基于數(shù)據(jù)中心廢熱利用的供冷、供熱系統(tǒng)

高潤楠

（中鐵二院北方勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，山東 濟南 250031）

0 引言

隨城市發(fā)展，新建建筑供熱缺口日益擴大[1]，冬季因供熱帶來的碳排放和環(huán)境污染急需緩解[2]，政府引導(dǎo)和鼓勵以電和天然氣替代煤供熱。數(shù)據(jù)中心排熱量大，排熱量穩(wěn)定[3]。利用數(shù)據(jù)中心的廢熱給建筑物供熱，可有效降低供熱系統(tǒng)的碳排放，起到能源梯級利用和節(jié)能環(huán)保目的。利用數(shù)據(jù)中心廢熱供熱的同時能實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的免費供冷，極大降低數(shù)據(jù)中心的供冷耗電量。本文提出基于數(shù)據(jù)中心廢熱利用，以電能為主要能源，空氣能、天然氣為補充的綜合能源供冷、供熱系統(tǒng)。解決數(shù)據(jù)中心配套辦公樓和周邊民用、商業(yè)建筑供冷、供熱問題。

1 基于廢熱利用的冷熱源方案

1.1 供冷/供熱方案

本文設(shè)計一種冬季數(shù)據(jù)中心廢熱供熱和數(shù)據(jù)中心免費制冷的冷熱源系統(tǒng)。圖1 為基于數(shù)據(jù)中心廢熱利用的供冷、供熱系統(tǒng)原理圖和控制圖。本套供冷、供熱系統(tǒng)由水冷冷水機組、水源熱泵機組、冷卻塔1、冷卻塔2、板式換熱器、水泵1、水泵2、水泵3、水泵4、電動調(diào)節(jié)閥V1、電動二通閥V2-V8 和相應(yīng)的管道系統(tǒng)構(gòu)成。夏季，水源熱泵機組與冷卻塔2、水泵3、水泵4 配套使用，為辦公、商業(yè)等用戶空調(diào)供冷。夏季制冷，V7、V8 開啟，V5、V6 關(guān)閉，水源熱泵機組制冷工況運行。夏季和過渡季節(jié)，水冷冷水機組與冷卻塔1、水泵1、水泵2 配套使用，為數(shù)據(jù)中心供冷，閥V2、V4 關(guān)閉，V1、V3 開啟。冬季水源熱泵機組制熱工況運行，為數(shù)據(jù)中心配套的辦公樓和周邊建筑供熱。水源熱泵系統(tǒng)制熱工作原理：閥V8、V7 關(guān)閉，V6、V5 開啟，水泵3 循環(huán)冷卻塔1 集水盤中的水進(jìn)水源熱泵機組，設(shè)計進(jìn)出水溫度10.5℃/5.5℃，水源熱泵機組消耗少量電能，提取低溫水（10.5℃）中的熱量，以中溫?zé)崴男问剑ㄟ^水泵4 的輸送供用熱用戶，采用高溫水源熱泵機組制熱，供熱水溫度范圍45～70℃，可根據(jù)用戶側(cè)的供熱溫度要求調(diào)節(jié)熱水溫度，供回水溫差5～10℃。冬季，數(shù)據(jù)中心免費供冷，閥V3 關(guān)閉，閥V2、V4 開啟，冷卻塔1 集水盤的低溫水（10.5℃）經(jīng)水泵1 輸送，進(jìn)板式換熱器換熱，設(shè)計進(jìn)出口溫度10.5/16.5℃，水泵2 循環(huán)數(shù)據(jù)中心冷凍水經(jīng)板式換熱器冷卻，設(shè)計進(jìn)出水溫度18/12℃，即數(shù)據(jù)中心供水溫度12℃，回水溫度18℃。水泵1 的循環(huán)水經(jīng)板式換熱器后進(jìn)入水冷冷水機組，在水冷冷水機組中循環(huán)后流回冷卻塔1 頂部布水盤。冷卻塔1 的風(fēng)機根據(jù)冷卻塔1的供水溫度調(diào)節(jié)頻率和啟停。水源熱泵系統(tǒng)供熱的同時為數(shù)據(jù)中心制冷，再配以冷卻塔1 的散熱，實現(xiàn)冬季數(shù)據(jù)中心100%的免費制冷，理論上冬季水冷冷水機組不開機，完成數(shù)據(jù)中心供冷，水冷冷水機組備用。

