數據中心水環熱泵余熱回收系統分析與應用

景淼 賈峻

（北京電信規劃設計院有限公司，北京 100048）

1 概述

數據中心電能主要用于IT 設備、電力設備、制冷設備等。其中，IT 設備電能幾乎全部轉換為熱能，通常這些熱能以廢熱的形式通過空調系統排放至大氣中。數據中心全年7×24 小時不間斷運行，其廢熱具有持續不間斷、隨季節變化幅度較小、溫度相對較低等特點。電能屬于高位能源，數據中心通過采用余熱回收再利用技術，將余熱用于建筑供熱、生活熱水等，可以減少碳排放，提高能源利用效率。

2 水環熱泵集中空調余熱回收系統

2.1 概況

水環熱泵余熱回收系統是通過水源熱泵設備，冬季將數據中心空調水中的熱量轉移到舒適性空調水系統中，夏季將舒適性空調水系統的熱量轉移到冷卻水系統中。

水環熱泵余熱回收系統可從數據中心空調冷凍水或冷卻水中提取熱量，分為水環熱泵多聯機余熱回收系統、水環熱泵集中空調余熱回收系統。

2.2 水環熱泵多聯機余熱回收系統

水環熱泵多聯機余熱回收系統（以下簡稱多聯機余熱回收系統）夏季利用水環熱泵多聯機主機制冷，空調系統熱量由冷卻塔排出；冬季利用數據中心廢熱，從數據中心制冷系統的冷凍水或冷卻水中提取熱量，通過水環熱泵多聯機主機進行余熱回收。圖1 為采用風冷集中空調系統的數據中心多聯機余熱回收系統原理示意圖。

圖1 多聯機余熱回收系統原理示意圖

2.3 水環熱泵集中空調余熱回收系統

水環熱泵集中余熱回收系統（以下簡稱集中余熱回收系統）夏季利用水源熱泵機組制冷，空調系統熱量由冷卻塔排出；冬季利用數據中心廢熱，從數據中心制冷系統的冷凍水或冷卻水中提取熱量，通過水源熱泵機組進行余熱回收。圖2 為采用風冷集中空調系統的數據中心集中余熱回收系統原理示意圖。

圖2 集中余熱回收系統原理示意圖

3 余熱回收系統節能性分析

冷源設備能耗在空調系統中占比大，為分析兩種水環熱泵余熱回收系統的應用場景，本文對冷源主設備能耗進行對比。多聯機余熱回收系統主設備為水源熱泵多聯機主機，集中余熱回收系統主設備為水源熱泵機組。兩種余熱回收空調系統主設備能耗對比見表1。

表1 余熱回收系統主設備能耗對比

冬季多聯機余熱回收系統COP 高，節能性好；夏季集中余熱回收系統COP 高，節能性好。因此，選擇空調系統時應依據冷、熱負荷進行全年能耗分析。對于熱負荷大、供熱時間長的地區，多聯機余熱回收系統節能性好；對于冷負荷大、供冷時間長的地區，集中余熱回收系統節能性好。

4 余熱回收系統適用性分析

多聯機余熱回收系統與集中余熱回收系統的特點見表2。多聯機余熱回收系統可以避免空調水管進入房間，冬季利用余熱供暖的電池室適于采用此系統；水源熱泵多聯機主機單臺供熱/供冷量小，在供熱/供冷量小的場所，如數據中心機房樓，適宜采用多聯機余熱回收系統。集中余熱回收系統可實現遠距離熱量/冷量輸送，水源熱泵機組單臺供熱/供冷量大，對園區內供熱/供冷量大的運維樓或需要向周邊建筑供熱/供冷時，尤為適宜。

表2 余熱回收系統對比

5 應用分析

5.1 概況

北方某數據中心園區包含機房樓、動力樓各一棟，總面積為2.27 萬平方米。機房樓、動力樓內附屬區域、公共用房等夏季需供冷、冬季需供暖。

該項目設置工藝性空調系統、舒適性空調系統。工藝性空調系統以滿足數據中心設備需求為主，全年供冷；舒適性空調系統以滿足室內人員舒適感為主，夏季供冷、冬季供暖，設置于ECC、辦公、走道、衛生間等場所。

5.2 工藝性空調系統

工藝性空調冷負荷為11950kW，冷源采用風冷冷水機組，冷凍水供/回水溫度10/15℃，空調系統全年供冷。

5.3 舒適性空調系統

該項目位于北方寒冷地區，舒適性空調夏季供冷、冬季供熱，夏季冷負荷為297kW，冬季熱負荷為795W。該項目工藝性空調全年不間斷供冷運行，在冬季可為舒適性空調提供充足熱量。舒適性空調冬季供熱負荷較高且供熱時間較長，需要選擇供熱時更為節能的系統，因此該項目采用多聯機余熱回收系統，如圖1 所示。冬季，通過多聯機主機從工藝性空調系統的冷凍水回水中提取熱量，多聯機主機水側進/ 出水溫度為15/10℃。夏季，通過冷卻塔排除舒適性空調系統熱量，多聯機主機水側進/出水溫度為32/37℃。末端空調與常規多聯機系統相同，室內機根據吊頂形式采用嵌入式或風管式。考慮到數據中心運行初期機房余熱量有可能不能滿足舒適性空調供熱需求，該項目設置電鍋爐作為輔助熱源補充供熱。

5.4 節能性分析

該項目冬季供熱時間按11 月1 日至次年3 月31 日，夏季供冷時間按6 月15 日至9 月15 日，供冷工況空調運行時間按每天8 小時考慮，供熱工況空調按全天運行考慮。多聯機余熱回收系統、集中余熱回收系統、風冷多聯機系統全年用電量見表3，用電量對比如圖3 所示，用電量未計入初期余熱不足時輔助熱源用電量。

表3 三種空調系統用電量

圖3 三種空調系統用電量對比

冬季供熱工況，多聯機余熱回收系統與集中余熱回收系統相比用電量減少29%，與風冷多聯機系統相比用電量減少40%；夏季供冷工況，多聯機余熱回收系統與集中余熱回收系統相比用電量增加11%，與風冷多聯機系統相比用電量增加55%。多聯機余熱回收系統與集中余熱回收系統相比全年用電量減少23%，與風冷多聯機系統相比全年用電量減少31%。綜上，該項目采用多聯機余熱回收系統節能效果最佳。

6 結論

采用風冷集中式空調系統的數據中心，利用水環熱泵機組可從數據中心空調冷凍水中回收余熱，為數據中心及周邊建筑提供采暖及生活熱水。

數據中心需根據余熱回用場所要求，綜合分析空調系統全年能耗，合理選擇余熱回用空調系統形式。多聯機余熱回收系統適用于供熱為主、熱負荷小的建筑，不允許水管進入房間或有分室計量要求的場景。集中余熱回收系統適用于供冷為主、熱負荷大的建筑，或需向周邊建筑供熱的場景。