湖水源數據中心余熱回收系統性能模擬研究
——以東江湖大數據產業園為例

陳姝伊, 張泉*, 鄒思凱, 王加強, 雷建軍, 孟凡希, 鄒鑫鵬

(1.湖南大學土木工程學院, 長沙 410000; 2. 華東交通大學土木建筑學院, 南昌 330000;3.中南大學能源科學與工程學院, 長沙 410000; 4. 湖南云巢科技有限公司, 郴州 423000)

隨著數字經濟的加速發展,數據中心已成為不可或缺的基礎設施。據統計[1],2021年中國數據中心總耗電量達到2 166億kW·h,約占全國總用電量的2.6%,其高耗能問題受到了社會的廣泛關注。數據中心全年8 760 h不間斷運行,冷卻系統能耗約占數據中心總能耗的40%左右[2],降低冷卻系統能耗對于提升數據中心能效至關重要。

研究者們提出了多種數據中心冷卻系統節能技術,其中節能效果尤為突出的是自然冷卻技術[3],主要包括風側自然冷卻[4]和水側自然冷卻[5]。相比于風側自然冷卻,水側自然冷卻技術不受空氣品質影響,冷量傳輸效率高,是應用最廣泛的自然冷卻技術。東江湖數據中心采用湖水作為自然冷源,全年平均能源使用效率(power usage effectiveness,PUE)可達到1.14,遠優于傳統數據中心[6]。然而,冷卻系統將數據中心運行過程中產生的大量余熱直接排入湖水中,減少了自然水體的可用冷量,余熱回收可以有效減少熱排放,同時進一步降低冷卻系統能耗,提高機房能效,因此,如何高效回收余熱已成為數據中心節能的重點突破方向。

目前數據中心余熱回收主要采用區域供熱網絡技術,通過熱泵消耗少量電能提高余熱的溫度水平,再由供熱網絡接入用熱建筑[7],平衡了數據中心園區的冷熱負荷,提高系統能效比[8],部分研究者對其應用進行了理論研究:He等[9]提出采用17.5～20.8 ℃的冷凍水作為分布式冷卻數據中心余熱回收的熱源,與燃煤鍋爐供暖相比,每年可節約1.8萬t標準煤,節能率約10%。景淼等[10]重點研究了水環熱泵多聯機余熱回收技術的應用,從風冷冷水機組15 ℃冷凍水回水中提取熱量,與風冷多聯機系統相比全年用電量減少31%。崔科等[11]利用自來水廠源水冷卻數據中心,并回收余熱用于制備生活熱水,結果表明,當自來水源水回水溫度為20 ℃時,全年有效余熱回收效率可達18.4%,節省生活熱水燃氣費1 767萬元。目前多數研究將余熱回收系統與傳統機械制冷系統耦合,然而對于湖水源自然冷卻系統,冷卻水回水溫度為21～23 ℃,從冷卻水回水側取熱,熱源溫度更高,有利于提高余熱回收效率,系統節能效果更好。

余熱回收系統在實際工程應用時,由于區域供熱網絡用能特點,熱泵供熱在時間上存在供需不平衡現象。為解決供需矛盾,研究者通常在系統中加入柔性儲能手段解決其不匹配問題[12-13],Knudsen等[14]提出利用蓄熱罐實現余熱回收系統的負荷調峰,并通過動態模擬和模型預測控制相結合的方法分析其效果,結果表明,體積為1 500 m3的蓄熱罐可在6個月內削減系統12%的峰值熱負荷。尹亮[15]基于對某數據中心園區人員加班情況的調查,采用水蓄冷技術削峰填谷,優化設備運行策略,優化結果表明,余熱回收系統能耗降低了12%,同時降低了9%的經營成本。上述研究主要利用儲能手段實現負荷削峰,考慮節能性的同時未注重地區階梯電價的經濟性。對于數據中心,運行費用受到電價的影響比對外銷售的熱價更大,受資金限制,余熱回收技術大規模推廣應用仍具備一定挑戰。

針對以上問題,現以東江湖大數據產業園為研究對象,基于夏熱冬冷地區辦公建筑動態負荷特性,利用水源熱泵回收數據中心冷卻回水的熱量,用于建筑冬季空調供熱,并增設蓄熱水箱獲取峰谷電價差效益。通過建立湖水冷卻耦合余熱回收系統動態仿真模型,與傳統風冷熱泵供熱及水源熱泵余熱回收系統對比,探究該系統的節能降費潛力,為數據中心余熱回收系統的設計提供理論依據。

1 概況

東江湖位于湖南省郴州市,是中國中南地區最大的人工湖泊,流量充沛,水位穩定,全年水溫處于11.5～16 ℃范圍內[16]。東江湖數據中心目前實際安裝機架數約1 200個,單機架滿載功耗4 kW[11]。數據中心全年冷負荷處于4 700～5 200 kW,波動范圍小,作為余熱回收熱源可靠性較高。

