一種基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統研究

肖彪，常華偉，趙樹男，舒水明

（1.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，廣東 珠海 519070；2.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074）

0 引言

近年來，數據中心激增的能耗問題越來越受到社會的關注。數據中心IT服務器在運行過程中會產生大量的廢熱，經冷卻后的數據中心廢熱品位相對較低，這部分的低品位余熱難以利用，幾乎全部被浪費掉了。為實現數據中心高效用能的目標，數據中心的這一部分余熱必須加以回收利用。

空氣源熱泵可通過消耗少量電能實現低品位熱能向高品位熱能的轉移，具有高效、環保等特點，并且可與可再生能源相結合，在低品位余熱高效回收利用系統中具有獨特的優勢[1]，[2]。例如，空氣源熱泵與太陽能復合的供暖系統在高效利用太陽能的同時，可顯著提高空氣源熱泵在低溫環境下的運行穩定性和制熱效率[3]～[5]，其中太陽能集熱器的出口溫度可以低至10～60℃[6]，與數據中心余熱品位相當。然而，目前在空氣源熱泵回收數據中心低品位余熱方面的研究明顯不足。已有的研究中，Davies[7]提出了一種基于空氣源熱泵的數據中心余熱回收供暖系統。研究表明，對于一個3.5 MW的數據中心，采用該系統后每年可以節約100萬英鎊，減少CO2排放4000t以上。Wahlroos[8]調研了數據中心余熱回收利用過程中存在的困難，并通過分析能源效率、經濟性和環保性能等指標，研究了利用數據中心余熱進行集中供暖的可行性。Mahdi和Sajad[9]通過對伊朗馬什哈德市一個數據中心的余熱及其附屬辦公建筑用能特點進行分析，提出了一種空氣源熱泵回收數據中心余熱的系統，研究了不同工況下系統的熱力性能、經濟性和環保性能。結果表明，采用空氣源熱泵回收數據中心余熱后，每年可節約35 000 m3的天然氣和20.8 MW·h的電能，同時減少CO2排放約121 t。

本文在上述研究的基礎上，結合我國的氣象特點，針對小型數據中心機房余熱回收問題，提出了一種基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統，為其鄰近的一個建筑面積為500 m2的辦公樓進行供暖。通過建立其數值仿真模型，重點分析了數據中心回風溫度對能量回收系統的節能減排效果的影響。

1 基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統結構及描述

基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統原理如圖1所示。整個系統主要由數據中心機房、機房空調機組和空氣源熱泵系統構成。數據中心空氣冷卻形式采用封閉冷通道的方法，將來自空調機組的冷空氣限制在冷池內，回風溫度一般低于24℃[10]。空氣源熱泵的蒸發器置于數據中心的回風通道中，制冷劑直接利用數據中心的余熱實現蒸發；并通過壓縮機的壓縮形成高溫高壓制冷劑蒸氣，然后進入冷凝器進行冷凝，并生產所需的55℃熱水；冷凝后的制冷劑經過節流機構節流，變成低壓的制冷劑液體或氣液兩相混合物再次進入蒸發器，從而完成整個熱泵循環。經空氣源熱泵蒸發器吸熱后的空氣進一步與數據中心空調機組換熱，冷卻到14℃左右后，通過循環風機向數據中心送風，實現空氣循環。

圖1 基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of the energy recovery system in data center based on air source heat pump

該能量回收系統工作過程中，一方面，數據中心24℃左右的回風提高了空氣源熱泵的蒸發溫度，實現了辦公場所采暖過程的節能；另一方面，空氣源熱泵蒸發器的蒸發吸熱作用降低數據中心的回風溫度，從而降低數據中心空調機組的冷負荷，實現數據中心機房冷卻過程的節能，具有較好的節能減排效果。

武漢地區采暖季的逐時環境溫度如圖2所示。

圖2 武漢地區采暖季逐時環境溫度Fig.2 Hourly ambient temperature in heating seasons in Wuhan

本文以武漢為例，研究了該能量回收系統在整個采暖季的能耗及節能效果。武漢地區的采暖季為11月15日-次年3月15日，共計2 904 h。由于辦公場所的供暖設備間歇性工作，假設采暖季空氣源熱泵每天運行12 h，運行時間為8：00-20：00，則由圖2可知，系統運行期間最低氣溫為-2.78℃，最高氣溫為17.22℃，平均氣溫為6.73℃。

2 基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統建模

本研究中的空氣源熱泵蒸發器直接置于數據中心回風通道中，蒸發溫度較高，因此采用一級壓縮循環。空氣源熱泵系統的壓焓圖如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵系統壓焓圖Fig.3 Pressure-enthalpy diagram of the air source heat pump system

