蒸汽溴化鋰吸收式熱泵在數據中心的應用

劉傳飛　賈澤

摘 要：數據中心是為數據處理設備提供運行環境的場所，有大量的冷負荷需求，本文以河北廊坊某數據中心為實例，利用附近熱源廠的蒸汽作為驅動熱源，采用蒸汽溴化鋰機組為數據中心供冷。

關鍵詞：數據中心;蒸汽;吸收式熱泵

1.引言

數據中心作為信息化的重要載體，提供信息數據存儲和信息系統運行平臺支撐，是推進新一代信息技術產業發展的關鍵資源，其承擔著數據流通中心的關鍵作用，是網絡數據交換最為集中的節點所在。數據中心是為數據處理設備提供運行環境的場所，隨著信息化社會的不斷發展，數據中心規模越來越大，其設備散熱量不斷增加，為數據中心提供的冷熱水系統的規模隨之增大，勢必造成空調系統的能耗增加，也會對我國能源供應和環境保護造成巨大壓力。

數據中心機房有大量的散熱，需要設置制冷系統帶走熱量，因此制冷系統是維持數據中心正常運的關鍵因素，維持數據中心保持高效運轉的同時，幫助其提高工作效率，通常數據中心一般采用電制冷，本文結合數據中心特點及周邊資源情況，采用蒸汽溴化鋰熱泵機組為數據中心供冷。

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，將低溫熱源中的熱量提取出來，轉移該部分熱量，進而得到較高品位熱量的設備。吸收式熱泵技術成熟，產品性能穩定，在工業領域已經有廣泛的應用。蒸汽溴化鋰吸收式熱泵是以0.3Mpa以上蒸汽產生的熱能為驅動熱源，以溴化鋰和水組成的二元溶液為工質的吸收式制熱裝置，利用水在低壓真空狀態下低沸點的特性，提取低品位廢熱源中的熱量，通過回收轉換制取采暖、工藝以及生活用高品位熱水主機系統有溶液泵、吸收器、發生器、冷凝器、蒸發器、節流閥等。其制冷原理如下圖1所示：

蒸發器：水在負壓下低溫蒸發，從低溫熱源中取熱。

吸收器：濃溴化鋰溶液吸收低溫蒸汽放熱，加熱冷媒。

發生器：利用驅動熱源加熱溴化鋰稀溶液，冷劑水蒸發，溴化鋰稀溶液濃縮成濃溶液，再次進入吸收器，實現溶液的循環;蒸發出的制冷劑（水蒸氣）進入冷凝器。

冷凝器：水蒸汽冷凝成水放熱，加熱冷媒。冷凝器中凝結的水進入蒸發器，形成冷劑水的循環。

制冷原理：輸入驅動熱源蒸汽，使發生器的溴化鋰溶液至 140℃左右產生水蒸汽，水蒸汽被冷卻水冷凝成水，冷凝水進入蒸發器這個高真空環境，驟然蒸發，降溫至 5℃，噴灑到銅管上，使銅管內 12℃的空調水降溫至 7℃，向用戶提供冷凍水，冷凝水吸收了空調熱量變為水蒸汽，被來自發生器的濃溶液吸收，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生器，再次被加熱，再次產生水蒸汽，重復上述循環。

3.本方案數據中心介紹

某數據中心一期項目于建設當年啟動，次年6月交付使用，終期于次年底竣工，一期計劃建設2000機柜，單機柜功耗8KW;主機房和變配電機房制冷負荷約為20625KW。終期計劃建設約3200個機柜，單機柜功耗8KW，主機房和變配電機房制冷負荷約為33000KW。數據中心末端采用風機盤管型式，采用15/21℃的供回水溫度的冷凍水。

因此根據上述描述可知，本工程冷負荷需求見下表：

數據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燃氣蒸汽鍋爐。冬季蒸汽負荷約需求量為40～50t/h，除冬季外，其他季節蒸汽負荷平均需求量較小，僅為20t/h，此時若采用燃煤鍋爐供蒸汽，由于鍋爐容量較大，存在壓火運行或蒸汽排空情況，若采用燃氣鍋爐供汽則運行費用較高。因此本方案選用蒸汽溴化鋰熱泵機組，即滿足新建數據中心的用冷需求，并可解決非采暖季的蒸汽使用問題。

4.裝機規模

數據中心計劃建設約3200個機柜（一期2000個，二期1200個），單機柜功耗8KW，主機房和變配電機房制冷負荷約為33000KW。可選用蒸汽型溴化鋰機組供冷，即可消納非采暖季供熱廠的蒸汽，又可以給數據中心供冷。數據中心等級為A級，用戶要求供冷安全可靠。因此本項目選用蒸汽型型溴化鋰機組滿足100%冷負荷，由于數據中心已有一套電制冷系統作為數據中心的冗余，數據中心現有電制冷的冷凍水的供回水溫度15/21℃，本項目考慮蒸汽溴化鋰吸收式熱泵為數據中心供冷，設計供回水溫度7/12℃，在數據中心末端設置換熱器，數據中心的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℃的冷凍水供數據中心冷負荷。

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置蒸汽型溴化鋰機房，一期計劃建設3臺6980kw蒸汽溴化鋰機組，終期再增加2臺6980kw蒸汽溴化鋰機組滿足數據中心的冷負荷需求。當蒸汽溴化鋰機組出現故障時，由數據中心自有的電制冷提供冷負荷。

以一期為例：常態下運行3臺6980kw蒸汽溴化鋰機組供能冷力約20.94MW，能夠滿足一期20.625MW的冷負荷。

終期時運行5臺6980kw蒸汽溴化鋰機組供能冷力約34.90MW，能夠滿足終期期33.0MW的冷負荷。

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

5.運行分析

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

本項目按照終期建設3200個機柜進行運行分析的對比。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，具體運行分析對比分析如下表：

本工程終期靜態投資約8637萬元，投資回收期約4年，年收益約2159萬元。若采用常規系統（市政供電+電制冷），總投資約8009萬元，年收益1497萬元，靜態投資回收期約5.35年，相比而言，采用蒸汽溴化鋰熱泵為數據中心供冷更具有優勢。根據當地的能源價格測算，本方案采用蒸汽溴化鋰熱泵為數據中心供冷具備一定的可行性。

上述計算結果是在電價0.7元/kWh，冷價0.31元/kW條件下（雙方提供數據）計算得出。當電價和冷價有變化時，會有不同的結果。根據上述計算原則，可得出不同冷價與電價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。當電價相同時，售冷價格越高，采用蒸汽溴化鋰熱泵供冷比常規系統（市政供電+電制冷）更具有優勢。當售冷價格相同時，電價越高，采用蒸汽溴化鋰熱泵供冷比常規系統（市政供電+電制冷）更具有優勢。因此在選擇供冷方式時，需根據當地的能源價格進行測算，選擇合理的供能方式。

6.結束語

數據中心用冷負荷需求較大，負荷波動較小。除了采用常規的電制冷為數據中心提供冷負荷外，還可以結合當地的能源情況，采用吸收式熱泵為數據中心供冷。本項目數據中心附近有熱源廠，即可消納熱源廠非采暖季的蒸汽，又可以給數據中心供冷。因此熱源廠可結合當地的電價、售冷價格等多方面因素，建設蒸汽溴化鋰吸收式熱泵為數據中心提供冷負荷，解決非采暖季的蒸汽使用問題，減少數據中心的運營維護成本，具備一定的推廣意義。

參考文獻

[1]戴永慶，耿惠彬.陸震，等溴化鋰吸收式制冷技術與 應用.北京：機械工業出版社，1996.