圖1 基于數(shù)據(jù)中心廢熱利用的供冷、供熱系統(tǒng)原理和控制

1.2 冷熱源控制

利用自動控制可實現(xiàn)建筑供冷供熱冷熱源設(shè)備的節(jié)能運行[4]，圖1 為數(shù)據(jù)中心廢熱供熱和免費制冷控制系統(tǒng)原理圖，控制器通過控制線連接所有的設(shè)備、電動閥門、溫度傳感器T1 和T2，控制水源熱泵機組、水冷冷水機組、冷卻塔和水泵的啟停和運行頻率，控制電動閥門的開啟和關(guān)斷，監(jiān)測和控制冷卻塔1 冷卻水和數(shù)據(jù)中心冷凍水的供水溫度。此處主要針對數(shù)據(jù)中心廢熱利用供熱和免費供冷的控制進(jìn)行分析說明，常規(guī)冷熱源系統(tǒng)的控制要求不做敘述。冬季利用數(shù)據(jù)中心廢熱供熱，閥V7、V8 關(guān)閉，閥V6、V5 開啟，水泵3、水泵4 運行，水源熱泵機組運行。冬季數(shù)據(jù)中心免費供冷，閥V2、V4 開啟，閥V3 關(guān)閉，水泵1、水泵2 運行，根據(jù)溫度傳感器T1 的溫度設(shè)定值（10.5℃）控制冷卻塔1 的風(fēng)機頻率和啟停，調(diào)節(jié)閥V1 的開度控制板式換熱器的出水溫度，即根據(jù)溫度傳感器T2 的數(shù)值調(diào)節(jié)閥V1 開度，保障數(shù)據(jù)中心冷凍水的供水溫度。

2 熱源增容

2.1 熱源增容形式

供熱站建好后，后期在供熱站周邊可能出現(xiàn)新增供熱面積的情況，如何利用現(xiàn)有的供熱主管路，不改變原有供熱站的情況下，為后期新建面積供暖，本文提出了對應(yīng)的解決方案。根據(jù)實際的能源結(jié)構(gòu)，可選擇以電為驅(qū)動能源的方式，也可以選擇以天然氣為能源的解決方式。此處以水源熱泵系統(tǒng)需要新增供熱面積為例，進(jìn)行方案說明。

數(shù)據(jù)中心的廢熱利用供熱的水源熱泵系統(tǒng)裝機容量受廢熱總量限制，如果前期已按最大廢熱量配置水源熱泵機組，后期出現(xiàn)新增供熱面積，可考慮在供熱管道主干管回水管上接入空氣源熱泵熱源，圖2 為空氣源熱泵補充供熱系統(tǒng)原理圖。或者考慮在供熱管道主干管供水管上接入燃?xì)鉄崴仩t熱源，圖3 為燃?xì)鉄崴仩t補充供熱系統(tǒng)原理圖。空氣源熱泵機組出水溫度相對較低，所以圖2 中，空氣源熱泵機組串聯(lián)在水源熱泵機組的上游，供熱回水先經(jīng)空氣源熱泵加熱后，在進(jìn)水源熱泵機組二次加熱。燃?xì)鉄崴仩t出水溫度相對較高，所以圖3 中，燃?xì)鉄崴仩t串聯(lián)在水源熱泵機組的下游，供熱回水先經(jīng)水源熱泵機組熱后，再進(jìn)入燃?xì)鉄崴仩t二次加熱。兩種方案都不改變供熱主管路和主循環(huán)水泵，通過提高供水溫度，提高供回水溫差的方式，增大供熱輸送能力。新增加的空氣源熱泵系統(tǒng)或者燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)與原有的供熱系統(tǒng)相對獨立，新增系統(tǒng)的啟停或故障對原有系統(tǒng)正常運行不產(chǎn)生影響。采用空氣源熱泵機組上游串聯(lián)補充供熱或者燃?xì)鉄崴仩t下游串聯(lián)補充供熱，對原有供熱系統(tǒng)無任何改動，系統(tǒng)簡單，新增系統(tǒng)建設(shè)成本低。熱源增容利用的能源形式可根據(jù)就近能源結(jié)構(gòu)考慮。

圖2 空氣源熱泵補充供熱系統(tǒng)原理

圖3 燃?xì)鉄崴仩t補充供熱系統(tǒng)原理

2.2 增容量分析

供熱系統(tǒng)75%以下的時間供熱負(fù)荷在最大熱負(fù)荷65%以下，可考慮以高效的水源熱泵機組系統(tǒng)為基礎(chǔ)熱源，熱負(fù)荷供熱量占比65%；新增系統(tǒng)為補充熱源，占比35%；按這樣的經(jīng)濟方式配置熱源，可新增供熱面積0.35/0.65×100%=54%，系統(tǒng)的總運行能效變化不大，增加了54%的供熱面積，解決了新增供熱問題，初投資較低，為投資者帶來較好的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

利用數(shù)據(jù)中心廢熱供熱，初投資只有常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)的40%，初投資低；系統(tǒng)能效高，基于廢熱利用的水源熱泵供熱COP在4.0 左右，供熱運行費用低。

從數(shù)據(jù)中心供冷系統(tǒng)的冷卻塔取冷卻水做水源熱泵機組的熱源，高效供熱的同時免費制冷，配以冷卻塔散熱，冬季實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心100%的免費供冷，相對于傳統(tǒng)的只有板式換熱器+冷卻塔的免費供冷系統(tǒng)，節(jié)能60%以上。

廢熱利用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)管路獨立，互不干擾，廢熱得到利用的同時保證了數(shù)據(jù)中心的安全供冷。

采用空氣源熱泵機組上游串聯(lián)補充供熱與燃?xì)鉄崴仩t系統(tǒng)下游串聯(lián)補充供熱，解決了新增供熱的問題，且初投資低，整體運行費用較低。