在進行建模時作如下合理假設：①由于制冷劑在換熱器及管道中的壓降遠小于整個系統的壓力，因此忽略制冷劑在換熱器及管道中的壓降；②忽略整個系統（含蒸發器、冷凝器、壓縮機及管道等）向環境中的漏熱；③設置壓縮機的吸氣溫度比蒸發溫度高5℃，冷凝溫度比生產的熱水溫度高5℃。循環中各狀態點如圖3所示。制冷劑流量m˙r可根據壓縮機排氣量V、轉速f、壓縮機出口制冷劑蒸氣的比容v2計算獲得，計算式為

在節流過程中，節流前后制冷劑焓值保持不變，因此節流機構出口（狀態點4）的焓值h4等于冷凝器出口（狀態點3）制冷劑的焓值h3。其中，h3可由冷凝壓力及冷凝溫度計算獲得。至此，循環各狀態點的參數計算完畢。

根據上述各狀態點的參數即可計算獲得壓縮機耗功Pcom和空氣源熱泵的制熱量Q。

式中：t為采暖時間；Wt′為相同空氣源熱泵直接從室外環境中吸熱時的采暖季能耗，其計算方法與Wt相同。

空氣源熱泵的蒸發器吸熱降低了數據中心空調機組的負荷，因此數據中心機房冷卻過程中制冷機組能源節約量ΔWc等于空氣源熱泵的蒸發吸熱量，其計算公式為

本文提出的數據中心能量回收系統在節約電能消耗的同時，也具有良好的環保性能，因此分別采用空氣源熱泵總等效溫室效應指標TEWI和CO2減排量mCO2來進行評價。其中，空氣源熱泵的總等效溫室效應主要包括由泄漏、維修或報廢時排放的制冷劑而直接產生的溫室效應，以及空氣源熱泵運行過程中由于耗能而間接產生的溫室效應兩部分構成，其計算公式為[12]

式中：GWP（Global Warming Potential）為制冷工質的全球變暖潛能值，χa為制冷劑年平均泄漏率，取值5%[11]；L0為初始制冷劑充注量；n為系統使用壽命；β為單位電能CO2排放量。

基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統的總CO2減排量計算公式為

根據辦公場所采暖面積及節能型辦公建筑的熱負荷指標計算壓縮機的相關參數，選擇谷輪熱泵熱水專用渦旋壓縮機ZW108KSE，壓縮機相關參數如表1所示。

表1 空氣源熱泵壓縮機參數Table 1 Parameters of the compressor in the air source heat pump

3 結果討論與分析

R404A，R407C，R410A和R417A等混合工質具有清潔、低毒或無毒、不燃、制冷/熱效果好等特點，是替代R22的幾種家用空調/熱泵的制冷劑。R22及4種替代工質主要的物性參數及環保性能參數見表2[13]～[16]。比較它們的性能有利于促進本文提出的能量回收系統的發展和推廣應用。

表2 各工質的基本性質Table 2 Basic properties of different working fluids

3.1 空氣源熱泵循環性能分析

正如前文所述，封閉冷通道的數據中心回風溫度一般不超過24℃，送風溫度一般在14℃左右，因此本文主要研究了回風溫度在16～24℃內變化時，空氣源熱泵及能量回收系統的性能變化規律。圖4為采用5種不同工質的空氣源熱泵COP隨數據中心回風溫度的變化關系。隨著回風溫度的升高，空氣源熱泵的蒸發溫度逐漸升高，因此系統COP也隨之增大。當回風溫度從16℃升高到24℃時，R22的COP值增加了約24.1%，而R404A，R407C，R410A和R417A的COP值分別增加22.0%，25.2%，24.0%和23.9%。另外，從圖4可以看出，4種混合工質在相同的回風溫度下，R410A的COP值相對最高，R404A和R417A次之，R407C的COP值最低，其COP值與R22相比降低了8.4%～13.3%。因此，在用上述混合工質替代R22時將耗費更大的壓縮功。

圖4 空氣源熱泵COP隨回風溫度的變化關系Fig.4 Variations of COP of the air source heat pump in terms of return air temperature

3.2 基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統能耗分析

在對整個能量回收系統的能耗及節能效果進行分析時，采用圖2所示的逐時室外環境溫度。圖5為整個采暖季空氣源熱泵系統總能耗隨回風溫度的變化關系。由圖5可知，隨著回風溫度的升高，采暖能耗逐漸降低，這也和圖4相同，空氣源熱泵系統COP值隨回風溫度升高而升高。回風溫度每升高1℃，空氣源熱泵系統的采暖季總能耗降低2.6%～2.9%。通過對比5種工質可以發現，相同回風溫度下采用R22的系統總能耗最低，而采用4種替代工質的系統總能耗從低到高表現為R410A