選取數據中心園區內某辦公建筑(圖1)為供熱對象,回收余熱為該建筑提供冬季空調熱源。利用EnergyPlus軟件模擬該建筑動態熱需求,空調系統僅在工作日的7:00—18:00開啟運行,冬季空調室內設計溫度20 ℃,送風設計溫度40 ℃,建筑物外墻、維護結構及空調系統參數的設定均符合《公共建筑節能設計規范》GB50189—2015要求。該建筑全年逐時空調熱負荷如圖2所示,逐時熱負荷峰值僅為數據中心最小冷負荷的17.2%,余熱利用量較小。

圖1 東江湖數據中心園區規劃圖Fig.1 Construction plan of Dongjiang Lake data center campus

圖2 辦公建筑全年逐時空調熱負荷Fig.2 Hourly air conditioning heat demand of office buildings throughout the year

2 方案與建模

為有效回收機房余熱,本文研究提出了基于移峰填谷策略的余熱回收系統,通過TRNSYS平臺建立動態仿真模型如圖3所示,該系統由數據中心冷卻和末端供熱兩個子系統組成,冷卻系統采用湖水作為獨立冷源,與機房空調空氣處理末端(computer room air handling,CRAH)換熱,帶走服務器散發的熱量;供熱系統主要由水源熱泵機組和蓄熱水箱構成。系統運行過程中,設定溫度參數均由設備內置的反饋控制器(Type22)調節,主要控制策略如下。

EC風機指采用數字化無刷直流外轉子電機的離心式風機;V4、V8為截止閥模塊,變頻模塊為迭代反饋控制器;Ys為需要控制的輸入量;Y為迭代反饋控制信號;U為調節后的輸出量圖3 湖水源數據中心余熱回收系統仿真模型Fig.3 Simulation model of waste heat recovery system in lake water source data center

(1)送回風溫差控制:CRAH風機變頻運行,控制風機風量使機房送回風溫差處于設計范圍內。

(2)CRAH送風溫度控制:冷卻水泵變頻運行,當CRAH送風溫度偏離設定值時,調節冷卻水流量使送風溫度保持在設定值。

(3)冷卻水供水溫度控制:湖水泵變頻運行,當供水溫度偏離設定值時,反饋控制器控制湖水流量直至溫度達到設定值或湖水泵處于滿載(或最小負載)運行狀態。

擬采用兩種供熱方案與移峰填谷策略下水源熱泵聯合蓄熱水箱余熱回收系統進行對比分析,探究其節能降費潛力。

(1)方案1:獨立風冷熱泵供熱。數據中心冷卻系統與供熱系統相互獨立,互不影響,當建筑存在熱需求時,風冷熱泵開啟運行。

(2)方案2:水源熱泵余熱回收供熱。系統原理如圖4(a)所示。水源熱泵從冷卻水回水側回收數據中心余熱,部分冷卻水回水經分流后進入機組蒸發器,經循環后余熱轉移至供熱系統,被冷卻的冷卻水回水混合后進入湖水側換熱器與湖水換熱。

圖4 余熱回收方案系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of waste heat recovery system

(3)方案3:水源熱泵聯合水箱供熱。系統原理如圖4(b)所示。為充分利用低谷電,最大限度節省運行費用,系統分為熱泵邊供邊蓄(模式1)和水箱直接供熱(模式2)兩種運行模式,利用閥門開閉控制模式切換,具體策略如表1所示。

表1 系統運行策略Table 1 System operating strategy

3 能耗分析

根據《數據中心設計規范》GB50174—2017相關規定,從數據中心常用運行參數中選取CRAH送風溫度23 ℃,冷卻水供水溫度17 ℃作為輸入條件進行運行能耗模擬。余熱回收系統總能耗由數據中心冷卻系統能耗和供熱系統能耗組成,為評估不同供熱方案對于數據中心能效的影響,采用PUE評價機房節能效果,PUE越低,用于確保IT設備運行消耗的能源越少,數據中心越節能。PUE計算方式為

Precovery=Pcooling+Pheating

(1)

Pcooling=Pfan+Pchp+Plp

(2)

Pheating=Pheatpump+Phsp+Prp

(3)

(4)

式中:Precovery為余熱回收系統能耗,kW·h;Pcooling與Pheating分別為冷卻系統與供熱系統能耗,kW·h;Pfan為風機能耗,kW·h;Pheatpump為熱泵機組能耗,kW·h;Plp、Pchp、Prp、Phsp分別為湖水泵、冷卻水泵、循環泵、熱水泵能耗,kW·h;PIT為IT設備能耗,kW·h;Pothers為配電設備、網絡設備、照明設備等其他設備能耗,kW·h。

各方案余熱回收系統全年總能耗及數據機房PUE模擬結果如圖5所示。結果表明,與方案1相比,方案2余熱回收系統全年總能耗降低了18.4%;在方案2的基礎上,方案3系統總能耗進一步降低了4.1%。

圖5 不同方案余熱回收系統全年總能耗及機房PUEFig.5 Total annual energy consumption and PUE for different waste heat recovery systems

