獾臀粺嶂禐?200 大卡/Nm3。供熱用燃?xì)庹a(bǔ)貼后價(jià)格為1.71 元/Nm3，若采用分布式能源項(xiàng)目，天然氣價(jià)格為3.3 元/Nm3。

余熱資源：計(jì)算中心機(jī)房散熱量大，常年運(yùn)行溫度，具有非常適合利用的余熱資源。本項(xiàng)目考慮冬季利用計(jì)算中心機(jī)房余熱為辦公區(qū)域及周邊居民供暖。

市政熱力：科技園項(xiàng)目周邊無(wú)市政管網(wǎng)供熱條件，不可利用市政集中供熱。

2.2 濟(jì)南市相關(guān)政策支持條件

作為一種新興的能源供應(yīng)方式，對(duì)我國(guó)構(gòu)建“兩型社會(huì)”，大氣污染防治，保護(hù)環(huán)境意義重大，日益受到全國(guó)各級(jí)政府的關(guān)注，濟(jì)南的采暖、補(bǔ)貼收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)有相關(guān)政策文件支持。

經(jīng)匯總，濟(jì)政發(fā) 【2018】 33 號(hào)文、濟(jì)價(jià)費(fèi)字 【2013】71 號(hào)文件、濟(jì)政辦函 【2018】 21 號(hào)文相關(guān)規(guī)定具體如表1 所示：

表1 濟(jì)南采暖相關(guān)政策補(bǔ)貼價(jià)格

2.3 負(fù)荷條件分析

1）冷負(fù)荷分析

根據(jù)數(shù)據(jù)中心、房地產(chǎn)公司提供的資料，數(shù)據(jù)中心辦公部分及房地產(chǎn)公建地塊的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷具體如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)中心辦公樓及東山府商業(yè)冷負(fù)荷表

從表 2 中可以看出，公建總設(shè)計(jì)冷負(fù)荷25.86 MW，根據(jù)不同類型用戶的用能特性，對(duì)典型日冷負(fù)荷逐時(shí)分析，結(jié)果如圖 1，圖中縱坐標(biāo)單位為MW。

圖1 數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)典型日冷負(fù)荷變化曲線

從典型日逐時(shí)冷負(fù)荷圖中可以看出，數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)區(qū)域冷負(fù)荷從8:00 開(kāi)始出現(xiàn)迅速增加，隨著人員密度和室外氣溫的增加，冷負(fù)荷迅速上升，在 16:00時(shí)達(dá)到用能峰值，19:00 以后隨著室外氣溫下降冷負(fù)荷逐漸降低。

2）熱負(fù)荷分析

根據(jù)提供的資料，數(shù)據(jù)中心辦公樓及房地產(chǎn)地塊的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷如表3 所示。

表3 數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)熱負(fù)荷表

從表 3 中可以看出，本項(xiàng)目總設(shè)計(jì)熱負(fù)荷27.84 MW，根據(jù)不同類型用戶的用能特性，典型日熱負(fù)荷逐時(shí)分析，結(jié)果如圖2，圖中縱坐標(biāo)單位為MW。

圖2 數(shù)據(jù)中心及房地產(chǎn)典型日熱負(fù)荷變化曲線

從典型日逐時(shí)熱負(fù)荷圖中可以看出，夜間熱負(fù)荷維持在10～15 MW 之間，白天隨著辦公及商業(yè)區(qū)域人員活動(dòng)增加，熱負(fù)荷迅速上升，在上午 10:00 時(shí)達(dá)到用能峰值。

2.4 供能范圍

本項(xiàng)目研究范圍為以數(shù)據(jù)中心機(jī)房余熱為切入點(diǎn)，冬季通過(guò)回收計(jì)算機(jī)房余熱、用熱泵提溫，為數(shù)據(jù)中心的科研樓和周邊某地產(chǎn)建筑供熱（居民住宅），燃?xì)忮仩t作為備用。

3 能源系統(tǒng)方案

3.1 設(shè)計(jì)思路

為了滿足終端客戶的用能需求，本項(xiàng)目因地制宜就地消納數(shù)據(jù)機(jī)房余熱外供，變廢為寶、最大化釋放能源利用價(jià)值，制定如下總體思路：

1）余熱利用模式：以“數(shù)據(jù)機(jī)房余熱 +熱泵機(jī)組”為核心為房地產(chǎn)住宅地塊和數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)域供能，并配以適當(dāng)?shù)娜細(xì)忮仩t作為備用，以保障用戶用能的安全。

2）智能調(diào)度：對(duì)科技園內(nèi)的各產(chǎn)能主體，用能主體及能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)視控制，調(diào)度管理。

3）分期實(shí)施：考慮項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)序和房地產(chǎn)入住率，為更好的匹配負(fù)荷增長(zhǎng)，本項(xiàng)目分階段實(shí)施。

3.2 工藝路線

系統(tǒng)工藝流程如圖3 所示。

圖3 工藝路線示意圖

3.3 技術(shù)方案

設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)本區(qū)塊用戶供暖的最高要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，且留有適當(dāng)?shù)倪^(guò)熱度，減少采暖熱水輸送時(shí)的損失，設(shè)計(jì)冬季采暖供回水溫度50/45 ℃[2]。