圖5 采暖季空氣源熱泵總能耗隨回風溫度的變化關系Fig.5 Variations of annual heating energy consumption of the air source heat pump in terms of return air temperature

在研究該能量回收系統采暖季節能效果時，分別分析了空氣源熱泵系統和機房空調機組節能量，結果如圖6所示。

圖6 能量回收系統年節電量隨回風溫度變化關系Fig.6 Variations of COP of the air source heat pump in terms of return air temperature

由圖6可見，隨著數據中心回風溫度的升高，空氣源熱泵系統和機房空調機組的節能量均逐漸增加，且空氣源熱泵系統的節能量變化更為顯著。在實際應用過程中，由于回風溫度受數據中心空氣冷卻形式以及設備冷卻需求的限制，提高回風溫度將增大機房空調機組的能耗，因此對于一個特定的數據中心，其回風溫度一般不會大幅度波動。在相同回風溫度下，除R407C的系統節能量小于R22系統外，其他3種替代工質的系統節能量均大于R22，其中R404A的系統節能量最大，比R22系統多節能2.3%～5.3%，R417A和R410A系統的節能效果接近，比R22系統高1.0%～2.9%。

3.3 基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統環保性能分析

不同回風溫度下，空氣源熱泵的年均等效CO2排放量如圖7所示。

圖7 空氣源熱泵年均等效CO2排放量隨回風溫度的變化關系Fig.7 Variations of annual average equivalent CO2 emission of air source heat pump in terms of return air temperature

如前文所述，空氣源熱泵總等效CO2排放量包括由制冷劑帶來的直接CO2排放和由耗能而帶來的間接CO2排放，但系統長時間運行時，由耗能而產生的間接CO2排放量會遠大于由制冷劑本身而帶來的直接CO2排放量。因此，與圖5對比分析可見，采暖季總能耗低的系統，其總的等效CO2排放量也相對較低。另外，隨著回風溫度的升高，空氣源熱泵的采暖季總能耗降低，年均等效CO2排放量量也逐漸降低。

圖8顯示了該能量回收系統的CO2減排量隨回風溫度的變化規律，包括空氣源熱泵的CO2減排量和機房空調機組CO2減排量。由于這兩部分的CO2減排量均是由于節約電能消耗而帶來的，因此圖中各回風溫度的CO2減排量與圖6中能量回收系統年電能節約量成正相關的關系。另外，結合圖6和圖7可以看出，隨著回風溫度的升高，空氣源熱泵的節電量逐漸增加，而年均等效CO2排放量逐漸降低。當回風溫度為16℃時，空氣源熱泵的CO2減排量約占其年均等效CO2排放量的20%，而當回風溫度升高至24℃時約占44%。因此，就空氣源熱泵自身而言，較高的回風溫度在提高其熱力性能和經濟性的同時，也更有助于提高其環保性能。

圖8 能量回收系統CO2減排量隨回風溫度的變化關系Fig.8 Variations of annual CO2 emission reduction of the energy recovery system in terms of return air temperature

4 結論

本文針對數據中心能耗逐年攀升及數據中心低品位余熱難以回收利用的問題，提出了一種基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統，并采用常用的4種替代R22的混合工質（R407C，R404A，R410A和R417A），分析了數據中心回風溫度對空氣源熱泵循環性能、采暖季能耗、能量回收系統總能耗及CO2排放量的影響。主要研究結論如下。

①根據數據中心低品位余熱的特點，提出了一種基于空氣源熱泵的數據中心能量回收系統，其中空氣源熱泵的蒸發器直接置于數據中心的回風通道中。

②在研究的溫度范圍內，4種替代工質的COP比較接近，但均略小于R22。隨著數據中心回風溫度的升高，空氣源熱泵的COP值逐漸升高，在所研究的溫度范圍內，回風溫度每升高1℃，空氣源熱泵的采暖季總能耗降低2.6%～2.9%。

③該能量回收系統在提高空氣源熱泵蒸發溫度的同時，降低了機房空調機組的冷負荷，具有較好的節能效果。在相同回風溫度下，除采用R407C的系統節能量略小于R22系統外，采用其他3種替代工質的節能量比R22高1.0%～5.3%。

④隨著數據中心回風溫度的升高，系統CO2減排量逐漸升高，其中空氣源熱泵的CO2減排效果更為顯著。當回風溫度從16℃升高到24℃時，空氣源熱泵的CO2減排率約從20%提高到44%。