不同方案供熱系統設備全年運行時間如表2所示。以方案1為基礎,采用方案2后,供熱系統全年總能耗降低了46.1%,由于風冷熱泵性能受環境溫度影響較大,相同制熱量循環性能系數(coefficient of performance,COP)僅為3.4,而水源熱泵制熱COP為5.2,因此風冷熱泵運行能耗遠高于水源熱泵。相比于方案2,通過在余熱回收系統中增設蓄熱水箱,方案3供熱系統能耗進一步降低了41.9%。根據峰谷電價制定供熱系統設備運行策略后,方案3僅在谷價時段開啟熱泵機組為水箱蓄熱,減少了熱泵機組和循環泵的運行時間,進而降低了設備能耗。

表2 不同方案供熱系統設備全年運行時間Table 2 Full-year running time of heating system

此外,在分析時發現,余熱回收一定程度上可以提高冷卻系統能效。與方案1相比,方案2和方案3采用水源熱泵回收數據中心余熱,冷卻系統能耗降低13.1%,PUE由1.131降至1.111。能耗降低的主要原因是:①水源熱泵回收余熱降低了冷卻水回水溫度,湖水需提供的冷量減少,湖水泵能耗明顯下降;②冷卻水回水溫度降低,冷卻水供水溫度同樣存在降低趨勢,為保持系統動態平衡,CRAH水側換熱溫差增大,冷卻水泵流量減小,能耗隨之降低;③CRAH風側運行狀態不變,能耗波動僅由系統響應引起,可認為不同方案下風機能耗不變。

通過對不同方案的能耗分析可知,采用水源熱泵余熱回收相比獨立風冷熱泵供熱具有明顯的節能優勢,根據峰谷電價制定設備運行策略并利用水箱蓄熱可以進一步降低系統運行能耗。

4 經濟性分析

余熱回收系統總耗費主要包括初投資、運行消耗的水電費用和維護成本,計算方法如式(5)～式(8)所示[17-18]。由于數據中心采用湖水自然冷卻系統,在計算時忽略水費。

(5)

(6)

(7)

Cop=EwQw,total+EePsystem,total

(8)

式中:Ctotal為余熱回收系統總耗費;Cinv為冷卻系統的年均投資費用;Cop,n為第n年系統運行消耗的水電費用;Cma,n為第n年系統的運維費用;CRF為資金回收系數;IC為安裝費用;Zk為單類設備的初投資費用;i為平均年利率;tn為系統生命周期;Ew為水費單價,元/t;Qw,total為全年冷水總流量,t;Ee為電費單價,元/(kW·h);Psystem,total為全年系統耗電量,kW·h。

根據市場調研數據,余熱回收系統各設備初投資價格如表3所示,平均年利率及系統運維費用如表4所示,湖南省峰谷電費價格如表5所示。數據中心平均壽命約為15 a,假設余熱回收系統生命周期與數據中心同步。對不同方案的動態回收投資期進行計算,結果如圖6所示。若以方案1為基礎,采用方案2對數據中心冷卻系統進行余熱回收改造,動態回收期為1.88 a,運行過程中方案2每年可節省19.7%的運行電費;若在方案2的基礎上,采用方案3對系統進一步改造,動態回收期為5.91年,相比方案2,供熱系統年節費率為64.4%,進一步提高了余熱回收系統的經濟性。

表3 余熱回收設備初投資價格Table 3 Initial investment price of waste heat recovery equipment

表4 平均年利率及系統運維費用Table 4 Average APR and system O&M costs

表5 湖南省峰谷電價Table 5 Peak and valley electricity price in Hunan Province

圖6 不同方案的動態回收期Fig.6 Dynamic payback period for different schemes

方案3初投資較大,但加入移峰填谷策略后系統設備在高峰及平段運行的時間減少,運行電費降低,且數據中心運行時間越長,節費效果越顯著。可見,移峰填谷策略下數據中心水源熱泵聯合蓄熱水箱余熱回收系統具有較高的經濟性。

5 結論

以東江湖數據中心湖水源自然冷卻系統為對象,模擬分析了移峰填谷策略下水源熱泵余熱回收聯合蓄熱水箱供熱系統的運行性能,并討論其節能性與經濟性,旨在為數據中心余熱利用方案設計與系統節能運行提供理論支撐,得出如下結論。

(1)利用水源熱泵回收數據中心余熱用于辦公建筑供熱,當余熱利用率為17.2%時,與傳統風冷熱泵供熱相比,供熱系統節能率為46.1%;根據峰谷電價策略,增設蓄熱水箱與水源熱泵聯合供熱,供熱系統節能率相比水源熱泵余熱回收系統進一步提高了41.9%,節能效果顯著。

(2)回收數據中心余熱有利于提高冷卻系統能效。當CRAH送風溫度23 ℃、供水溫度17 ℃、余熱利用率為17.2%時,從湖水冷卻系統冷卻水回水側取熱,冷卻系統能耗降低了13.1%,機房PUE由1.131降至1.111。

(3)以傳統風冷熱泵供熱為基礎,采用水源熱泵余熱回收每年可節省19.7%的運行電費,動態回收期為1.88 a;在水源熱泵余熱回收方案上增設蓄熱水箱,減少了熱泵在高峰電價的運行時間,供熱系統節費率進一步提高了64.4%,動態回收期為5.91 a,社會經濟效益顯著。