熱源系統(tǒng)擬配置 4 臺(tái)制冷量為 5979 kW 的高壓離心式水源熱泵，2 臺(tái)7000 kW 燃?xì)鉄崴仩t，配套輔助設(shè)備及相應(yīng)的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)。

一期：配置 2 臺(tái)熱泵機(jī)組 +1 臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t +供熱管網(wǎng)和相配套的輔助設(shè)施，解決數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)域和房地產(chǎn)公建采暖的用能需求。

二期：隨著各建筑達(dá)產(chǎn)率提高，增配 2 臺(tái)熱泵機(jī)組+1 臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t及配套設(shè)施，以解決增量負(fù)荷用能需求。

3.4 運(yùn)行模式

余熱外供主要用于冬季采暖。熱泵自計(jì)算中心制冷機(jī)房冷卻水側(cè)吸熱，冷卻水供回水溫度 20/28 ℃。經(jīng)熱泵提升后，用戶側(cè)供回水溫度為 50/40 ℃。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房熱回收原理如圖4 所示。從圖中可以看出，冬季運(yùn)行模式下，數(shù)據(jù)機(jī)房冷卻水回水有一部分通過(guò)自然冷卻模式進(jìn)行冷卻，另一部分輸送至熱源測(cè)，通過(guò)熱泵回收其中的熱量，提供供暖熱水[1]。

圖4 熱回收原理圖

熱源測(cè)冬季供熱平衡分析如圖5 所示。

圖5 冬季供熱平衡分析圖

3.5 熱源側(cè)選址

熱源測(cè)的建設(shè)，應(yīng)滿足通風(fēng)，泄爆及消防安全距離的要求。從能源輸送的角度考慮應(yīng)盡量靠近變配電所和冷、熱、電負(fù)荷中心，周邊供氣、供水、排水等市政設(shè)施齊全，外管線距離短。為便于運(yùn)行管理，機(jī)房最好獨(dú)立設(shè)置[2]。但同時(shí)滿足上述條件比較困難，根據(jù)上述要求結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，熱源測(cè)擬建位置如圖6 所示。

圖6 熱源側(cè)站址圖

4 余熱利用方案綜合性分析

4.1 節(jié)能性分析

采用數(shù)據(jù)中心余熱采暖，不僅節(jié)省了一次能源天然氣的消耗，也有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

與天然氣集中供熱相對(duì)比，以一個(gè)采暖季為測(cè)算周期，將系統(tǒng)的固定投資費(fèi)用和年運(yùn)行成本平攤到采暖面積中，得到如下結(jié)論。

假定邊界條件：濟(jì)南采暖燃?xì)庋a(bǔ)貼價(jià)格按照 1.71元/Nm3結(jié)算；取濟(jì)南商業(yè)平均電價(jià)0.6 元/kWh；濟(jì)南水價(jià)4 元/m3。

相關(guān)測(cè)算結(jié)果如表4 和表5。

表4 天然氣采暖單價(jià)

表5 數(shù)據(jù)中心余熱采暖單價(jià)

由表 4、5 可知，天然氣集中供熱的采暖單價(jià)為22.51 元/m2，數(shù)據(jù)中心余熱采暖單價(jià)為19.38 元/m2，相比較，在一個(gè)采暖季每平米節(jié)省了3.13 元。據(jù)估算，該數(shù)據(jù)中心機(jī)房可釋放約 70 MW 的熱量，周邊采暖建筑面積約50 萬(wàn)m2，綜合考量，一個(gè)采暖季大概可節(jié)省150 萬(wàn)元[3]。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)性分析

余熱供暖系統(tǒng)主要用能為電能、備用鍋爐燃料為天然氣，基本不含硫分和灰分，排放煙氣中基本無(wú) SO2和煙塵。本項(xiàng)目所排放NOx污染物對(duì)其周圍環(huán)境質(zhì)量的影響在可接受的范圍內(nèi)，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，清潔環(huán)保，系統(tǒng)建設(shè)完全符合國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，屬于國(guó)家鼓勵(lì)建設(shè)類項(xiàng)目，具有很強(qiáng)抵抗政策風(fēng)險(xiǎn)能力[1]。

可能存在因電價(jià)和材料價(jià)格等因素的波動(dòng)變化，以及地區(qū)物價(jià)指數(shù)、社會(huì)平均工資指數(shù)的變化和通貨膨脹等因素導(dǎo)致項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)成本增加的風(fēng)險(xiǎn)，需要有一定的保障措施。

4.3 社會(huì)性效益

項(xiàng)目為高效率、環(huán)保型機(jī)組，推進(jìn)了山東省節(jié)能降耗減排和電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目能保證用戶用能的安全性，具有清潔能源利用的示范作用以及建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的示范作用。

5 結(jié)論與建議

本項(xiàng)目符合國(guó)家“十三五”發(fā)展規(guī)劃及節(jié)能減排的要求，符合建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的國(guó)家政策，能滿足項(xiàng)目健康、持續(xù)發(fā)展，符合環(huán)保要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，符合山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換要求。

經(jīng)論證，本項(xiàng)目社會(huì)、環(huán)境效益顯著，技術(shù)方案合理，經(jīng)濟(jì)可行，建議加快展開(kāi)項(xiàng)目的下一步工作。